Что такое пояс постоянных температур
Температура Земли и ее анализ
Земля получает тепло из двух источников: от Солнца и из собственных недр. На поверхности Земли основным источником тепла является Солнце, так как внутренняя теплота ввиду плохой теплопроводности горных пород доходит до поверхности в незначительном количестве, составляя 0,5% солнечной теплоты.
Ввиду неравномерности прогрева дневной поверхности в различных широтах ее температурный режим подвержен значительным колебаниям — вековым, годовым, сезонным, суточным. Например, в среднеазиатских пустынях почва летом нагревается до +70°С и более, а зимой промерзает до —30°С. Однако с глубиной влияние солнечного тепла постепенно уменьшается и затем совершенно исчезает. Та зона Земли, в которой не сказываются колебания поверхностных температур, называется зоной (поясом) постоянной температуры.
Температура этого пояса равняется приблизительно средней годовой температуре данной местности. Если она ниже 0°С, то возникает «вечная мерзлота». Глубина залегания пояса постоянных температур на экваторе 1—2 м, в пределах Москвы 20 м и вблизи Архангельска — около 10 м. Ниже этого пояса происходит увеличение температуры с глубиной за счет внутренней теплоты Земли. Глубину в метрах, на протяжении которой температура в недрах увеличивается на один градус, принято называть геотермической ступенью.
Прирост температуры в градусах при углублении на каждые 100 м называется геотермическим градиентом. Величина геометрической ступени в разных районах Земли изменяется от 1,5 до 170 м, составляя в среднем 30—33 м. В районе Пятигорска она равна 1,5 м, Ленинграда 19,6 м, Москвы 38,4 м, в Карелии более 100 м, в районе Поволжья 50 м и т. п. Если допустить, что среднее значение геотермической ступени сохраняется на всем расстоянии от пояса постоянной температуры до центра Земли, то температура ядра Земли должна составить 100 000—200 000° С. Однако сравнительно тонкая земная кора не могла бы сохраниться под воздействием таких температур.
Полагают, что в земной коре увеличение: температуры согласно средней геотермической ступени происходит только до глубины 15—20 км, ниже геотермическая ступень резко возрастает. Специалисты считают, что температура в центре Земли не превышает 4000° С.
Источниками внутреннего тепла Земли являются: энергия распада радиоактивных элементов, энергия, освобождающаяся при химических реакциях и тектонических движениях, энергия перехода вещества из одного состояния в другое и т. п.
Понятие о поясе постоянных температур, геотермический градиент и геотермическая ступень
Теплота приповерхностного слоя, толщиной всего в несколько десятков метров, целиком зависит от солнечного нагрева, поскольку внутренний тепловой поток составляет всего 0,5 % солнечной теплоты.
Величина солнечного нагрева поверхности зависит от широты местности, кроме того, количество теплоты, получаемой от Солнца, колеблется по сезонам года и в различное время суток. Сезонные и суточные колебания температуры поверхности Земли с глубиной убывают и, наконец, нивелируются полностью. Слой Земли, в котором не наблюдается сезонных и суточных изменений температур, называется слоем постоянных температур. Обычно его температура соответствует среднегодовой климатической температуре местности. Глубина его залегания меняется от местности к местности, в экваториальных областях она составляет всего 1-2 м, в областях тропического и умеренного климата может составлять несколько десятков метров (г. Ставрополь – 24 м), а в зонах субарктического климата вновь уменьшается до 1-10 м. Температура слоя постоянных температур может быть и отрицательной. Это области существования т.н. «вечной», или многолетней, мерзлоты, к ней относится ¾ территории России.
Ниже пояса с постоянной температурой последняя постепенно повышается, о чем свидетельствуют наблюдения в глубоких шахтах и скважинах. Известен факт об остановке добычи золота в шахте на Комстокской жиле в Неваде на глубине 600 м, т.к. температура в ней достигла 42,2 ◦С, то есть предела, за которым человек не может работать в рудничной атмосфере.
Расстояние, на которое вглубь Земли температура повышается на 1 ◦С, называется геотермической ступенью. Величина ее изменяется от 1-2 м (Камчатка, район Пятигорска) до 160-170 м (Южная Африка, Трансвааль).
