Calore della Terra. Probabili fonti di calore interno

Il termine “energia geotermica” deriva dalle parole greche per terra (geo) e calore (termico). Infatti, l’energia geotermica proviene dalla terra stessa. Il calore proveniente dal nucleo terrestre, che ha una temperatura media di 3.600 gradi Celsius, si irradia verso la superficie del pianeta.

Il riscaldamento di sorgenti e geyser sotterranei a una profondità di diversi chilometri può essere effettuato utilizzando pozzi speciali attraverso i quali l'acqua calda (o il vapore da essa derivante) scorre in superficie, dove può essere utilizzata direttamente come calore o indirettamente per generare elettricità accendendo turbine rotanti.

Poiché l’acqua sotto la superficie terrestre viene costantemente rifornita e il nucleo della Terra continuerà a produrre calore relativo alla vita umana indefinitamente, l’energia geotermica finirà per pulito e rinnovabile.

Metodi per la raccolta delle risorse energetiche della Terra

Oggi esistono tre metodi principali per raccogliere l'energia geotermica: vapore secco, acqua calda e ciclo binario. Il processo del vapore secco aziona direttamente le turbine dei generatori di elettricità. L'acqua calda scorre dal basso verso l'alto, quindi viene spruzzata nel serbatoio per creare vapore che aziona le turbine. Questi due metodi sono i più comuni e generano centinaia di megawatt di elettricità negli Stati Uniti, in Islanda, in Europa, in Russia e in altri paesi. Ma l’ubicazione è limitata, poiché questi impianti operano solo nelle regioni tettoniche dove l’accesso all’acqua riscaldata è più facile.

Con la tecnologia del ciclo binario, l'acqua calda (non necessariamente calda) viene portata in superficie e combinata con butano o pentano, che hanno un basso punto di ebollizione. Questo liquido viene pompato attraverso uno scambiatore di calore dove viene evaporato e inviato attraverso una turbina prima di essere ricircolato nel sistema. Le tecnologie del ciclo binario forniscono decine di megawatt di elettricità negli Stati Uniti: California, Nevada e Hawaii.

Il principio della produzione di energia

Svantaggi dell'energia geotermica

A livello di utilità pubblica, le centrali geotermiche sono costose da costruire e gestire. Trovare un luogo adatto richiede costose indagini sui pozzi senza alcuna garanzia di raggiungere un punto caldo sotterraneo produttivo. Tuttavia, gli analisti prevedono che questa capacità quasi raddoppierà nei prossimi sei anni.

Inoltre, aree con elevate temperature sotterranee si trovano in aree con vulcani geologici e chimici attivi. Questi "punti caldi" si formano ai confini delle placche tettoniche in luoghi dove la crosta è piuttosto sottile. La regione del Pacifico, spesso definita l’anello di fuoco per molti vulcani, ha molti punti caldi, tra cui Alaska, California e Oregon. Il Nevada ha centinaia di punti caldi che coprono gran parte degli Stati Uniti settentrionali.

Ci sono altre zone sismicamente attive. I terremoti e il movimento del magma permettono all'acqua di circolare. In alcuni luoghi, l'acqua sale in superficie e si formano sorgenti termali naturali e geyser, come in Kamchatka. L'acqua nei geyser della Kamchatka raggiunge i 95° C.

Uno dei problemi con un sistema di geyser aperto è il rilascio di alcuni inquinanti atmosferici. L'idrogeno solforato è un gas tossico con un odore di "uovo marcio" molto riconoscibile: piccole quantità di arsenico e minerali rilasciati con il vapore. Il sale può anche rappresentare un problema ambientale.

Nelle centrali geotermiche offshore, nei tubi si accumulano quantità significative di sale interferente. Nei sistemi chiusi non ci sono emissioni e tutto il liquido portato in superficie viene restituito.

Potenziale economico della risorsa energetica

I punti sismicamente attivi non sono gli unici luoghi in cui è possibile trovare energia geotermica. C'è una fornitura costante di calore utile per scopi di riscaldamento diretto a profondità comprese tra 4 metri e diversi chilometri sotto la superficie quasi ovunque sulla terra. Anche il terreno del tuo cortile o della tua scuola locale ha un potenziale economico sotto forma di calore da rilasciare nella tua casa o in altri edifici.

Inoltre, nelle formazioni rocciose secche molto profonde sotto la superficie (4 – 10 km) si trova un'enorme quantità di energia termica.

L’uso della nuova tecnologia potrebbe espandere i sistemi geotermici, dove le persone potrebbero utilizzare quel calore per produrre elettricità su scala molto più ampia rispetto alle tecnologie convenzionali. I primi progetti dimostrativi di questo principio di generazione di elettricità sono stati presentati negli Stati Uniti e in Australia già nel 2013.

Se si riuscisse a sfruttare appieno il potenziale economico delle risorse geotermiche, esse rappresenterebbero un’enorme fonte di elettricità per la capacità produttiva. Gli scienziati stimano che le fonti geotermiche convenzionali abbiano un potenziale di 38.000 MW, in grado di produrre 380 milioni di MW di elettricità all'anno.

Le rocce calde e secche si trovano ovunque nel sottosuolo a una profondità compresa tra 5 e 8 km e in alcuni luoghi a profondità inferiori. L'accesso a queste risorse prevede l'immissione di acqua fredda, la circolazione attraverso rocce calde e la rimozione dell'acqua riscaldata. Al momento non esistono applicazioni commerciali per questa tecnologia. Le tecnologie esistenti non consentono ancora il recupero dell'energia termica direttamente dal magma, molto in profondità, ma questa è la risorsa più potente dell'energia geotermica.

Grazie alla combinazione delle risorse energetiche e alla sua consistenza, l’energia geotermica può svolgere un ruolo indispensabile come sistema energetico più pulito e sostenibile.

