научная статья по теме РЕАКЦИИ СИНТЕЗА – ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ЗЕМЛИ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «РЕАКЦИИ СИНТЕЗА – ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ЗЕМЛИ»

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 85, № 3, с. 240-246

ДИСКУССИОННАЯ ТРИБУНА

Б01: 10.7868/80869587315030172

Экспериментальные и теоретические данные свидетельствуют, что основной источник энергии Земли, являющийся первопричиной эндогенных геодинамических и тектонических процессов, — это реакции синтеза, происходящие во внутреннем ядре планеты, которое состоит из гидридов металлов. Авторы статьи выдвигают гипотезу, которая предполагает наличие водородных потоков — глубинных флюидов (плюмов), распространяющихся от земного ядра и переносящих к поверхности тепловую энергию термоядерных реакций. Эти водородные потоки вследствие вращения Земли и наличия кориолисова ускорения закручиваются в спирали во внешнем жидком электропроводящем ядре Земли, что индуцирует дипольное магнитное поле.

РЕАКЦИИ СИНТЕЗА - ОСНОВНОЙ ИСТОЧНИК ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ЗЕМЛИ

Э.И. Терез, И.Э. Терез

В течение многих тысячелетий люди с суеверным страхом наблюдали извержения вулканов, землетрясения и другие грозные явления, исходившие из недр Земли. Естественно, причину этих явлений искали в религии и мифах. Только в конце XVIII в. П.-С. Лаплас предложил научное объяснение внутренней энергии Земли на основе своей гипотезы о том, что Земля была некогда жидким сфероидом и находилась в расплавленном состоянии. Потом при охлаждении она покрылась твёрдой корой, но и сейчас постепенно охлаждается, выделяя тепло. Известные физики и метеорологи XVIII в. Ж. д'Орту де-Мэран, Г. де Бюффон, Ж.С. Бальи считали внутреннее тепло Земли основным фактором, влияющим на

гч

ТЕРЕЗ Эдуард Иванович — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник НИИ "Крымская астрофизическая обсерватория". ТЕРЕЗ Иван Эдуардович — доктор философии, управляющий партнёр Vigorosis LLC (Хьюстон, США). terez@crimea.edu; i.terez@vigorosis.com

климатические и метеорологические явления. Эти представления господствовали в науке до начала XIX в. И только физик и математик Ш. Фурье доказал, что исходящее из глубин тепло незначительно по сравнению с энергией, получаемой от Солнца, и не может проявляться в метеорологических и климатических явлениях. Однако природа этого тепла оставалась загадкой, пока в начале XX в. не было открыто явление радиоактивного распада ряда элементов, и что важно — элементов, содержащихся в земной коре. Это открытие, наконец, дало возможность найти чёткое физическое объяснение источника внутренней энергии Земли.

Множество экспериментальных исследований, выполненных за прошедшие сто лет, позволило уточнить физико-химические параметры внутреннего объёма Земли. Целый ряд результатов новых изысканий плохо или совсем не согласуется с принятой теорией о радиоактивной природе внутренней энергии Земли. Именно поэтому необходимо вновь вернуться к этой проблеме.

ВНУТРЕННЕЕ ТЕПЛО ЗЕМЛИ: РАСЧЁТЫ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Для анализа наблюдаемых геофизических и геологических явлений принципиально важное значение имеют природа и величина энергии, исходящей из внутренних областей Земли. Согласно современным данным, градиент температуры равен (для глубины нескольких километров) йТ/йг = 0.025—0.03 град/м (то есть температура возрастает, по разным оценкам, примерно на 25— 30°С с каждым километром в глубь земной коры).

I

Очевидно, что величина теплового потока через всю земную поверхность будет равна:

Г = йТ/йг х4лЛ2, (1)

где х — теплопроводность земной коры (для её верхних слоёв значение коэффициента теплопроводности для базальта х = 2 Дж/м • с • град.); 4пЯ2 — площадь земной поверхности.

Вычисление даёт величину Ш« (2.8—3.1) х 1013 Вт, или 28—31 ТВт, что является теоретической, оценочной величиной теплового потока через земную поверхность. Естественно, чтобы знать точную величину, необходимо провести практические эксперименты. Такие исследования стали возможны сравнительно недавно, начиная с 1939 г., когда Э. Буллард впервые провёл измерения теплового потока в Южной Африке, а А. Бен-филд — в Англии. С 1956 г. подобные измерения стали проводиться и под океанами. В настоящее время существует более 20 тыс. пунктов измерений по всему земному шару, полученные сведения можно найти в глобальном каталоге данных Мирового центра данных по физике твёрдой Земли [1]. Однако, как выяснилось, экспериментальным путём сложно получить точную величину интегрального теплового потока. Дело в том, что локальный тепловой поток из внутренней части планеты оценивается с помощью бурения неглубоких скважин и измерения температурных коэффициентов и тепловой проводимости. Скважины на поверхности Земли расположены неоднородно. Простое усреднение всех экспериментальных данных — довольно грубый способ, дающий весьма приблизительные цифры. Чтобы повысить точность, необходимо провести не просто суммирование данных, а применить к ним различные поправки. Примерами таких поправок могут быть: замещение океанических измерений прогнозированием теоретических моделей охлаждения; прибавление произвольного или теоретического количества гидротермального теплового потока, хорошо измеренного только в районе хребтов; устранение нестационарного эффекта из тектонических и магматических событий; устранение данных из областей, на которые предположительно оказывалось воздействие горячих точек.