Прирост температуры в градусах Цельсия на 100 м либо 1 км углубления называется геотермическим градиентом. Геотермический градиент варьирует обычно в пределах от 0,5 до 25 ◦С на 100 м глубины. Высокие значения обычны для районов молодого возраста и высокой тектонической активности (молодые складчатые горы).
Знание величины геотермической ступени и глубины залегания пояса постоянных температур позволяют рассчитать температуру на разных глубинах в проектируемых скважинах.
Климатический пояс.
На климат (и, значит, климатический пояс) оказывают воздействие и формируют его, зависящие от географических условий, климатообразующие факторы. К ним относятся: количество радиации солнца, достигающей определенной поверхности Земли; атмосферные процессы циркуляции; объемы биомассы. Эти факторы, определяющие климат, могут значительно различаться в зависимости от географической широты местности. Именно широта определяет под каким углом падает солнечный свет на поверхность земного шара и, соответственно, как интенсивно будет прогреваться поверхность, расположенная на разном удалении от экватора.
Тепловой режим определенной местности зависит в огромной степени от ее близости к океанам, которые выполняют функцию тепловых аккумуляторов. На граничащих с океанами поверхностях суши наблюдается более мягкий климат климатический пояс, по сравнению с климатом в глубине континентов. Суточные и сезонные перепады температуры около больших объемов воды имеют более плавный характер, чем при континентальном климате ближе к центру материков. Здесь выпадает больше осадков и небо часто закрыто облаками. Напротив, континентальный климат характеризуется резкими перепадами температуры и меньшим количеством осадков.
Такое, связанное с океанами явление, как морское течение, также является важнейшим фактором, определяющим погоду на Земле. Неся теплые массы воды вокруг континентов, они согревают атмосферный воздух, приносят циклоны с большим количеством осадков. То, как кардинально течение может влиять на природу, можно рассмотреть на примере Северо-Атлантического течения. В тех местностях, которые попадают в зону его влияния, растут густые леса. А в расположенной в тех же широтах Гренландии лежит только толстый слой льда.
Не меньшее влияние оказывает на климат и рельеф (что сказывается и на формировании климатического пояса). Всем известны кадры подъемов в горы альпинистов, которые стартуя с зеленеющих лугов у подножия горы, через несколько дней стоят на заснеженных вершинах. Происходит это из-за того, что с каждым километром над уровнем моря, температура окружающего воздуха падает на 5-6 °С. Кроме этого, горные системы препятствуют передвижению как теплых, так и холодных масс воздуха. Часто климат с одной и с другой стороны горного хребта может значительно отличаться. Яркий пример этого – разность температуры воздуха и влажности в Сочи и в Ставрополье, находящихся по разные стороны Кавказских гор.
Чтобы правильно дать определение понятию «климатический пояс» нужно отличать такие термины как погода и климат.
Погода – это состояние тропосферы в определенный отрезок времени в конкретной местности. А климатом принято считать средний устоявшийся режим погоды. Что такое климатический пояс, какие существуют его разновидности?
Климатический пояс и его свойства.
Климатическим поясом принято называть широтную полосу, что отличается от иных полос циркуляцией атмосферы, а также интенсивностью нагревания Солнца.
Всего на планете насчитывается 7 разновидностей климатических поясов, которые в свою очередь делятся на основные и переходные пояса. Категорию основных поясов еще принято называть постоянными.
Постоянные и переходные климатические пояса.
Постоянным (основным) называют климатический пояс, в котором на протяжении целого года господствует одна воздушная масса. К основному виду поясов относят: умеренный, тропический, экваториальный и арктический.
Для переходных поясов свойственна смена воздушных масс, то есть летом приходит жаркая, а зимой – более холодная. Выделяют субарктический, субтропический и субэкваториальный пояса.
Экваториальный климатический пояс.
Данный подвид основного климатического пояса расположен в области экватора. Это единственный в своем роде пояс, что разделен на несколько частей. В течение года находится под воздействием экваториальной воздушной массы.
Главные особенности экваториального пояса:
Природной зоной данного климатического пояса считаются влажные леса, которые наполнены различными ядовитыми растениями и животными.
В этом поясе расположена Амазонскую низменность, экваториальная Африка, а также Большие Зондские острова.
Субэкваториальный климатический пояс.
