Эндогенное тепло Земли подогревает океан и влияет на климат

Наблюдения в шахтах и буровых скважинах, а также вулканическая деятельность свидетельствуют о высоких температурах в недрах Земли. В центре планеты температура превышает 5500° С, а в ядре Земли давление более 3600 кбар (http://memphis17.narod.ru/zemlya.htm). При такой температуре металлы и металлоиды (камень) находятся в расплавленном состоянии. Только сверхвысокое давление в земном ядре при такой высокой температуре делает ядро Земного шара твердым. Но стоит снизиться давлению, и ядро расплавится. Тепловая энергия Земли движет многие эндогенные геологические процессы и является причиной эволюции мантии и земной коры, вызывает дегазацию Земли, приведшую к возникновению мирового океана и атмосферы, вызывает горообразование, вулканизм, формирование месторождений полезных ископаемых. Знание распределения земного тепла в пространстве и во времени необходимо для понимания эволюции Земли. Для этого необходимо знать:

2) природу и распределение источников тепла;

3) структуру теплового поля на поверхности Земли в настоящее время;

4) изменение температуры с глубиной;

5) распределение теплофизических свойств (теплоемкость, теплопроводность и т.д.) с глубиной ;

6) механизм переноса тепла.

Большинство этих параметров неизвестны или известны частично (например, распределение температуры с глубиной). В общем, горячая Земля отдает тепло в океан и атмосферу, где оно добавляется к теплу, получаемому от Солнца, а в конечном счете рассеивает это тепло в холодном космическом пространстве. Плотность земного теплового потока q выражает потери тепловой энергии Земли через единицу ее поверхности в единицу времени. Величину q обычно сокращенно называют тепловым потоком. Он равен произведению геотермического градиента по нормали к земной поверхности (Grad Tn) на теплопроводность среды (k). Однородные тектонические структуры характеризуются одинаковой величиной теплового потока. Стабильным областям свойственно однородное распределение теплового потока. Минимальные значения q имеют древние докембрийские платформы. В областях геологически молодых фанерозойских платформ поток эндогенного тепла увеличивается. Еще в большей степени он увеличивается в районах фанерозойской складчатости, возрастая от более древних структур к более молодым. Таким образом, Земля обладает немалой тепловой энергией, которая поступает в космическое пространство через ее поверхность и рассеивается. Разумеется, поток этой энергии меньше, чем поток солнечной энергии, который достигает нашей планеты и нагревает ее поверхность, воду океана и атмосферу. Надо пояснить, что при всех равных условиях, чем холоднее поверхность Земли, тем интенсивнее поток эндогенного тепла.

Средний поток солнечного тепла, достигающий поверхности Земли на континентах, составляет 1/100 кал на кв. см в сек. Прямое измерение теплового потока в скважине «Рукхоуп» на севере Англии оценивается значением 0,00216±0,07 кал на кв. см в сек. К сожалению, надежных данных о величине этого параметра очень мало.

Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты - ее альбедо. Альбедо поверхности - это отношение величины потока энергии отраженных солнечных лучей к потоку энергии падающих на поверхность солнечных лучей, выраженное в процентах или долях единицы. Альбедо Земли в видимой части спектра - в среднем около 40%. Значительная часть энергии солнечного света, падающего на нашу планету, отражается облаками. В отсутствие облаков альбедо было бы около 15%. Но альбедо зависит не только от облаков, оно зависит от многих факторов, в том числе от снежного покрова и длительности его сохранения в течение года, цвета горных пород, цвета растительности, наличия ледников.

Пока что климатологами при расчете теплового баланса Земли учитывается только один источник тепла, получаемого планетой - энергия Солнца. Но есть еще один источник - эндогенная энергия самой планеты. К сожалению, ее роль в тепловом балансе Земли и в климатологии не учитывается.

Поток солнечного излучения, приходящийся на единицу поверхности Земли, закономерно уменьшается от экватора к полюсам.

