Sıcaklık Gradyanı
Derin kuyularda ölçülen dış yerkabuğu içindeki sıcaklık gradyanı ortalama 30 K/km’dir. Jeolojik eski kıtasal kabuk kalkanlarında (örneğin Kanada, Hindistan, Güney Afrika) daha düşük sıcaklık gradyanları gözlemlenebilir.
Buna karşılık, tektonik olarak aktif, genç kabuk alanlarında, örn. litosfer plakalarının sınırlarında veya rift bölgelerinde vb.
Dünyanın mantosundaki sıcaklık gradyanı, jeofiziksel özelliklerinden tahmin edilebilir. Erime sıcaklıklarının basınca bağlılığı dikkate alındığında bile sıcaklık, mantonun silisli kayalarının erime noktasının altında olmalıdır. Bu nedenle, dünyanın mantosundaki maksimum sıcaklık gradyanının 1 K/km mertebesinde olduğu tahmin edilmektedir.
Kaynakların Isı İçeriği ve Dağılımı
Dünyanın mantosundaki sıcaklık profili, dünyanın çekirdeğindeki demir ve nikelin erime sıcaklığı ile sınırlıdır. Bu tahmine göre, üst mantoda yaklaşık 1.000 °C’lik sıcaklıklar hakimdir. Dünyanın iç kısmı için maksimum sıcaklıkların 3.000 ila 5.000 °C olduğu varsayılabilir.
Ortalama özgül ısının 1 kJ/(kg K) ve dünyanın ortalama yoğunluğunun yaklaşık 5,5 kg/dm3 olduğu varsayıldığında, dünyanın ısı içeriğinin yaklaşık 12 ila 24 1030 J olduğu tahmin edilebilir. 10.000 m derinliğe kadar dış yer kabuğu yaklaşık 1026 J’dir.
Yeryüzünde depolanan ısı, ilk olarak yaklaşık 4,5 milyar yıl önce dünyanın oluşumu sırasında gaz, toz ve kayaların büzülmesiyle yerçekimi enerjisinden kaynaklanmaktadır. İkincisi, muhtemelen hala var olan bir ilkel ısı vardır. Üçüncüsü, gezegenimizin içinde var olan ısı üretildi.
Mevcut algılara göre, uranyumun ısı üreten U238 ve U235 izotopları, toryumun Th232 ve potasyumun K40 izotopları, esas olarak granit ve bazaltik kayadan oluşan kıta kabuğunda zenginleştirilmiştir.
Granit kayada radyojenik ısı üretim hızı yaklaşık 2,5 μW/m3 ve bazaltik kayada yaklaşık 0,5 μW/m3’tür. Ayrıca yerkürede kimyasal işlemlerle ısı da az da olsa dışarı atılır.
Karasal ısı akış yoğunluğu. Karasal ısı, toprak içinde katı kaya (tüm ısı akışının iletken oranı (q. iletken) olarak adlandırılır) yoluyla ve sıvıların içinde ve sıvılarla birlikte taşınarak (tüm ısı akışının konvektif oranı olarak adlandırılır) iletilir. q. konvektif)).
Bu ısı akışı veya ısı akışı yoğunluğu, tanımlanmış bir zaman birimi içinde bir birim alandan akan ısı miktarı olarak tanımlanır. Karasal ısı akış yoğunluğu q. t, yani katman kalınlığı ∆z’nin derinlik aralığında alan başına ısı akışı, bu iki bileşenden ve derinlik aralığı boyunca özetlenen ısı üretimi H’den oluşur.
Fourier’nin ısı iletkenlik denklemine göre, ısı akış yoğunluğunun iletken oranı q. normalde kıtasal kabukta baskın olan iletken, üst kabuktaki kayaların sıcaklık gradyanı ∆θ/∆z ile termal iletkenlik λ’nın çarpımından kaynaklanır.
Üst kabuktaki kayaçların ısı iletkenliği 0,5 ile 7 W/(m K) arasında değişmektedir. Nispeten geniş olan bu değer aralığı, esas olarak kayaçların kimyasal-mineralojik yapısının ve dokusal farklılıklarının değişmesinden kaynaklanmaktadır. Bu, kıta yer kabuğu için dünya yüzeyinde ortalama 65 mW/m2’lik bir ısı akış yoğunluğu ile sonuçlanır.
Radyoaktif izotopların olmaması nedeniyle radyojenik ısı üretiminin Dünya’nın mantosunda küçük bir rolü vardır. Denklem ile, radyoaktif bozunmadan kaynaklanan ısı akış yoğunluğunun yaklaşık olarak 35 mW/m2 olduğu tahmin edilebilir. 30 km, kabuk ile manto arasındaki sınırın bulunduğu yer. Bu, 1 μW/m3’lük ortalama bir ısı üretim oranını temsil eder ve bu nedenle yer kabuğu için oldukça yaygın bir değerdir.
Bu nedenle, dünya yüzeyinde sağlanan jeotermal ısının ana kısmı, radyoaktif elementlerin ayrışması sırasında yer kabuğunda üretilir.
Okyanusal yer kabuğu temel olarak düşük seviyede ısı üretimine sahip bazaltik kayalardan oluşur. Yine de ortalama ısı akış yoğunluğu 65 mW/m2 civarındadır. Litosferin kenarlarındaki yer kabuğundan sıcak kaya kütlelerinin konvektif dalgalanmasından gelen ısı, buradaki ısı akışı için önemli bir rol oynar, çünkü bu süreç nedeniyle ortalamanın üzerinde sıcaklıklara ulaşılabilir.