Данный подвид переходного климатического пояса находится между экваториальным и тропическим поясами. Следовательно, на его территории в течение года меняется 2 воздушные массы.
В субэкваториальном поясе находится Северная Австралия, север Южной Америки, полуостров Индостан, Юго-Восточная Азия.
Тропический и субтропический пояса.
Тропический пояс свойствен тропическим широтам. Погода в тропиках зависит от высоты солнца над горизонтом. Для тропического климатического пояса характерны резкие температурные перепады – от жары до холода.
Это считается главной причиной, по которой мир флоры и фауны очень беден. В таком подвиде постоянных поясов находится Северная Африка, Мексика и Карибские острова.
Субтропический пояс находится посреди умеренного и тропического поясов. Принято различать северный и южный субтропические пояса. В летний период здесь преобладает тропическая жара, которой свойственна сухость, а зимой царит холодная воздушная масса.
Данный климатический пояс характерен для Великой Китайской равнины, Северной Африки, Северной Америки и юга Японии.
Умеренный климатический пояс.
Отличительной чертой умеренного пояса считается возможность температуры изменяться по сезонам. Для такого климатического пояса свойственна отрицательная температура.
В умеренных широтах находится значительная часть Европы, Великобритании, России, Канады и севера США.
Геология
о теории и практике
Теплота Земли
Теплота Земли, что это такое. Различают теплоту внешнюю, солнечную, исходящую от Солнца, и теплоту внутреннюю, поступающую из недр Земли.
Рассмотрим сначала внешнюю теплоту Земли, источником которой является Солнце.
Площадка в 1 см2 на Земле, ориентированная перпендикулярно солнечным лучам, получает от Солнца в течение 1 мин 1,94 кал тепла. Эта величина называется солнечной постоянной.
Известно, что Солнце излучает в мировое пространство в течение года 3-Ю30 ккал тепла. Из этого количества только 0,33-10″tJ часть, т. е. 1021 ккал, попадает на Землю. Этим количеством тепла можно было бы растопить покрывающий Землю сплошной слой льда толщиной 24 м. Оно в 300 раз больше того тепла, которое мы могли бы получить при сожжении всех мировых запасов каменных углей. Иными словами, Земля в течение одних суток с небольшим получает от Солнца столько тепла, сколько можно было бы получить от сожжения всех запасов каменных углей на Земле. Этой теплотой обусловливаются почти все геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в верхних слоях земной коры.
Наибольшее количество тепла от Солнца получает область экватора. По направлению к полюсам количество тепла уменьшается. Все точки земной поверхности, расположенные на одной и той же широте, получают от Солнца в течение года одно и то же количество тепла. Однако теплота, попавшая на поверхность Земли, перераспределяется под влиянием ряда факторов, из которых главнейшими являются: 1) форма рельефа земной поверхности — горные хребты, долины, их направление и т. д.; 2) распределение воды и суши на Земле; 3) характер и мощность растительного покрова; 4) воздушные и морские течения. Вследствие действия указанных факторов на разных участках одной и той яіє широты климатические, в том числе температурные, условия неодинаковы.
Различают среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые температуры на отдельных участках земной поверхности.
Линии, соединяющие точки с одинаковыми средними температурами (суточными, месячными, годовыми), называются изотермами.
Среднемесячные температуры получают путем сложения среднесуточных температур и деления суммы на число дней в месяце, среднегодовые — путем сложения среднемесячных температур и деления суммы на 12. Для каждого пункта земной поверхности особенно характерны среднеянварская и среднеиюльская температуры.
Все изотермы имеют тенденцию вытягиваться с запада на восток, но в то же время очень часто пересекают параллели.
Если среднесуточные и среднемесячные температуры из года в год довольно значительно колеблются, среднегодовые температуры меняются очень мало, не более чем на десятые доли градуса. Средняя годовая температура в Москве, по данным Тимирязевской сельскохозяйственной Академии, равна +4,2° С.