Strutture di centrali geotermiche

L’energia geotermica è il calore pulito e sostenibile proveniente dalla Terra. Grandi risorse si trovano in un raggio di diversi chilometri sotto la superficie terrestre e anche più in profondità, fino alla roccia fusa ad alta temperatura chiamata magma. Ma come descritto sopra, le persone non hanno ancora raggiunto il magma.

Tre progetti di centrali geotermiche

La tecnologia di applicazione è determinata dalla risorsa. Se l'acqua proviene dal pozzo come vapore, può essere utilizzata direttamente. Se l'acqua calda ha una temperatura sufficientemente elevata, deve passare attraverso uno scambiatore di calore.

Il primo pozzo per la produzione di energia fu perforato prima del 1924. Negli anni '50 furono perforati pozzi più profondi, ma il vero sviluppo si verificò negli anni '70 e '80.

Utilizzo diretto del calore geotermico

Le fonti geotermiche possono essere utilizzate anche direttamente per scopi di riscaldamento. L’acqua calda viene utilizzata per riscaldare gli edifici, coltivare piante in serre, essiccare pesce e colture, migliorare il recupero del petrolio, aiutare nei processi industriali come la pastorizzazione del latte e riscaldare l’acqua negli allevamenti ittici. Negli Stati Uniti, Klamath Falls, Oregon e Boise, Idaho, utilizzano l’acqua geotermica per riscaldare case ed edifici da oltre un secolo. Sulla costa orientale, Warm Springs, in Virginia, ottiene il calore direttamente dall'acqua sorgiva utilizzando fonti di calore in uno dei resort locali.

In Islanda, quasi tutti gli edifici del paese sono riscaldati dall’acqua termale. Infatti, l’Islanda ottiene più del 50% della sua energia primaria da fonti geotermiche. A Reykjavik, ad esempio (118mila abitanti), l'acqua calda viene trasportata tramite un nastro trasportatore per oltre 25 chilometri e i residenti la utilizzano per il riscaldamento e per i bisogni naturali.

La Nuova Zelanda riceve un ulteriore 10% della sua elettricità. è sottosviluppato, nonostante la presenza di acque termali.

Questa energia appartiene a fonti alternative. Al giorno d'oggi, si parla sempre più delle possibilità di ottenere le risorse che il pianeta ci offre. Possiamo dire che viviamo in un'era di moda per le energie rinnovabili. In questo settore si stanno creando molte soluzioni tecniche, piani e teorie.

Si trova nelle profondità della terra e ha proprietà di rinnovamento, in altre parole, è infinito. Le risorse classiche, secondo gli scienziati, stanno cominciando a esaurirsi, petrolio, carbone e gas si prosciugheranno.

Centrale geotermica di Nesjavellir, Islanda

Pertanto, possiamo gradualmente prepararci ad adottare nuovi metodi alternativi di produzione energetica. Sotto la crosta terrestre c'è un nucleo potente. La sua temperatura varia da 3000 a 6000 gradi. Il movimento delle placche litosferiche dimostra la sua enorme potenza. Si manifesta sotto forma di un'esplosione vulcanica di magma. Il decadimento radioattivo avviene nelle profondità, a volte provocando tali disastri naturali.

Tipicamente il magma riscalda la superficie senza oltrepassarla. Questo crea geyser o pozze d'acqua calda. In questo modo i processi fisici possono essere utilizzati per scopi utili per l’umanità.

Tipi di fonti di energia geotermica

Solitamente viene divisa in due tipologie: energia idrotermale e petrotermica. Il primo si forma a causa di fonti calde e il secondo tipo è la differenza di temperatura in superficie e in profondità nella terra. Spiegandolo con parole tue, una fonte idrotermale è costituita da vapore e acqua calda, mentre una fonte petrotermale è nascosta in profondità nel sottosuolo.

Mappa del potenziale di sviluppo dell’energia geotermica nel mondo

Per l'energia petrotermica è necessario perforare due pozzi, riempirne uno con acqua, dopodiché avverrà un processo di vaporizzazione, che verrà in superficie. Esistono tre classi di aree geotermiche:

Geotermico: situato vicino alle placche continentali. Gradiente di temperatura superiore a 80°C/km. Ad esempio, il comune italiano di Larderello. C'è una centrale elettrica lì
Semitermico – temperatura 40 – 80 C/km. Si tratta di falde acquifere naturali costituite da rocce frammentate. In alcune località della Francia gli edifici vengono riscaldati in questo modo.
Normale – pendenza inferiore a 40 C/km. La rappresentazione di tali aree è la più comune

Sono un'ottima fonte di consumo. Si trovano nella roccia ad una certa profondità. Vediamo la classificazione più nel dettaglio:

Epitermale - temperatura da 50 a 90 C
Mesotermico – 100 – 120 s
Ipotermico – più di 200 s

Queste specie sono costituite da diverse composizioni chimiche. A seconda di ciò, l'acqua può essere utilizzata per vari scopi. Ad esempio, nella produzione di elettricità, fornitura di calore (percorsi del calore), base di materie prime.

Video: Energia geotermica

Processo di riscaldamento

La temperatura dell'acqua è di 50-60 gradi, ottimale per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda nelle aree residenziali. La necessità di sistemi di riscaldamento dipende dalla posizione geografica e dalle condizioni climatiche. E le persone hanno costantemente bisogno di acqua calda. Per questo processo vengono costruite GTS (centrali termiche geotermiche).

Se per la produzione classica di energia termica viene utilizzata una caldaia che consuma combustibile solido o gassoso, in questa produzione viene utilizzata una fonte geyser. Il processo tecnico è molto semplice, le stesse comunicazioni, percorsi termici e attrezzature. È sufficiente perforare un pozzo, pulirlo dai gas, quindi inviarlo con le pompe al locale caldaia, dove verrà mantenuta la temperatura programmata, e quindi entrerà nella rete di riscaldamento.