Adyabatik sıcaklık değişimi
Bir skaler Alanın gradyanı
Gradient vektörü nasıl bulunur
Gradyan hesaplama
Gradyan vektörü nedir
Gradyan nedir
Sürekli ve türevlenebilir bir fonksiyonun gradyanı
Powerpoint gradyan nedir
Dünyanın Yüzeyindeki Isı Dengesi
65 mW/m2’lik ısı akışı yoğunluğu, dünyanın yaklaşık 33 1012 W’lık bir radyasyon gücüyle sonuçlanır; böylece dünya atmosfere yılda 1.000 EJ enerji sağlar. Buna karşılık, dünya yüzeyine gelen güneş radyasyonu, karasal ısı akışı tarafından salınan enerjiden yaklaşık 20.000 kat daha fazladır. Serbest bırakılan ve emilen ısı radyasyonu, dünya yüzeyinde yaklaşık 14 °C’lik gözlenen sıcaklık dengesini tanımlar.
Buradan da sonuç çıkarılabilir. Dünyanın yüzeyine çok yakın (yani birkaç metre derinliğe kadar) sıcaklığa güneşten yayılan ısı enerjisinin hakim olduğu varsayılmalıdır.
Diğer şeylerin yanı sıra, bu aynı zamanda toprağın bazı yerlerde birkaç metre derinliğe kadar donduğunu ve diğer tarafta yazın bazen çok yüksek sıcaklıklara (bazen 50 °C ve daha fazla) kadar ısındığını da ortaya koymaktadır.
Bu, özellikle güneş radyasyonu kaynağının mevsimsel farklılıklarından ve dünya yüzeyine yakın atmosferik katmanlarda ortaya çıkan sıcaklık seviyesinden kaynaklanır. Güneş radyasyonu, dünya içindeki sıcaklık seyrini 10 ila 20 m derinliğe kadar etkiler (yıllık seyir).
Yerkabuğunun en üst tabakasında, jeotermal ısı ve gelen güneş enerjisinden kaynaklanan tüm jeotermal akışın oranı, bir dizi çok farklı etkiden etkilenir. Etkileyen ana parametrelerden biri yağmurdur. Ortaya çıkan yüzey ve yeraltı suyu güneş enerjisi tarafından “ısıtılır” ve gelen güneş enerjisini dünyanın sığ katmanlarına taşır.
Isıtılmış yüzey suları bu nedenle, istisnai durumlarda daha da derin seviyelerde, yaklaşık 20 m derinliğe kadar, zeminin yüzeye yakın katmanlarındaki sıcaklıkları yerel olarak etkileyebilir.
Jeotermal Sistemler ve Kaynaklar
Yaklaşık 65 mW/m2 olan doğal yüzey ısı akış yoğunluğu, ekonomik nedenlerle doğrudan dünya yüzeyinde kullanılamaz.
Öte yandan, bazen sadece birkaç yüz metre derinlikteki sıcak sular, birkaç bin metreye kadar yükselen sıcaklıklar, dünya yüzeyindeki sıcak kuyular ve iyi bilinen volkanik alanlar, bu türlerin varlığını göstermektedir. ısı ve dolayısıyla jeotermal enerji potansiyelidir.
Genellikle birkaç farklı türde jeotermal ısı rezervuarı ayırt edilebilir.
– Dünyanın sığ katmanlarında ısı. Bu ısı depoları yüzeyden yer yüzeyinin birkaç yüz metre altına kadar uzanır ve yaklaşık 20 °C’ye kadar sıcaklık gösterir. Bu jeotermal ısı, esas olarak yaklaşık 10 ila 20 m derinliğe kadar güneş radyasyonundan, toprağın ısı iletkenliğinden ve güneş enerjisi ile ısıtılan sirküle eden yeraltı suyundan etkilenir. Bu tür enerji, güneş enerjisinden güçlü bir şekilde etkilenmesine rağmen, tanım gereği jeotermal enerji olarak adlandırılır.
− Hidrotermal düşük basınçlı rezervuarlar. Bu rezervuarlar ayrıca ılık (yani 100 °C’ye kadar olan sıcaklıklar) ve sıcak su (yani 100 °C’nin üzerindeki sıcaklıklar) rezervuarları, ıslak buhar rezervuarları ve 150 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarla karakterize edilen sıcak veya kuru buhar rezervuarları olarak alt bölümlere ayrılır.
Bu rezervuarlar, sudaki ısıya veya buhar taşıyan kayalara dayanmaktadır. Örneğin Orta Avrupa’da bu tür birikintiler, 60 ila 120 °C arasında değişen sıcaklıklarda yaklaşık 3.000 m’ye kadar olan derinliklerde bulunabilir. Şu anda, bu hidrotermal enerji rezervuarlarından bazıları zaten kullanımdadır.
3.000 m’ye kadar derinlik bölümlerinin çok yüksek sıcaklıkları (150 ila 250 °C), yalnızca belirli tektonik durumların olduğu alanlarda, örneğin magma kayalarının yerin derinliklerinden yükseldiği yer kabuğunun kırılma bölgelerinde meydana gelir.