Рассмотрим изменение температуры ниже поверхности Земли на разных глубинах. В любом месте с глубиной температура все меньше зависит от температуры на поверхности Земли. В конце концов всюду на некоторой глубине температура перестает зависеть от температуры на поверхности. С этой глубины и ниже уже не сказываются сезонные колебания температур на поверхности. К этой глубине приурочен так называемый пояс постоянных температур. Выше этого пояса зимняя температура отличается от летней. Ниже этого пояса температура закономерно повышается независимо от температуры на поверхности Земли. Она обусловлена теплотой, которая; поступает снизу, из недр Земли и имеет в основном, по-видимому, радиоактивное происхождение. Эта внутренняя теплота вследствие- теплоотдачи поступает в ту часть земной коры, которая расположена выше пояса постоянных температур. Роль внутренней теплоты в интервале от пояса постоянных температур до поверхности Земли уменьшается. Пояс постоянных температур залегает на глубине от 2 до 40 м. В Москве он расположен на глубине около 20 лі.
Глубина залегания пояса постоянных температур зависит от амплитуды колебаний температуры на поверхности Земли в течение года.
Известно, что чем резче колебания, тем климат более континентальный. В этих случаях глубина зелагания пояса больше. В условиях небольших колебаний температур на поверхности глубина залегания пояса меньше.
Глубина залегания пояса постоянных температур зависит также от состава и характера горных пород, залегающих выше пояса., от их теплопроводности, характера их залегания (горизонтальное., наклонное или вертикальное), насыщенности подземной водой и других факторов.
Ниже пояса постоянных температур с увеличением глубины температура закономерно повышается. Число метров, через которое’ температура повышается на 1° С, называется геотермиче- скойступенью. По имеющимся данным геотермическая ступень колеблется от 19 м (Австралия) до 111 м (Йоганнесбург в Африке)^
Число градусов Цельсия, на которое повышается температура при углублении на 100 м, называется геотермическим градиентом. Геотермическая ступень и геотермический градиент:
находятся в обратной зависимости. Если, например, ступень равна 20 м, градиент равен Ъ° С; если ступень 30 м, градиент 31/3° С и т. д.
В разных районах геотермическая ступень и градиент различны. Они зависят от следующих факторов.
Чем больше теплопроводность горных пород, слагающих соответствующий участок земной коры, тем больше геотермическая ступень и наоборот.
На тех участках земной коры, где преобладают экзотермические реакции (с выделением тепла), геотермическая ступень меньше. Примером таких реакций может служить действие воды на сульфиды железа.
В районах распространения нефтяных месторождений геотермическая ступень часто имеет пониженное значение. Например, в Грозненском нефтяном районе геотермическая ступень достигает 20— 25 м, в Бакинском 23—32 м. Такое же явление характерно для районов каменноугольных месторождений.
В тех районах, где в горных породах протекают преимущественно эндотермические реакции (с поглощением тепла), геотермическая ступень больше.
В качестве примера эндотермических реакций можно указать на растворение каменной соли в воде. В местах распространения каменной соли обычно геотермическая ступень выше нормальной.
В соответствующих местах геотермическая ступень уменьшенная. Это прекрасно подтверждается в районах вулканической деятельности (Камчатка и др.).
Нередки случаи, когда подземные воды имеют повышенную и даже очень высокую температуру. Примерами могут служить Горя- чеводск и Серноводск в Чечено-Ингушской АССР, Горячий ключ в Краснодарском крае и др. Здесь вода на небольшой глубине и в источниках имеет температуру 40—97° С. Конечно, такая вода, циркулируя по порам и трещинам горных пород, обогревает их и тем самым повышает геотермический градиент.
Характер залегания пород влияет на величину геотермической ступени. Допустим, какой-либо участок земной коры сложен одинаково теплопроводными горными породами, но в одном случае они залегают горизонтально, в другом — наклонно, в третьем — вертикально. Геотермическая ступень в первом случае будет минимальной^ в последнем максимальной. Это объясняется тем,что в последнем случае теплоотдача в атмосферу происходит быстрее, чем в первом.
При прочих равных условиях (одинаковые породы, одинаковое
залегание и т. д.) под океаном или морем геотермическая ступень меньше (по-видимому, сказывается охлаждающее влияние воды), а на континенте, вдали от океана, больше.
Поверхности одинаковых температур под поясом постоянных температур (или одинаковых средних годовых температур над поясом постоянных температур) называются геотермами. В вертикальном разрезе геотермы являются линиями равных температур, расстояние между ними по вертикали — геотермическая ступень.