La differenza principale è che non è necessario utilizzare una caldaia a combustibile. Ciò riduce significativamente il costo dell’energia termica. In inverno, gli abbonati ricevono la fornitura di riscaldamento e acqua calda e in estate solo la fornitura di acqua calda.

Produzione di energia

Le sorgenti termali e i geyser fungono da componenti principali nella produzione di elettricità. A tale scopo vengono utilizzati diversi schemi e vengono costruite centrali elettriche speciali. Dispositivo GTS:

Serbatoio ACS
Pompa
Separatore di gas
Separatore di vapore
Turbina generatrice
Condensatore
Aumenta la pompa
Raffreddatore a serbatoio

Come possiamo vedere, l'elemento principale del circuito è il convertitore di vapore. Ciò consente di ottenere vapore purificato, poiché contiene acidi che distruggono le apparecchiature della turbina. È possibile utilizzare uno schema misto nel ciclo tecnologico, ovvero nel processo sono coinvolti acqua e vapore. Il liquido attraversa l'intera fase di purificazione dai gas, proprio come il vapore.

Circuito sorgente binario

Il componente di lavoro è un liquido con un basso punto di ebollizione. L'acqua termale interviene anche nella produzione di energia elettrica e funge da materia prima secondaria.

Con il suo aiuto si forma vapore da una fonte bassobollente. GTS con tale ciclo operativo può essere completamente automatizzato e non necessita di personale di manutenzione. Le stazioni più potenti utilizzano un circuito a doppio circuito. Questo tipo di centrale permette di raggiungere una potenza di 10 MW. Struttura a doppio circuito:

Generatore di vapore
Turbina
Condensatore
Espulsore
Pompa di alimentazione
Economizzatore
Evaporatore

Uso pratico

Le enormi riserve delle fonti sono molte volte superiori al consumo energetico annuale. Ma solo una piccola parte viene utilizzata dall’umanità. La costruzione delle stazioni risale al 1916. In Italia è stata realizzata la prima centrale geotermica da 7,5 MW. Il settore si sta sviluppando attivamente in paesi come Stati Uniti, Islanda, Giappone, Filippine e Italia.

È in corso l’esplorazione attiva di potenziali posizioni e metodi di estrazione più convenienti. La capacità produttiva cresce di anno in anno. Se prendiamo in considerazione l'indicatore economico, il costo di tale industria è pari alle centrali termoelettriche a carbone. L'Islanda copre quasi completamente il suo patrimonio immobiliare con una fonte GT. L'80% delle case utilizza l'acqua calda dei pozzi per il riscaldamento. Gli esperti statunitensi affermano che con un adeguato sviluppo le centrali geotermiche possono produrre un consumo annuo 30 volte superiore. Se parliamo di potenziale, 39 paesi del mondo saranno in grado di approvvigionarsi completamente di elettricità se utilizzeranno il 100% del sottosuolo terrestre.

Le principali fonti di energia termica della Terra sono [, ]:

calore di differenziazione gravitazionale;

calore radiogenico;

calore da attrito delle maree;

calore di accrescimento;

calore per attrito rilasciato a causa della rotazione differenziale del nucleo interno rispetto a quello esterno, del nucleo esterno rispetto al mantello e dei singoli strati all'interno del nucleo esterno.

Ad oggi sono state quantificate solo le prime quattro fonti. Nel nostro Paese il merito principale va a questo O.G. Sorokhtin E SA Ushakov. I dati seguenti si basano principalmente sui calcoli di questi scienziati.

Calore della differenziazione gravitazionale della Terra

Uno dei modelli più importanti nello sviluppo della Terra è differenziazione la sua sostanza, che continua ancora oggi. A causa di questa differenziazione si è verificata la formazione nucleo e crosta, cambiamento nella composizione del primario mantello, mentre la divisione di una sostanza inizialmente omogenea in frazioni di diversa densità è accompagnata dal rilascio energia termica, e il massimo rilascio di calore si verifica quando la materia terrestre viene suddivisa in nucleo denso e pesante e residuo accendino guscio di silicato - mantello terrestre. Attualmente, la maggior parte di questo calore viene rilasciata al confine mantello - nucleo.

Energia di differenziazione gravitazionale della Terra durante l'intero periodo della sua esistenza, si è distinto - 1,46*10 38 erg (1,46*10 31 J). Questa energia per la maggior parte entra prima energia cinetica correnti convettive della materia del mantello, e poi dentro Caldo; l'altra parte viene spesa per ulteriori compressione dell’interno della terra, derivante dalla concentrazione di fasi dense nella parte centrale della Terra. Da 1.46*10 38 erg l'energia della differenziazione gravitazionale della Terra è andata nella sua ulteriore compressione 0,23*10 38 erg (0,23*10 31J) ed è stato rilasciato sotto forma di calore 1.23*10 38 erg (1,23*10 31 J). L'entità di questa componente termica supera significativamente il rilascio totale di tutti gli altri tipi di energia sulla Terra. La distribuzione temporale del valore totale e della velocità di rilascio della componente termica dell'energia gravitazionale è mostrata in Fig. 3.6 .

Riso. 3.6.

L'attuale livello di generazione di calore durante la differenziazione gravitazionale della Terra è 3*10 20 erg/s (3*10 13 W), che dipende dall'entità del flusso di calore moderno che passa attraverso la superficie del pianeta in ( 4.2-4.3)*10 20 erg/s ((4.2-4.3)*10 13 W), È ~ 70% .