Распределение значений внутреннего теплового потока по поверхности Земли неслучайно. Регионы с более высокими (положительными) аномалиями теплового потока называются «горячими точками». В настоящее время все еще ведутся споры относительно того, движутся ли эти горячие точки вместе с тектоническими плитами во время их дрейфа, или же они имеют более глубокое происхождение в мантии.

Таблица 8.2.

Средние значения теплового потока в микро калориях на кв. см в сек. в регионах с различными типами геологического строения коры (Стейси, 1972; с. 270)

Дело в том, что интенсивность потоков эндогенного тепла на континентах и в океанах примерно равная, и это противоречит теории тектоники плит. Это особенно удивительно, если вспомнить, что литосфера под континентами и океанами имеет разное строение: континентальные породы содержат вблизи поверхности намного больше радиоактивных веществ, чем океанические. Это различие должно было бы каким-то образом уравновешиваться на глубине.

Из сравнения регионов разного типа следует, что чем раньше закончились магматические процессы, связанные с орогезом, тем меньше величина современного теплового потока. Этот общий вывод, по-видимому, верен, но не нужно забывать, что существуют значительные изменения теплового потока местного характера. В частности, они наблюдаются над такими структурами, как Срединно- Атлантический хребет, где, вероятно, имеются локализованные источники тепла, находящиеся на глубинах до нескольких десятков километров. Ученые почему-то думают, что вклад этих потоков тепла в глобальное распределение эндогенного тепла мал.

Прежде я уже писал о том, что роль эндогенного тепла Земли совершенно напрасно не берется в расчет климатологами и океанологами. Покопавшись в публикациях, я нашел кое-что интересное на эту тему, что подтверждает высказанную ранее гипотезу о влиянии тепла, идущего из недр нашей планеты, на ее климат. Как известно, земная кора на дне океанов значительно тоньше, чем под материками. Она более плотная и имеет больший удельный вес, а следовательно, ее теплопроводность выше. Это значит, что на дне океанов в воду эндогенной тепловой энергии поступает больше, чем через материки в атмосферу.

Извержение "черного курильщика". Можно себе представить, каким должно быть давление в недрах этого вулканчика, чтобы преодолеть давление в 200 атмосфер и выбрасывать эти клубы горячей воды.

В 70-х годах прошлого века было сделано важное открытие, которое перевернуло многие представления ученых. Возле Галапагосских островов на глубине от 2 до 4 тысяч метров были обнаружены разломы, из которых в океан поступала горячая вода. На дне были обнаружены маленькие вулканы – гидротермы. Происхождение гидротерм объясняют так: морская вода по разломам попадает в толщу океанической коры, там разогревается за счет эндогенного тепла планеты, в ней растворяются различные химические элементы, затем горячая вода под сильным давлением выбрасывается из недр по разломам и поступает в океан. Здесь, остывая, она выделяет разные минералы, в том числе и полезные ископаемые. В местах выброса гидротермальной воды образуются небольшие вулканы высотой до 40 метров. Эти вулканы и назвали «черными курильщиками» из-за того, что вода выходящая из них, черного цвета.

"Черных курильщиков" обнаружили на дне Красного моря, а затем их стали находить и в других районах Мирового океана. Температура выходящих из них растворов достигает 350° С. А вот в Калифорнийском заливе "курильщики" представляют собой башни, сложенные сульфидными породами. Из грифонов этих "урильщиков" на высоту до 150 м поднимаются султаны чёрного "дыма". На участке в 14 квадратных километров этого залива насчитали около 80 "курильщиков". В условиях полной темноты, при давлении в 200 атмосфер и при температуре порядка 40° С вокруг "курильщиков", в среде, содержащей свинец, живут и превосходно себя чувствуют сотни видов животных. Некоторые из них достигают метровых и даже двухметровых размеров.

Возле "черных курильщиков" на дне океана есть иная жизнь, энергетической основой которой является не фотосинтез, а хемосинтез. В кромешной темноте здесь живут не только примитивные организмы, но и высоко организованные многоклеточные - даже ракообразные и рыбы.