Из сказанного следует, что геотермы под океанами и морями должны быть расположены гуще, чем в пределах континентов, т. е. геотермические ступени на континентах должны быть больше, чем непосредственно под дном моря или океана.
Для определения геотермической ступени на том или другом участке земной коры замеряют температуру в скважинах на различных глубинах. Разность глубин делят на разность замеренных температур. Таким образом получают геотермическую ступень в указанном интервале глубин.
Операция замера температур в скважинах довольно трудоемка и длительна. Из скважины удаляют жидкость (воду или глинистый раствор). Если скважина находится в состоянии бурения, то, прежде чем замерять температуру на забое, необходимо выждать время, пока забой не примет свою естественную температуру, так как при бурении скважины он нагревается.
Для температурных замеров употребляют максимальные термометры, устроенные по принципу медицинских. Их помещают в специальные металлические водонепроницаемые футляры.
В скважину опускают на тросе несколько (не менее двух) термометров и держат их на забое несколько часов. Если все поднятые на поверхность Земли термометры покажут одну температуру, замер считается удачным и законченным, если разную, то операцию повторяют до тех пор, пока не получат одинаковых показаний на всех термометрах. Перед спуском в скважину термометры выверяют.
Из сказанного следует, что при замерах температуры скважины остаются без жидкости много часов. Это очень опасно, так как в скважинах, особенно глубоких, с какими имеют дело нефтяники, могут произойти обвалы, в результате которых скважины окажутся испорченными. Стоимость же скважин измеряется сотнями тысяч рублей.
Поэтому температуру в глубоких скважинах замеряют редко.
Каждый геолог, особенно нефтяник, обязан использовать любую возможность для замеров температур в скважинах.
В последнее время в скважинах производят так называемый температурный каротаж. Температура по стволу скважины автоматически фиксируется особым самопишущим аппаратом. Диаграммы таких записей не отражают точных температур на различных глубинах, но наглядно характеризуют тенденцию температурных изменений в скважине с глубиной.
Часто бывает необходимо знать температуру на той или другой тлубине. Это особенно важно при проектировании тампонажа в скважинах, выборе сорта цемента для проведения тоннелей и т. д. В случаях, когда в районе заложения скважины не известна геотермическая ступень, ее принимают равной 33 м.
Если считать, что геотермическая ступень сохраняется в пределах ¦сиалической оболочки равной примерно 33 м, то температура 100° С, т. е. температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, будет на глубине около 3300 м, 374,6° С, т. е. критическая температура воды, — на глубине около 12 км (ниже 12 км вода существовать уже не может), 1000° С — на глубине 33 км, 1200° С — на глубине около 40 км, 1500° С — на глубине 50 км, 2000° С — на глубине 66 км.
Из приведенных данных видно, что в нижней части сиалической оболочки на глубинах около 40—50 км температура равна приблизительно 1200—1500° С. При этой температуре в условиях нормального атмосферного давления горные породы должны плавиться. «Однако на глубине 40—50 км давление равно 10 800—13 500 am. іПри таком давлении горные породы остаются в твердо-пластичном «состоянии. О существовании температур 1200—1500° С в пределах «сиалической оболочки свидетельствует жидкая раскаленная лава действующих вулканов. Лава Везувия, например, расплавляла
медные сосуды, попадавшиеся на пути ее течения. Значит, температура лавы выше температуры плавления меди, т. е. выше 1083° С.
Как изменяется температура ниже сиалической оболочки, какова там геотермическая ступень, мы не знаем. Если бы величина геотермической ступени сохранялась такой же, как принято считать ее для сиалической оболочки, т. е. 33 м, то в низах симатической оболочки, на глубине 900 км, она составляла бы около 27 200° С, на глубине 2900 км — 88 000: С, в центре Земли — около 193 000° С.
При температуре такого порядка в недрах Земли ниже сиаличе- ской оболочки вещество этих недр находилось бы в жидком, расплавленном состоянии. Сравнительно тонкая сиалическая оболочка не могла бы сохраниться и тоже расплавилась бы. Следовательно, температура недр значительно ниже.
В настоящее время многие геофизики считают температуру в центре Земли равной примерно 2000—4000° С. Если это так, то геотермическая ступень ниже сиалической оболочки резко увеличивается и температура к центру Земли, начиная с кровли симатической оболочки, почти не повышается.