Calore radiogenico

Causato dal decadimento radioattivo di instabile isotopi. Il più energivoro e longevo ( con emivita, commisurati all'età della Terra) sono isotopi 238U, 235U, 232 giugno E 40K. Il loro volume principale è concentrato in crosta continentale. Livello attuale di generazione calore radiogenico:

dal geofisico americano V. Vaquier - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13 W) ,
dai geofisici russi O.G. Sorokhtin E SA Ushakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13 W) .

Questo corrisponde a circa il 27-30% del flusso di calore attuale.

Dalla quantità totale di calore di decadimento radioattivo in 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13 W) nella crosta terrestre risalta - 0,91*10 20 erg/s, e nel mantello - 0,35*10 20 erg/s. Ne consegue che la quota di calore radiogenico del mantello non supera il 10% delle perdite di calore moderne totali della Terra, e non può essere la principale fonte di energia per processi tettono-magmatici attivi, la cui profondità può raggiungere i 2900 km; e il calore radiogenico rilasciato nella crosta si perde in tempi relativamente brevi attraverso la superficie terrestre e praticamente non partecipa al riscaldamento dell'interno profondo del pianeta.

Nelle epoche geologiche passate, la quantità di calore radiogenico rilasciato nel mantello deve essere stata maggiore. Le sue stime al momento della formazione della Terra ( 4,6 miliardi di anni fa) Dare - 6,95*10 20 erg/s. Da questo momento si è verificata una costante diminuzione nella velocità di rilascio dell’energia radiogenica (Fig. 3.7 ).

Per tutto il tempo sulla Terra, è stato rilasciato ~4.27*10 37 erg(4,27*10 30J) energia termica del decadimento radioattivo, che è quasi tre volte inferiore al calore totale della differenziazione gravitazionale.

Calore da attrito delle maree

Si distingue durante l'interazione gravitazionale della Terra principalmente con la Luna, come il grande corpo cosmico più vicino. A causa della reciproca attrazione gravitazionale, nei loro corpi si verificano deformazioni di marea - rigonfiamento O gobbe. Le gobbe di marea dei pianeti, con la loro attrazione aggiuntiva, influenzano il loro movimento. Pertanto, l'attrazione di entrambe le gobbe di marea della Terra crea una coppia di forze che agiscono sia sulla Terra stessa che sulla Luna. Tuttavia, l'influenza del rigonfiamento vicino, rivolto verso la Luna, è un po' più forte di quella di quello lontano. A causa del fatto che la velocità angolare di rotazione della Terra moderna ( 7,27*10 -5 s -1) supera la velocità orbitale della Luna ( 2,66*10 -6 s -1), e la sostanza dei pianeti non è idealmente elastica, le gobbe di marea della Terra sembrano essere trascinate dalla sua rotazione in avanti e anticipano notevolmente il movimento della Luna. Ciò porta al fatto che le maree massime della Terra si verificano sempre sulla sua superficie un po' più tardi del momento climax Luna, e un ulteriore momento di forza agisce sulla Terra e sulla Luna (Fig. 3.8 ) .

I valori assoluti delle forze di interazione mareale nel sistema Terra-Luna sono ormai relativamente piccoli e le deformazioni mareali della litosfera da esse causate possono raggiungere solo poche decine di centimetri, ma portano ad un graduale rallentamento della rotazione terrestre e, viceversa, ad un'accelerazione del movimento orbitale della Luna e alla sua distanza dalla Terra. L'energia cinetica del movimento delle gobbe di marea terrestri si trasforma in energia termica a causa dell'attrito interno della sostanza nelle gobbe di marea.

Attualmente, il tasso di rilascio dell'energia delle maree è G.Macdonald ammonta a ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13 W), mentre la sua parte principale (circa 2/3) lo è presumibilmente si dissipa(dissipa) nell'idrosfera. Di conseguenza, la frazione di energia delle maree causata dall’interazione della Terra con la Luna e dissipata nella Terra solida (principalmente nell’astenosfera) non supera 2 % energia termica totale generata nelle sue profondità; e la quota delle maree solari non supera 20 % dagli effetti delle maree lunari. Pertanto, le maree solide non svolgono praticamente più alcun ruolo nell’alimentare i processi tettonici con energia, ma in alcuni casi possono agire come “inneschi”, ad esempio i terremoti.

La quantità di energia delle maree è direttamente correlata alla distanza tra gli oggetti spaziali. E se la distanza tra la Terra e il Sole non comporta cambiamenti significativi nella scala temporale geologica, nel sistema Terra-Luna questo parametro è un valore variabile. Indipendentemente dalle idee al riguardo, quasi tutti i ricercatori ammettono che nelle prime fasi dello sviluppo della Terra, la distanza dalla Luna era significativamente inferiore a quella odierna, ma nel processo di sviluppo planetario, secondo la maggior parte degli scienziati, aumenta gradualmente e Yu.N. Avsyuku questa distanza subisce cambiamenti a lungo termine sotto forma di cicli "andare e venire" della Luna. Ne consegue che nelle epoche geologiche passate il ruolo del calore delle maree nel bilancio termico complessivo della Terra era più significativo. In generale, durante l'intero periodo di sviluppo della Terra, si è evoluto ~3.3*10 37 erg (3,3*10 30J) energia termica delle maree (questa è soggetta al successivo allontanamento della Luna dalla Terra). La variazione della velocità di rilascio di questo calore nel tempo è mostrata in Fig. 3.10 .

Più della metà dell’energia totale delle maree è stata rilasciata catarchea (merda)) - 4,6-4,0 miliardi di anni fa, e allora solo grazie a questa energia la Terra poteva riscaldarsi ulteriormente di ~500 0 C. A partire dal tardo Archeano, le maree lunari hanno avuto solo un'influenza trascurabile sullo sviluppo processi endogeni ad alta intensità energetica .

