지열 경사

Geothermal gradient
내부 지구의 온도 프로필, 개략도(추정)

지열 구배는 지구 내부의 깊이가 커지는 것에 대한 온도 변화율이다.일반적으로 지각의 온도는 훨씬 뜨거운 맨틀로부터의 열 흐름으로 인해 깊이와 함께 상승하고 있다. 지각판 경계에서 벗어나면,[1] 지구 대부분의 표면 근처에서 깊이가 약 25–30 °C/km(72–87 °F/mi)로 상승한다.그러나, 일부의 경우, 특히 지표면 근처에서 깊이가 증가함에 따라 온도가 하락할 수 있는데, 이 현상은 역 또는 음의 지열 구배라고 알려져 있다.날씨, 태양, 계절의 영향은 약 10-20m 깊이에 불과합니다.

엄밀히 말하면, 지열은 필연적으로 지구를 가리키지만, 그 개념은 다른 행성에도 적용될 수 있다.SI 단위에서 지열 구배는 °C/[1]km, K/km[2] 또는 mK/[3]m로 표현된다.이것들은 모두 동일합니다.

지구의 내부 열은 행성 부착으로 인한 여열, 방사능 붕괴로 인한 열, 핵심 결정화로 인한 잠열, 그리고 다른 원천에서 발생할 수 있는 열의 조합에서 나옵니다.지구에서 열을 내는 주요 핵종칼륨-40, 우라늄-238, 우라늄-235, 토륨-232이다.[4]내핵의 온도는 4000~7000K로, 행성 중심부의 압력은 약 360GPa(360만atm)[5]로 추정된다.(정확한 값은 지구의 밀도 프로파일에 따라 달라집니다.)열의 많은 부분이 방사능 붕괴에 의해 제공되기 때문에, 과학자들은 지구 역사 초기에, 짧은 반감기를 가진 핵종이 고갈되기 전에, 지구의 열 생산량은 훨씬 더 높았을 것이라고 믿는다.열 생산량은 약 30억 년 [6]전 현재의 두 배였고, 그 결과 지구 내 온도 변화, 맨틀 대류 판구조론비율이 높아져 더 이상 [7]형성되지 않는 코마티이트와 같은 화성암을 생산할 수 있게 되었다.

지열 구배 상단은 대기 온도의 영향을 받는다.고체 행성의 최상층은 국지 기후에 의해 생성된 온도이며, 지반,[8][9] 암석 등에 따라 약 10-20m의 얕은 깊이에서 약 연간 평균 온도(MATT)로 감소한다. 이 깊이는 많은 지상 열원[13]펌프에 사용된다.꼭대기 수백 미터는 과거의 기후 [14]변화를 반영하며, 더 내려갈수록 내부 열원이 지배하기 시작하면서 따뜻함이 꾸준히 증가한다.

열원

중심에서 외기권으로 지구 절단
미국 위스콘신에 있는 지열 드릴 기계

지구의 온도는 깊이에 따라 상승한다.650~1,200°C(1,200~2,200°F)의 온도에서 점성이 높거나 부분적으로 녹은 암석이 지각판 가장자리에서 발견되어 부근의 지열 구배를 증가시키지만, 외부 코어만이 녹은 상태 또는 유체 상태이며 지구 내부 코어/외부 코어 경계 온도가 3,500° 내외로 가정된다.깊이는 2650 ± 600 켈빈으로 [15][16]추정됩니다.지구의 열 함량은 10줄이다31.[1]

  • 열의 대부분은 자연 방사성 원소의 붕괴에 의해 발생한다.지구에서 빠져나가는 열의 4590%는 주로 [6][17][18]맨틀에 위치한 원소의 방사성 붕괴에서 비롯된다.
  • 중력 퍼텐셜 에너지로, 다음과 같이 더 나눌 수 있습니다.
  • 액체 외심내심 경계에서 결정화되면서 방출되는 잠열.
  • 지구는 회전할 때(각운동량 보존) 조력에 의해 열이 발생할 수 있다.결과로 생기는 지구 조수는 지구 내부의 에너지를 열로 소멸시킵니다.
U와 Th의 붕괴로 인한 방사선 발생 열은 현재 지구 내부예산의 주요 원인이다.

