Гелиотермическая зона и ее основные характеристики

Теплопередача в горных породах

Внутренние источники тепла

В геотермической зоне вертикальный профиль температуры определяется распределением внутренних источников тепла, к которым относятся:

–тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных элементов (основной источник для верхней оболочки Земли до глубины ~ 300 км, максимальное поступление тепла – для верхнего слоя мощностью 90 км);

–гравитационная дифференциация вещества Земли, в процессе которой происходит разделение химических элементов по массе, изменение потенциальной энергии системы и выделение тепла.

Прочие источники тепла: тепло, возникающее при адиабатическом сжатии, имело заметную величину на ранней стадии истории развития Земли; тепло, выделяющееся при химических реакциях, не поддается учету (можно предположить, что суммарный эффект эндогенных и экзогенных реакций близок к нулю).

Тепловые съемки, проведенные в различных районах Земли, показывают, что генерация тепла во внутренних сферах Земли превышает величину конвективных теплопотерь через ее поверхность. Положительный баланс тепла определяет современную тектоническую активность Земли, в частности, тектонику литосферных плит. Тепловой поток из земных недр – 0.063 Вт/м². Для щитов и платформ – 0.038 Вт/м², в молодых горах – 0.1 Вт/м². Для океанов и континентов средний тепловой поток примерно одинаков, но изменчивость различная: q_max//q_min – 1: 3 (континент), 1:8 (океан).

Осуществляется за счет молекулярной теплопроводности, излучения, конвекции и переносом с капиллярной и гравитационной влагой. Конвекция – в крупных порах и трещинах при заметных градиентах температуры. Излучение при θ>50⁰С в крупных порах. Молекулярная происходит повсеместно.

Для расчета теплового потока измеряются температуры на двух уровнях, рассчитывается grad θ и определяется коэффициент теплопроводности λ.

q = – λgrad θ

Уравнение теплопроводности Фурье

с_ρ ∂θ/∂t = ∂/∂z (λ∂θ/∂z)

В гелиотермической зоне режим температуры (θ) определяется режимом поступления солнечной радиации (R).Так как R имеет суточный, годовой и вековой ход, то соответствующие изменения показывает и ход θ

Слой суточных колебаний температуры – это поверхностный слой почвогрунта мощностью 1,0 – 1,5 м, в пределах которого ход θ соответствует суточному ходу R. Максимальная изменчивость, характеризующаяся амплитудой колебания температуры А(θ), отмечается на поверхности земли. С глубиной значения А(θ) уменьшаются по экспоненциальному закону (см. рис. 1).

Значения θ_max на поверхности отмечаются в 13 часов, θ_min – в три часа. С ростом глубины время наступления θ_max сдвигается: так на глубине 0,20 м θ_max наблюдается в 18 часов, на глубине 0,40 м – в 24 часа и на глубине 0,60 м – в 7 часов утра.

Изменение амплитуды суточных колебаний θ по глубине для разных пород различно и зависит от их тепловых свойств, в частности, от коэффициента температуропроводности (k_t). Так, например, глины характеризуются большими значениями k_t, чем пески. Следствием этого являются меньшие значения А(θ) на поверхности глин и - большие на глубине, чем соответствующие величины А(θ), отмечаемые для песчаных разрезов (см. рис.2).

Амплитуда годовых колебаний θ в умеренных широтах составляет 29 – 31 ^оС, с ростом глубины она уменьшается, а экстремальные значения опаздывают на 20 – 30 суток на каждый метр глубины.

Основные закономерности распространения колебаний температуры пород в гелиотермической зоне сформулировал Фурье:

а – период колебаний температуры (Т) неизменен на всех глубинах (сутки, год);

б – амплитуда колебаний θ уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону

,

где А_о – амплитуда θ на поверхности земли;

в) при росте глубины (h) в арифметической прогрессии А_h убывает в геометрической прогрессии;

г) время наступления экстремальных значений θ запаздывает пропорционально глубине; глубины, на которых А(θ) уменьшается в одно и то же число раз для разнопериодных колебаний (например, Т₁ = 1 сутки и Т₂ = 365 суток) относятся как корни квадратные из Т, т.е. какÖ365 /Ö1 = 19. Так, если амплитуда суточных колебаний температуры породы, близкая к нулю, наблюдается на глубине 2 м, то такая же амплитуда годовых колебаний отмечается на глубине 38 м.

Практически соотношения между глубиной суточных и годовых колебаний температуры непостоянно из-за влияния физико-географических условий, неоднородности разреза по глубине, нарушения периодичности θ у поверхности под действием атмосферных осадков и облачности. Для Земли в целом глубина суточных колебаний температуры изменяется в пределах 1,0 – 2,0 м (среднее значение 1,5 м), годовых – 8 – 40 м (средняя глубина 24 м).

Нижняя граница гелиотермической зоны (Н), на которой температура постоянна, определяется водно-тепловыми свойствами горных пород, физико-географическими и геологическими условиями региона. Там, где значения коэффициента теплопроводности (l) выше, там эта граница глубже. Минимальные значения Н характерны для районов с морским и тропическим климатом, максимальные – в условиях континентального климата. В тропиках Н_ср ~ 10 – 12 м, в высоких широтах Н_ср ~ 42 –45 м, в пределах России Н = 15 – 40 м.

Глубина, на которой θ = const, определяет положение пояса постоянной годовой температуры, равной среднегодовой температуре воздуха. В районе г. Москвы этот пояс находится на глубине 20 м (θ = 4,2 ^оС), в Париже – 28 м (θ = 11,83 ^оС), в Якутске – 10 м (θ = -2,0 ^оС).

Дата добавления: 2014-01-07