Calore di accrescimento

Questo è il calore trattenuto dalla Terra sin dalla sua formazione. In corso accrescimento, che durò per diverse decine di milioni di anni, grazie alla collisione planetesimi La Terra ha subito un riscaldamento significativo. Tuttavia, non c’è consenso sull’entità di questo riscaldamento. Attualmente, i ricercatori sono propensi a credere che durante il processo di accrescimento la Terra abbia subito, se non completamente, una significativa fusione parziale, che ha portato alla differenziazione iniziale della Proto-Terra in un nucleo di ferro pesante e un mantello leggero di silicato, e a la formazione "oceano di magma" sulla sua superficie o a basse profondità. Sebbene anche prima degli anni '90, il modello di una Terra primaria relativamente fredda, che si riscaldava gradualmente a causa dei processi di cui sopra, accompagnato dal rilascio di una quantità significativa di energia termica, fosse considerato quasi universalmente accettato.

Una valutazione accurata del calore di accrescimento primario e della sua frazione conservata fino ai giorni nostri è associata a notevoli difficoltà. Di O.G. Sorokhtin E SA Ushakov, che sono sostenitori della Terra primaria relativamente fredda, la quantità di energia di accrescimento convertita in calore è - 20.13*10 38 erg (20,13*10 31 J). Questa energia, in assenza di dispersioni di calore, sarebbe sufficiente per completa evaporazione materia terrena, perché la temperatura potrebbe salire a 30 000 0 С. Ma il processo di accrescimento è stato relativamente lungo e l'energia degli impatti planetesimi è stata rilasciata solo negli strati vicini alla superficie della Terra in crescita ed è stata rapidamente persa con la radiazione termica, quindi il riscaldamento iniziale del pianeta non è stato elevato. Questi autori stimano che l’entità di questa radiazione termica, che avviene parallelamente alla formazione (accrescimento) della Terra, sia 19,4*10 38 erg (19,4*10 31J) .

Nel moderno bilancio energetico della Terra, il calore di accrescimento gioca molto probabilmente un ruolo minore.

LORO. Kapitonov

Il calore nucleare della Terra

Calore terrestre

La terra è un corpo abbastanza caldo ed è una fonte di calore. Si riscalda principalmente a causa della radiazione solare che assorbe. Ma la Terra possiede anche una propria risorsa termica paragonabile al calore che riceve dal Sole. Si ritiene che questa autoenergia della Terra abbia la seguente origine. La Terra è nata circa 4,5 miliardi di anni fa in seguito alla formazione del Sole da un disco protoplanetario di gas e polveri che gli ruotava attorno compattandolo. Nella fase iniziale della sua formazione, la sostanza terrestre era riscaldata a causa della compressione gravitazionale relativamente lenta. Anche l’energia rilasciata quando piccoli corpi cosmici vi cadono addosso ha svolto un ruolo importante nell’equilibrio termico della Terra. Pertanto, la giovane Terra era fusa. Raffreddandosi, è gradualmente arrivato allo stato attuale con una superficie solida, una parte significativa della quale è ricoperta da acque oceaniche e marine. Questo strato esterno duro si chiama la crosta terrestre e in media, sulla terra, il suo spessore è di circa 40 km e sotto le acque oceaniche - 5-10 km. Lo strato più profondo della Terra, chiamato mantello, è costituito anch'esso da materia solida. Si estende ad una profondità di quasi 3000 km e contiene la maggior parte della sostanza terrestre. Infine, la parte più interna della Terra è sua nucleo. Si compone di due strati: esterno e interno. Nucleo esterno si tratta di uno strato di ferro e nichel fusi alla temperatura di 4500-6500 K, spesso 2000-2500 km. Nucleo interno con un raggio di 1000-1500 km, è una lega solida di ferro-nichel riscaldata alla temperatura di 4000-5000 K con una densità di circa 14 g/cm 3, formatasi sotto un'enorme pressione (quasi 4 milioni di bar).
Oltre al calore interno della Terra, che ha ereditato dal primo stadio caldo della sua formazione, e la cui quantità dovrebbe diminuire nel tempo, ce n'è un altro, a lungo termine, associato al decadimento radioattivo dei nuclei con un lungo periodo emivita - principalmente 232 Th, 235 U , 238 U e 40 K. L'energia rilasciata in questi decadimenti - rappresentano quasi il 99% dell'energia radioattiva della Terra - riempie costantemente le riserve termiche della Terra. I nuclei di cui sopra sono contenuti nella crosta e nel mantello. Il loro decadimento porta al riscaldamento sia degli strati esterni che di quelli interni della Terra.
Parte dell'enorme calore contenuto nella Terra viene costantemente rilasciato sulla sua superficie, spesso attraverso processi vulcanici su larga scala. È noto il flusso di calore che scorre dalle profondità della Terra attraverso la sua superficie. È (47±2)·10 12 Watt, che equivale al calore che possono essere generati da 50mila centrali nucleari (la potenza media di una centrale nucleare è di circa 10 9 Watt). Sorge la domanda: l’energia radioattiva gioca un ruolo significativo nel bilancio termico totale della Terra e, in caso affermativo, quale ruolo gioca? La risposta a queste domande è rimasta sconosciuta per molto tempo. Ora ci sono opportunità per rispondere a queste domande. Il ruolo chiave qui spetta ai neutrini (antineutrini), che nascono nei processi di decadimento radioattivo dei nuclei che compongono la materia terrestre e che sono chiamati geoneutrino.

