Тепло в недрах Земли имеет два главных источника: часть энергии сохранилась со времени формирования планеты, а часть постоянно выделяется при радиоактивном распаде некоторых изотопов в породах. Дополнительную энергию даёт постепенное затвердевание внутреннего ядра. Земля медленно остывает, и поток этого тепла через мантию участвует в движении плит, вулканизме и образовании гор.
Остаток бурного рождения планеты
Около 4,5 миллиарда лет назад Земля собиралась из множества частиц, каменных тел и планетезималей. При столкновениях их кинетическая энергия превращалась в тепло. Чем крупнее становилась молодая планета, тем сильнее её притяжение разгоняло падающее вещество. Крупные удары могли расплавлять значительные области поверхности и недр.
Одновременно росло давление. Глубинное вещество сжималось, а работа сжатия также нагревала планету. Затем началась дифференциация: плотное железо опускалось к центру, а более лёгкие силикатные породы поднимались выше. Падение тяжёлого вещества в гравитационном поле высвобождало дополнительную энергию. Так сформировались оболочки, описанные в материале о том, что происходит внутри Земли.
С тех пор планета непрерывно теряет энергию, но остывание огромного тела идёт очень медленно. Каменные оболочки плохо проводят тепло, поэтому заметная часть древней энергии до сих пор остаётся внутри. Это похоже не на раскалённый уголь, который быстро остывает на воздухе, а на гигантский термос размером с планету.
Радиоактивный распад как долговременный источник
В породах Земли присутствуют природные радиоактивные изотопы, прежде всего уран-238, уран-235, торий-232 и калий-40. Их нестабильные ядра самопроизвольно превращаются в другие ядра и выделяют энергию. Отдельный распад микроскопичен, но атомов очень много, а периоды полураспада некоторых изотопов измеряются миллиардами лет.
Радиогенное тепло образуется главным образом в мантии и коре. Распределено оно неравномерно: континентальная кора обычно богаче ураном, торием и калием, чем океаническая. Учёные оценивают вклад изотопов по химическому составу пород, тепловому потоку и числу антинейтрино, возникающих в цепочках распада. Точная доля каждого источника уточняется, но общая картина надёжна: и древнее тепло, и радиоактивный распад существенны.
Что добавляет земное ядро
Жидкое внешнее ядро постепенно охлаждается. На его внутренней границе кристаллизуется железо, из-за чего твёрдое внутреннее ядро медленно растёт. При затвердевании выделяется скрытая теплота, а более лёгкие компоненты вытесняются в жидкость. Различия температуры и состава поддерживают движение расплавленного металла.
Это важно не только для теплового баланса. Движущийся электропроводящий металл создаёт земное магнитное поле. Однако ядро не является ядерным реактором и не горит как звезда. Там нет термоядерных реакций, поддерживающих Солнце. Высокая температура ядра объясняется историей формирования, давлением, охлаждением и кристаллизацией, а не солнечным нагревом сверху.
Как тепло поднимается к поверхности
Есть три основных способа переноса энергии. Теплопроводность передаёт её между соседними частицами вещества. Конвекция переносит тепло вместе с медленно движущимся материалом. Излучение важно на поверхности и в некоторых микроскопических процессах, но не является главным способом переноса через непрозрачную мантию.
В литосфере преобладает теплопроводность. В мантии, которая твёрдая на коротких промежутках времени, но пластична в масштабе миллионов лет, действует медленная конвекция. Горячий материал расширяется и становится немного менее плотным, холодные погружающиеся плиты, наоборот, тянут вещество вниз. Реальная картина сложнее круговорота в кастрюле: на неё влияют фазовые переходы минералов, вязкость, химические неоднородности и сами плиты.
Именно уходящее внутреннее тепло поддерживает систему, в которой литосферные плиты движутся. При этом плиты перемещает не один восходящий поток. Большую роль играет тяжесть холодной океанической плиты, погружающейся в зоне субдукции, а также соскальзывание литосферы с приподнятых срединно-океанических хребтов.
Почему не везде одинаково горячо
Количество тепла, выходящего на единицу площади, различается. Высокий тепловой поток характерен для срединно-океанических хребтов, молодых вулканических областей и некоторых горячих точек. Низкий встречается в старых устойчивых частях континентов. Это не значит, что под каждым вулканом есть отдельная печь. Локальные аномалии возникают из-за строения коры, движения магмы и потоков мантии.
У поверхности внутренний поток намного слабее солнечной энергии, падающей на землю днём. Поэтому обычная погода и климат почти целиком зависят от Солнца. Но в геологическом масштабе слабый непрерывный поток действует миллиарды лет и способен перестраивать всю планету.
Температура с глубиной тоже растёт не с одной и той же скоростью. В верхней коре локальный геотермический градиент можно измерить в скважинах, однако его нельзя механически продолжать до центра Земли. В мантии тепло переносит движущееся вещество, свойства минералов меняются с давлением, а в ядре действуют другие условия. Простое умножение поверхностного градиента дало бы неверную температуру недр.
Учёные проверяют тепловые модели по нескольким независимым признакам. Они измеряют поток на суше и морском дне, исследуют состав вулканических пород, воспроизводят высокие давления в лаборатории и наблюдают сейсмические волны. Неопределённости остаются, особенно в распределении теплопроизводящих элементов, но они не меняют вывод о двух главных источниках энергии.
Как люди используют тепло недр
В районах, где горячие породы, вода или пар находятся сравнительно близко к поверхности, внутреннюю энергию используют для отопления и выработки электричества. Геотермальная энергия является локальным ресурсом: её доступность зависит от геологии, глубины, температуры и возможности безопасно вернуть воду в пласт.
Гейзеры, горячие источники и вулканы делают тепло заметным, но большая его часть выходит незримо. Земля отдаёт энергию через каждый квадратный метр поверхности, просто обычно очень медленно.
Второй шаг маршрута «От земного ядра до будущих материков» связывает внутреннее строение с движением поверхности. Планета остаётся геологически активной не потому, что постоянно получает жар из космоса, а потому, что ещё не успела остыть и одновременно вырабатывает тепло в собственных породах.