В зоне рифтов происходит снижение давления, плавится океаническая кора и образуется магма, которая подступает к поверхности. Контакт магмы с морской водой приводит к выщелачиванию базальтов, к обогащению воды металлами. В результате этих процессов образуются настоящие причудливой формы железистые и марганцевые конуса высотой в сотни метров. На склонах этих конусов в изобилии находятся подводные гидротермы в виде чёрных курильщиков.

К западу от глубоководного Марианского жёлоба, глубина которого достигает 11022 м, а протяжённость 1340 км при ширине 59 км, открыта подводная гора высотой 2500 м над океанским ложем. Тёмные клубы исходят из труб на склонах этой горы. Вначале акванавты решили, что это обычные "чёрные курильщики". Но оказалось, что вода, фонтанирующая из них, холодная и сильно минерализованная. Минеральный состав этой воды отличался от минерального состава воды обычных "чёрных курильщиков". Если "чёрные курильщики" обязаны своим происхождением вулканической деятельности, то новые образования имели невулканическое происхождение. Трубы были сложены серпентинитами и частично карбонатами, оливинами, пироксенами. Причиной выброса холодной воды из недр в этом случае является высокое давление в океанической коре при отсутствии ее разогрева.

Гидротермальные источники обнаружены в непосредственной близости от Северного Ледовитого океана. Пять источников найдены между северными границами Норвегии и Гренландии, почти на 74° северной широты. Температура кипящей воды, извергаемой этими источниками, близка к 300° С. В 2005 году "курильщики" были обнаружены у побережья Гренландии. В районах горячих источников и на Сенвере флора заметно богаче, а жизнь активнее, чем вне воздействия таких источников ("Информационный портал Сайберсекьюрити Ру" ). Накопленные вокруг "курильщиков" массивные залежи сульфидов говорят о том, что "курильщики" активны здесь уже много тысяч лет. Можно сделать вывод о том. что экосистемы вокруг «арктических вентилей» представляет собой уникальные образования (AllTravels.com.ua.htm).

"Черным курильщикам" свойственны большие дебиты (несколько кг/сек.) и высокие температуры (до 350-365° С), тогда как "белые курильщики " характеризуются относительно вялой разгрузкой и температурами не выше 330° С (Короновский, 1999). Гидротермальные образования в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов, характеризующихся низкой, средней и высокой скоростью спрединга, в целом похожи, хотя существуют и некоторые различия. Там, где скорость спрединга высокая, гидротермальные образования располагаются внутри осевого, наиболее молодого трога, находящегося в центральной части рифта, причем они связаны с открытыми раздвиговыми трещинами, так называемыми гьярами. Если скорость спрединга низкая и средняя, гидротермальные постройки могут располагаться и вне трещин, например в Срединно-Атлантическом хребте (Короновский, 1999).

Когда вода извергается из жерла курильщика, она разогрета до 400° С. Но, соприкасаясь с морской водой, она быстро остывает, отдавая тепло в океан. Во время осмотра горного массива посреди Атлантического океана были обнаружены громадные, ослепительно белые башни. Их высота достигала шестидесяти метров. Они были похожи на сталагмиты. Рядом с этими башнями, занимавшими площадку размером с футбольное поле, виднелись три с лишним десятка выступов и зубцов метровой высоты, а также многочисленные расщелины, заполненные белой породой. Это были гидротермальные источники неизвестного прежде типа; не похожие на «черных курильщиков» (А. Зайцев). Как полагает Дебора Келли, такие источники встречаются даже чаще черных курильщиков, ведь те можно найти лишь вдоль границ тектонических плит, а эти распространены на большом расстоянии от этих границ. полагает Дебора Келли. В водах Атлантического океана на глубине около 3 километров обнаружили гидротермальный источник, подающий воду в океан разогретую до рекордной температуры в 464° С. Этот источник расположился на гигантском пузыре магмы, скопившейся в разломе в южной части Срединно-Атлантического хребта (Andrea Koschinsky - Fritsche, Jacobs University Bremen).