Geoneutrino

Geoneutrinoè il nome combinato dei neutrini o antineutrini, emessi a seguito del decadimento beta dei nuclei situati sotto la superficie terrestre. Ovviamente, grazie alla loro capacità di penetrazione senza precedenti, registrarli (e solo loro) con rilevatori di neutrini a terra può fornire informazioni oggettive sui processi di decadimento radioattivo che avvengono nelle profondità della Terra. Un esempio di tale decadimento è il decadimento β − del nucleo 228 Ra, che è un prodotto del decadimento α del nucleo 232 Th a lunga vita (vedi tabella):

Il tempo di dimezzamento (T 1/2) del nucleo di 228 Ra è di 5,75 anni, l'energia rilasciata è di circa 46 keV. Lo spettro energetico degli antineutrini è continuo con un limite superiore vicino all'energia rilasciata.
I decadimenti dei nuclei 232 Th, 235 U, 238 U sono catene di decadimenti successivi, formanti i cosiddetti serie radioattiva. In tali catene, i decadimenti α sono intervallati da decadimenti β, poiché durante i decadimenti α i nuclei finali vengono spostati dalla linea di stabilità β alla regione dei nuclei sovraccarichi di neutroni. Dopo una catena di decadimenti successivi, al termine di ciascuna serie, si formano nuclei stabili con un numero di protoni e neutroni vicino o uguale ai numeri magici (Z = 82,N= 126). Tali nuclei finali sono isotopi stabili del piombo o del bismuto. Pertanto, il decadimento di T 1/2 termina con la formazione di un doppio nucleo magico 208 Pb, e sul percorso 232 Th → 208 Pb si verificano sei decadimenti α, intervallati da quattro decadimenti β − (nel 238 U → 206 Pb catena ci sono otto decadimenti α- e sei β − -; nella catena 235 U → 207 Pb ci sono sette decadimenti α- e quattro β −). Pertanto, lo spettro energetico degli antineutrini di ciascuna serie radioattiva è una sovrapposizione di spettri parziali dei singoli decadimenti β − inclusi in questa serie. Gli spettri degli antineutrini prodotti nei decadimenti di 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K sono mostrati in Fig. 1. Il decadimento di 40 K è un singolo decadimento β − (vedi tabella). Gli antineutrini raggiungono la loro massima energia (fino a 3,26 MeV) nel decadimento
214 Bi → 214 Po, che è un collegamento della serie radioattiva 238 U. L'energia totale rilasciata durante il passaggio di tutti i collegamenti di decadimento della serie 232 Th → 208 Pb è pari a 42,65 MeV. Per le serie radioattive 235 U e 238 U, queste energie sono rispettivamente 46,39 e 51,69 MeV. Energia rilasciata nel decadimento
40 K → 40 Ca, è 1,31 MeV.

Caratteristiche dei nuclei 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Nucleo	Condividere % nella miscela isotopi	Numero di core si riferisce Nuclei di Si	T1/2 miliardi di anni
232 giugno	100	0.0335	14.0
235U	0.7204	6.48·10 -5	0.704
238U	99.2742	0.00893	4.47
40K	0.0117	0.440	1.25

Una stima del flusso di geoneutrini, effettuata sulla base del decadimento dei nuclei 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K contenuti nella materia terrestre, porta ad un valore dell'ordine di 10 6 cm -2 sec -1 . Registrando questi geoneutrini è possibile ottenere informazioni sul ruolo del calore radioattivo nell'equilibrio termico complessivo della Terra e testare le nostre idee sul contenuto di radioisotopi a vita lunga nella composizione della materia terrestre.

Riso. 1. Spettri energetici degli antineutrini da decadimento nucleare

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, normalizzato a un decadimento del nucleo genitore

La reazione viene utilizzata per rilevare gli antineutrini elettronici

P → e + + n, (1)

in cui questa particella è stata effettivamente scoperta. La soglia per questa reazione è 1,8 MeV. Pertanto nella reazione di cui sopra possono essere registrati solo i geoneutrini prodotti in catene di decadimento a partire dai nuclei 232 Th e 238 U. La sezione d'urto effettiva per la reazione in discussione è estremamente piccola: σ ≈ 10 -43 cm2. Ne consegue che un rilevatore di neutrini con un volume sensibile di 1 m 3 registrerà non più di pochi eventi all'anno. Ovviamente, per rilevare in modo affidabile i flussi di geoneutrini, sono necessari rilevatori di neutrini di grandi dimensioni, posizionati in laboratori sotterranei per la massima protezione dallo sfondo. L’idea di utilizzare rilevatori progettati per studiare i neutrini solari e dei reattori per registrare i geoneutrini è nata nel 1998. Attualmente esistono due rivelatori di neutrini di grande volume che utilizzano uno scintillatore liquido e sono adatti a risolvere questo problema. Si tratta di rilevatori di neutrini provenienti dagli esperimenti KamLAND (Giappone) e Borexino (Italia). Di seguito consideriamo il progetto del rivelatore Borexino ed i risultati ottenuti su questo rivelatore per la registrazione dei geoneutrini.

Rivelatore Borexino e registrazione dei geoneutrini

Il rilevatore di neutrini Borexino si trova nell'Italia centrale in un laboratorio sotterraneo sotto la catena montuosa del Gran Sasso, le cui cime montuose raggiungono i 2,9 km di altezza (Fig. 2).

Riso. 2. Layout del laboratorio di neutrini sotto la catena montuosa del Gran Sasso (Italia centrale)

Borexino è un rilevatore massiccio non segmentato il cui mezzo attivo è
280 tonnellate di scintillatore liquido organico. Con esso viene riempito un recipiente sferico di nylon con un diametro di 8,5 m (Fig. 3). Lo scintillatore è pseudocumene (C 9 H 12) con l'additivo di spostamento dello spettro PPO (1,5 g/l). La luce proveniente dallo scintillatore viene raccolta da 2212 tubi fotomoltiplicatori (PMT) da otto pollici posizionati su una sfera di acciaio inossidabile (SSS).