Источником сравнительно сильного нагрева сиалической оболочки является теплота, получающаяся в результате распада радиоактивных элементов, сосредоточенных главным образом в этой оболочке.
По содержанию радиоактивных элементов (в основном урана и тория) первое место занимают магматические горные породы, второе — метаморфические и третье — осадочные.
Из магматических пород наиболее богаты радиоактивными элементами кислые породы, особенно граниты. Значительно меньше этих элементов в основных породах, например в базальтах, габбро и др.
Теплотой, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов, т. е. внутренней теплотой, в значительной степени обусловливаются геологические процессы, происходящие в сиалической оболочке ниже пояса постоянных температур и отчасти в верхней части симатической оболочки.
На тех участках земной коры, где средняя годовая температура на поверхности равна нулю или ниже нуля, температура в поясе постоянных температур тоже соответственно равна нулю или ниже нуля. Как известно, при нулевой и отрицательных температурах вода находится в твердом состоянии. Горную породу, в порах которой в течение столетий содержится твердая вода, называют
вечной мерзлотой. Наименование, конечно, неточное. Лед, содержащийся в пустотах породы, при потеплении климата частично или полностью тает. Такую породу лучше называть многолетней мерзлотой. Она занимает 45% территории нашей страны (9658 тыс. км2). На рис. 42 показана южная граница распространения многолетней мерзлоты в СССР.
Известны значительные площади многолетней мерзлоты в Северной Америке. В общей сложности ею на земном шаре занято до V10 части всей суши.
В результате циркуляции подземных вод внутри мерзлых пород появляются участки без льда, с водой (талики). Для таких мест подземная вода с температурой +(2—4)° С может считаться относительно «горячей».
Многолетняя мерзлота наблюдается в виде линз, гнезд, островков, а иногда слоев (слоистая). В ней встречаются остатки древних животных (мамонтов, носорогов, пещерных медведей и др.).
В областях такой мерзлоты растительность очень бедная, чахлая, низкорослая. Корни растений не уходят далеко вглубь, а разрастаются в горизонтальном направлении. Поэтому часто целые лесные массивы низкорослых деревьев на участках многолетней мерзлоты бывают повалены ветром (ветровалы).
Чрезвычайно широко в пределах мерзлоты развиты оползни.
Мерзлые породы нефтенепроницаемы. Вследствие этого выходы нефти на поверхности Земли в пределах распространения многолетней мерзлоты редки. До Великой Октябрьской социалистической революции и в первые годы Советской власти считали, что нефть надо искать только в тех районах, где имеются естественные выходы ее на поверхность. В связи с этим считали бесполезным искать ее в Сибири. Такое неправильное заключение делали потому, что не учитывали характерного свойства многолетней мерзлоты — ее нефте- непроницаемости. В настоящее время в пределах многолетней мерзлоты Сибири обнаружен ряд нефтяных и газовых месторождений, особенно распространенных в Западной Сибири (Тюменская, Томская и другие области).
Чрезвычайно большой научный интерес представляют пласты ископаемого льда, встречающиеся в пределах многолет
ней мерзлоты. Они известны по берегам нижнего течения Лены, Индигирки, Колымы. Мощность пластов ископаемого льда достигает 7 м. Он залегает здесь между пластами глин и песчаников и играет роль настоящей горной породы.
Многие предполагают, что это нерастаявшие остатки ледников, некогда покрывавших места их нахождения. Если представить себе сравнительно быстрое эпейрогеническое опускание участка земной коры, покрытого ледником, пребывание его затем в условиях многолетней мерзлоты и отложения на поверхности льда естественных обломочных осадков, то станет понятным возможность сохранения пластов сплошного льда на глубине.
Многократные эпейрогенические колебания разного знака могут создавать перемежаемость пластов ископаемого льда с обычными осадочными породами: глинами, песками, песчаниками и т. д.
Современная эпоха характеризуется деградацией или отступлением на север южной границы многолетней мерзлоты.
Вернуться назад к оглавлению «Общая Геология. Основы Геологии.»
3 комментария к “ Теплота Земли ”
Спасибо большое за предоставленную информацию, а мы на всей складской технике используем. Рекомендую.
Толково изложено, песок и щебень мы заказывали. Хороший, качественный стройматериал. Привезли на следующий день.