Неодинаковый механизм поправок приводит к тому, что данные по суммарному тепловому потоку Земли у разных коллективов авторов заметно разнятся. Так, согласно последней фундаментальной монографии о Земле Ф. Андерсона [2], абсолютный тепловой поток, проходящий через поверхность Земли, судя по усреднённым экспериментальным измерениям, достигает 30 ТВт. Однако некоторые учёные считают эту величину заниженной и, учитывая различные поправки, полагают, что более вероятная величина интегрального потока составляет Ш = 44.2 ± 1 ТВт [3]. В более позднем исследовании [4] получена ещё

большая величина интегрального потока F = = 46 ± 3 ТВт. Учитывая, что результаты этих весьма тщательно выполненных исследований совпадают в пределах погрешностей измерений, тепловой поток, выходящий из поверхности Земли, можно считать равным F = 45 ± 1 ТВт (1012 Дж/с, или 1.5 х 1021 Дж/год). Эта энергия более чем на три порядка меньше, чем энергия, получаемая Землёй от Солнца, поэтому допустимо предположить, что внутреннее тепло Земли не оказывает прямого воздействия на климат нашей планеты. Тем не менее величина теплового потока, выходящего через земную поверхность, огромна. Она на один-два порядка превышает суммарную энергию, высвобождающуюся за год при землетрясениях и вулканической деятельности.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛА ЗЕМЛИ

Что может быть долговременным источником такой громадной энергии? Ещё 10-20 лет назад предполагалось, что основным источником внутренней энергии Земли является распад долгожи-вущих радиоактивных изотопов, таких как 238U, 235U, 232Th и 40K, присутствующих в породах. Однако целый ряд фактов не укладывается в эту гипотезу. Приблизительный расчёт энергии, высвобождаемой в результате радиоактивного распада (если бы реакции распада происходили во всём объёме земного шара, включая ядро), даёт величину 2.3 х 1020 кал/год или 9.63 х 1020 « 1 х х 1021 Дж/год. Этой величины недостаточно для объяснения суммарной внутренней энергии Земли (~1.5 х 1021 Дж/год). Кроме того, расчётная энергия радиоактивного распада явно завышена, поскольку обнаружена тенденция к снижению концентрации радиоактивных элементов в породах литосферы от верхнего слоя земной коры к нижнему и верхней части мантии, и эффект радиоактивности в ядре, по-видимому, отсутствует. Отметим, что В.И. Вернадский писал об этом ещё в 1933 г.: "На основании того, что мы знаем о геологических процессах земной коры, приходится допустить, что темп теплового излучения радиоактивных атомов уменьшается с глубиной более быстро, чем это мы наблюдаем в верхней части земной коры. Это указывает, что количество радиоактивных атомов с глубиной уменьшается" [5, с. 281].

Есть много фактов в пользу приведённого вывода, и прежде всего так называемый парадокс теплового потока гелия (helium-heat flow paradox) [2, р. 343]. Дело в том, что при радиоактивном распаде U и Th генерируются 4He и антинейтрино, а также теплота. Наблюдаемый поток 4He из мантии в океан на порядок меньше, чем поток 4He в континентальную кору. Тепловые потоки

под континентами и под океанами примерно равны, что в своё время стало сенсацией для геофизиков. Этот феномен можно объяснить, если предположить, что тепловые потоки образуются в основном в глубинных слоях Земли, в то время как радиоактивность самой Земли определяется радиоактивностью земной коры, толщина которой под океанами (4-7 км) почти на порядок меньше, чем под континентами (30-50 км и более).

Установлено, что в геологической истории Земли неоднократно происходили кратковременные (годы, десятки, сотни лет) катастрофические тепловые выбросы из её недр в верхнюю мантию, земную кору, атмосферу и гидросферу, что не согласуется с гипотезой о радиогенной природе тепла Земли, так как радиоактивный распад -это медленный монотонный процесс.

Недавно при участии 15 университетов США, Западной Европы и Японии была проведена фундаментальная работа по экспериментальному измерению величины теплового потока из недр Земли в атмосферу [6], вызванного распадом радиоактивных изотопов, в частности, урана, тория и калия внутри планеты. Величина радиоактивного распада была определена по точным измерениям потока геонейтрино с помощью прибора Kamioka Liquid-Scintillator Antineutrino Detector (Япония) и по имеющимся данным детектора Borexino (Италия). Обнаружено, что радиоактивный распад 238U и 232Th даёт суммарный вклад 20 ТВт в тепловой поток Земли. Нейтрино, эмитированные вследствие распада 40K, были ниже предела чувствительности данного эксперимента, но известно, что они дают вклад не более 4 ТВт. Таким образом, суммарно энергия радиоактивного распада составляет около половины общего теплового потока Земли, который был принят равным 44.2 ТВт. Авторы работы объяснили полученный результат, исходя из предположения, что изначальный запас тепла Земли ещё не полност

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»