Riso. 3. Schema del rilevatore Borexino

Un recipiente di nylon con pseudocumene è un rivelatore interno il cui compito è quello di registrare i neutrini (antineutrini). Il rilevatore interno è circondato da due zone cuscinetto concentriche che lo proteggono dai raggi gamma e dai neutroni esterni. La zona interna è riempita con un mezzo non scintillante costituito da 900 tonnellate di pseudocumene con additivi dimetilftalato che estinguono la scintillazione. La zona esterna si trova sopra il SNS ed è un rilevatore d'acqua Cherenkov contenente 2000 tonnellate di acqua ultrapura e interrompe i segnali dei muoni che entrano nell'installazione dall'esterno. Per ogni interazione che avviene nel rilevatore interno, vengono determinati l'energia e il tempo. La calibrazione del rilevatore utilizzando varie sorgenti radioattive ha permesso di determinare in modo molto accurato la sua scala di energia e il grado di riproducibilità del segnale luminoso.
Borexino è un rilevatore di elevata purezza di radiazione. Tutti i materiali sono stati sottoposti a una rigorosa selezione e lo scintillatore è stato purificato per ridurre al minimo il fondo interno. Grazie alla sua elevata purezza della radiazione, Borexino è un eccellente rilevatore per la rilevazione degli antineutrini.
Nella reazione (1), un positrone emette un segnale istantaneo, seguito dopo un certo tempo dalla cattura di un neutrone da parte di un nucleo di idrogeno, che porta alla comparsa di un quanto γ con un'energia di 2,22 MeV, creando un segnale ritardato rispetto al primo. A Boreksino, il tempo di cattura dei neutroni è di circa 260 μs. I segnali istantanei e ritardati sono correlati nello spazio e nel tempo, consentendo il riconoscimento preciso dell'evento causato da e.
La soglia per la reazione (1) è 1.806 MeV e, come si può vedere dalla Fig. 1, tutti i geoneutrini prodotti nei decadimenti di 40 K e 235 U sono al di sotto di questa soglia, e solo una parte dei geoneutrini prodotti nei decadimenti di 232 Th e 238 U può essere registrata.
Il rilevatore Borexino ha rilevato per la prima volta segnali di geoneutrini nel 2010 e recentemente sono stati pubblicati nuovi risultati basati su osservazioni effettuate su 2056 giorni tra dicembre 2007 e marzo 2015. Di seguito presentiamo i dati ottenuti e i risultati della loro discussione, basata sull'articolo.
Come risultato dell'analisi dei dati sperimentali, sono stati identificati 77 candidati per gli antineutrini elettronici che hanno superato tutti i criteri di selezione. Lo sfondo degli eventi che simulano e è stato stimato come . Pertanto, il rapporto segnale-fondo era ≈100.
La principale fonte di fondo erano gli antineutrini del reattore. Per Borexino la situazione era abbastanza favorevole, dato che non ci sono reattori nucleari vicino al laboratorio del Gran Sasso. Inoltre, gli antineutrini del reattore sono più energetici rispetto ai geoneutrini, il che ha permesso di separare questi antineutrini dal positrone in base all'ampiezza del segnale. I risultati dell'analisi dei contributi dei geoneutrini e degli antineutrini del reattore al numero totale di eventi registrati da e sono mostrati in Fig. 4. Il numero di geoneutrini registrati ricavato da questa analisi (nella Fig. 4 corrispondono alla zona oscurata) è pari a . Nello spettro dei geoneutrini estratto come risultato dell'analisi sono visibili due gruppi: meno energetico, più intenso e più energetico, meno intenso. Gli autori dello studio descritto associano questi gruppi rispettivamente ai decadimenti del torio e dell'uranio.
L'analisi discussa ha utilizzato il rapporto tra le masse di torio e uranio nella materia terrestre
m(Th)/m(U) = 3,9 (nella tabella questo valore è ≈3,8). Questa cifra riflette il contenuto relativo di questi elementi chimici nelle condriti, il gruppo più comune di meteoriti (più del 90% dei meteoriti caduti sulla Terra appartengono a questo gruppo). Si ritiene che la composizione delle condriti, ad eccezione dei gas leggeri (idrogeno ed elio), ripeta la composizione del sistema solare e del disco protoplanetario da cui si è formata la Terra.

Riso. 4. Spettro della luce emessa dai positroni in unità del numero di fotoelettroni per eventi candidati antineutrini (punti sperimentali). L'area ombreggiata rappresenta il contributo dei geoneutrini. La linea continua rappresenta il contributo degli antineutrini del reattore.

Calore della Terra. Probabili fonti di calore interno

Geotermia- una scienza che studia il campo termico della Terra. La temperatura media della superficie terrestre ha una tendenza generale a diminuire. Tre miliardi di anni fa la temperatura media sulla superficie terrestre era di 71°, ora è di 17°. Fonti di calore (termico ) I campi della Terra sono processi interni ed esterni. Il calore della Terra è causato dalla radiazione solare e ha origine nelle viscere del pianeta. L’entità dell’afflusso di calore da entrambe le fonti è quantitativamente estremamente disuguale e i loro ruoli nella vita del pianeta sono diversi. Il riscaldamento solare della Terra rappresenta il 99,5% della quantità totale di calore ricevuto dalla sua superficie, mentre il riscaldamento interno rappresenta lo 0,5%. Inoltre, l'afflusso di calore interno è distribuito in modo molto disomogeneo sulla Terra e si concentra principalmente nei luoghi in cui si verifica il vulcanismo.