В Южной Атлантике также был обнаружен горячий подводный гидротермальный источник из класса «черных курильщиков». Открытие совершила экспедиция Международного университета Бремена под руководством Анджея Кочинского. Температура этого «курильщика» 407°C. Критическая точка морской воды находится на отметке давление в 298 атмосфер и температура 407° С. При достижении этой точки перегретая вода переходит в состояние, когда пар и жидкость неотличимы друг от друга. Обычная морская вода проникает в разломы на дне, где нагревается, сдавливается подступающей магмой и переходит в необычное состояние. Будучи менее плотной,такая жидкость-пар “выстреливает” вверх, и образуются те самые "чёрные курильщики“.

Уникальное образование обнаружено в месте схождения Африканской и Южноамериканской литосферных плит. Скорость движения плит в этом месте составляет 3,2 см в год. Как говорит Кочинский, никто не мог подумать, что такие «курильщики» нужно искать в Атлантике, а не в Тихом океане, где скорость движения плит в пять раз выше. А это ставит под сомнение распространенное мнение, что вулканическая активность напрямую связана со скоростью движения плит. Даже наоборот, при движении плит много энергии недр тратится на работу по их перемещению. Если же плиты движутся медленно, то энергия выделяется в форме тепла разогретой магмы и передается воде, нагревая ее до критической температуры. Длина Срединного хребта в Атлантическом океане более 18 000 км. Отдельные участки его носят собственные названия: в Норвежско-Гренландском бассейне - хребет Книповича, южнее - хребет Мона, далее - Исландско-Янмайенский хребет, южнее Исландии - хребет Рейкьянес и Северо-Атлантический хребет, южнее экватора - Южно-Атлантический хребет.

Схема строения континентальных и океанических вулканов

В 1954 году геолог Х. Хесс предложил гипотезу, согласно которой океанское ложе состоит из базальтов, а под ним простирается перидотитовая мантия. Перидотит - тёмная, с зеленоватым оттенком порода, состоящая на 60% из оливина, 31% пироксена; остальное - апатит, рудные минералы и пр. Из мантийных глубин к поверхности ложа океана идут ювенильные водные массы. Взаимодействие этих вод с перидотитом приводит к образованию серпентина. Этот процесс должен быть особенно активным в районах серединных океанических хребтов. Эти процессы играют в жизни планеты заметную роль, так как система срединно-океанических хребтов простирается на теле Земли почти на 70 000 км.

Однако гипотеза Хесса противоречит концепции тектоники плит, поэтому тогда она была отвергнута геофизиками. Но в семидесятых годах к этой гипотезе вновь обратились. Сейсмические исследования указывают, что в некоторых местах Тихого океана непосредственно под толщей воды находятся массивные тела, сложенные серпентинитами. Геофизики отмечают высокую температуру, свойственную Марианским подводным вулканам в зонах залегания серпентинитов.

Гидротермальные источники срединно-океанических хребтов на дне океанов многочисленны. Их вклад в тепловой поток, идущий из недр Земли, составляет порядка 20%. Ежегодно из этих источников истекает в океаны порядка 3,5 миллиардов тонн горячей (350°C) воды через чёрные курильщики , и порядка 640 миллиардов тонн из низкотемпературных источников (20°C).

Но не только "курильщики" подогревают воды океанов. На дне морей и океанов извергаются и настоящие вулканы, изливающие огромные количества лавы, разогретой до 1200° С. И таких вулканов немало. Соприкасаясь с водой, лава отдает тепло и застывает. Мне думается, что учитывать их вклад в тепловой баланс океана просто необходимо. Особенно, если мы хотим делать климатические и океанологические прогнозы. Нагревая воду в месте извержения, вулканы создают в океане температурные градиенты и заставляют толщи воды двигаться из мест горячих в места более холодные. Например, усилилась вулканическая деятельность

Источник: ukhtoma.ru