La fonte esterna è la radiazione solare . La metà dell'energia solare viene assorbita dalla superficie, dalla vegetazione e dallo strato sotterraneo della crosta terrestre. L'altra metà si riflette nello spazio mondiale. La radiazione solare mantiene la temperatura della superficie terrestre in media intorno a 0 0 C. Il sole riscalda lo strato vicino alla superficie della Terra fino a una profondità media di 8 - 30 m, con una profondità media di 25 m, l'influenza del calore solare cessa e la temperatura diventa costante (strato neutro). Questa profondità è minima nelle aree con clima marino e massima nella regione subpolare. Al di sotto di questo confine si trova una zona a temperatura costante corrispondente alla temperatura media annuale della zona. Ad esempio, a Mosca, sul territorio agricolo. Accademia intitolata a A Timiryazev, a una profondità di 20 m, la temperatura è rimasta invariabilmente pari a 4,2 o C dal 1882. A Parigi, a una profondità di 28 m, il termometro ha costantemente indicato 11,83 o C per più di 100 anni. la temperatura costante è la più profonda dove è perenne (permafrost. Al di sotto della zona di temperatura costante si trova la zona geotermica, caratterizzata dal calore generato dalla Terra stessa.

Le fonti interne sono le viscere della Terra. La Terra irradia più calore nello spazio di quanto ne riceve dal Sole. Le fonti interne includono il calore residuo dal momento in cui il pianeta fu fuso, il calore delle reazioni termonucleari che si verificano nelle viscere della Terra, il calore della compressione gravitazionale della Terra sotto l'influenza della gravità, il calore delle reazioni chimiche e dei processi di cristallizzazione , ecc. (ad esempio, l'attrito della marea). Il calore dall'interno proviene principalmente dalle zone in movimento. L'aumento della temperatura con la profondità è associato all'esistenza di fonti di calore interne - il decadimento degli isotopi radioattivi - U, Th, K, differenziazione gravitazionale della materia, attrito mareale, reazioni chimiche redox esotermiche, metamorfismo e transizioni di fase. La velocità di aumento della temperatura con la profondità è determinata da una serie di fattori: conduttività termica, permeabilità delle rocce, vicinanza di fonti vulcaniche, ecc.

Al di sotto della fascia di temperature costanti si registra un aumento della temperatura, in media 1 o ogni 33 m ( fase geotermica) o 3 o ogni 100 m ( gradiente geotermico). Questi valori sono indicatori del campo termico della Terra. È chiaro che questi valori sono medi e variano di grandezza nelle diverse regioni o zone della Terra. Lo stadio geotermico è diverso in diversi punti della Terra. Ad esempio, a Mosca - 38,4 m, a Leningrado 19,6, ad Arkhangelsk - 10. Quindi, durante la perforazione di un pozzo profondo nella penisola di Kola a una profondità di 12 km, si presumeva che la temperatura fosse di 150 o, in realtà si è rivelata essere di circa 220 gradi. Durante la perforazione di pozzi nella regione settentrionale del Caspio a una profondità di 3000 m, si presumeva che la temperatura fosse di 150 o gradi, ma si è rivelata essere di 108 o.

Si precisa che le caratteristiche climatiche del territorio e la temperatura media annua non influiscono sulla variazione del valore dello stadio geotermico; le ragioni sono le seguenti:

1) nella diversa conducibilità termica delle rocce che compongono una determinata zona. La misura della conduttività termica è la quantità di calore in calorie trasferite in 1 secondo. Attraverso una sezione trasversale di 1 cm 2 con un gradiente di temperatura di 1 o C;

2) nella radioattività delle rocce, maggiore è la conduttività termica e la radioattività, minore è lo stadio geotermico;

3) in diverse condizioni di presenza delle rocce e età di disturbo della loro presenza; le osservazioni hanno dimostrato che la temperatura aumenta più velocemente negli strati raccolti in pieghe; spesso contengono irregolarità (fessure), attraverso le quali è facilitato l'accesso del calore dalle profondità;

4) la natura delle acque sotterranee: i flussi di acque sotterranee calde riscaldano le rocce, i flussi freddi le raffreddano;

5) distanza dall'oceano: in prossimità dell'oceano a causa del raffreddamento delle rocce da parte della massa d'acqua, il gradino geotermico è maggiore, mentre al contatto è minore.

La conoscenza del valore specifico del gradino geotermico è di grande importanza pratica.

1. Questo è importante quando si progettano le miniere. In alcuni casi, sarà necessario adottare misure per abbassare artificialmente la temperatura negli scavi profondi (temperatura - 50 o C è il limite per l'uomo in aria secca e 40 o C in aria umida); in altri sarà possibile effettuare lavori a grandi profondità.

2. La valutazione delle condizioni di temperatura durante lo scavo di gallerie in zone montuose è di grande importanza.

3. Lo studio delle condizioni geotermiche dell'interno della Terra rende possibile l'utilizzo del vapore e delle sorgenti termali che emergono sulla superficie terrestre. Il calore sotterraneo viene utilizzato, ad esempio, in Italia, Islanda; In Russia, in Kamchatka, è stata costruita una centrale elettrica industriale sperimentale sfruttando il calore naturale.

Utilizzando i dati sull'entità del passo geotermico, possiamo fare alcune ipotesi sulle condizioni di temperatura delle zone profonde della Terra. Se prendiamo il valore medio del gradino geotermico pari a 33 m e assumiamo che la temperatura aumenti uniformemente con la profondità, allora a una profondità di 100 km ci sarà una temperatura di 3000 o C. Questa temperatura supera il punto di fusione di tutte le sostanze conosciute sulla Terra, quindi a questa profondità dovrebbero esserci delle masse fuse. Ma a causa dell'enorme pressione di 31.000 atm. Le masse surriscaldate non hanno le caratteristiche dei liquidi, ma sono dotate delle caratteristiche di un solido.

Con la profondità, lo stadio geotermico dovrebbe apparentemente aumentare in modo significativo. Se assumiamo che il livello non cambi con la profondità, la temperatura al centro della Terra dovrebbe essere di circa 200.000 o gradi e, secondo i calcoli, non può superare i 5.000 - 10.000 o.