지구 대륙 지각에서는 자연 방사성 핵종의 붕괴가 지열 생산에 중요한 기여를 한다.대륙 지각에는 저밀도 광물이 풍부하지만 우라늄과 같은 무거운 친석성 원소가 상당히 많이 포함되어 있습니다.이 때문에 지구상에서 [19]발견된 방사성 원소의 가장 농축된 전지구 저장고를 보유하고 있다.자연적으로 발생하는 방사성 원소는 화강암과 현무암, 특히 지구 [20]표면에 가까운 층에서 농축된다.이러한 높은 수준의 방사성 원소는 맨틀 광물을 대체할 수 없고 맨틀 용융 과정에서 녹는 물질로 인해 지구의 맨틀에서 대부분 제외됩니다.맨틀은 대부분 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 칼슘(Ca)[19] 등 원자 반경이 비교적 작은 고농도의 고밀도 광물로 이뤄져 있다.

현재의 주요 열 발생 핵종[21]
핵종 열 방출

[kg 핵종]

반감기

[년]

평균 맨틀 농도

[kg 핵종/kg 맨틀]

열 방출

[W/kg 맨틀]

238U 9.46 × 10−5 4.47 × 109 30.8 × 10−9 2.91 × 10−12
235U 56.9 × 10−5 0.704 × 109 0.22 × 10−9 0.125 × 10−12
232Th(Th) 2.64 × 10−5 14.0 × 109 124 × 10−9 3.27 × 10−12
40K. 2.92 × 10−5 1.25 × 109 36.9 × 10−9 1.08 × 10−12

지열 구배는 맨틀이 주로 대류를 통해 열을 전달하기 때문에 맨틀에서보다 암석권에서 더 가파르다. 이는 대류의 열 경계층 역할을 하는 암석권에서 우세한 전도성 열전달 과정보다는 맨틀 단층에 의해 결정되는 지열 구배로 이어진다.[citation needed]맨틀

열류

열은 지구 내의 근원에서 지표면으로 끊임없이 흐릅니다.지구로부터의 총 열 손실은 44.2 TW(4.42 × 1013 W)[22]로 추정된다.평균 열 흐름은 대륙 지각의 경우 65mW2/m이고 [22]해양 지각의 경우 101mW2/m이다.이는 평균 0.087와트/제곱미터(지구가[23] 흡수하는 태양 에너지의 0.03%)이지만, 미드오션 능선(새로운 해양 암석권이 만들어지는 곳)과 맨틀 [24]플룸 근처와 같이 암석권이 얇은 지역에 훨씬 더 많이 집중되어 있다.지구의 지각은 효과적으로 두꺼운 단열재 역할을 하는데, 이것은 밑에 있는 열을 방출하기 위해 유체 도관에 의해 뚫려져야 합니다.지구의 더 많은 열은 판구조론을 통해, 중앙해령과 관련된 맨틀 융기에 의해 손실된다.열 손실의 또 다른 주요 형태는 암석권을 통한 전도에 의한 것인데, 대부분의 경우 대륙 [22][25]아래보다 훨씬 얇고 젊은 지각 때문에 바다에서 발생합니다.

지구의 열은 30 [26]TW의 속도로 방사성 붕괴에 의해 보충된다.지구 지열 유량은 모든 1차 에너지원에서 발생하는 인간의 에너지 소비량의 2배 이상이다.열류 밀도에 대한 글로벌 데이터는 IASPEI/IUG[27]국제 열류 위원회(IHFC)에 의해 수집 및 수집된다.

직접적용

지구 내부의 열은 지열 에너지로 알려진 에너지원으로 사용될 수 있다.지열 구배는 고대 로마 시대부터 난방과 목욕에 사용되었고 최근에는 발전에도 사용되었다.인구가 계속 증가함에 따라 에너지 사용량 및 글로벌 주요 에너지원과 일치하는 환경 영향도 증가하고 있습니다.이것은 재생 가능하고 온실 가스 배출량을 줄인 에너지원을 찾는 것에 대한 관심을 증가시켰다.지열 에너지 밀도가 높은 지역에서는 현재의 기술로 높은 온도 때문에 전력을 생산할 수 있습니다.지열 자원으로 전력을 생산하는 데 연료가 필요 없으며, 항상 [19]90%를 초과하는 신뢰성 속도로 진정한 기저부하 에너지를 제공합니다.지열 에너지를 추출하기 위해서는 [19]발전기에 연결된 터빈을 통해 증기를 통과시켜 열로부터 전기에너지를 변환하는 발전소로 효율적으로 열을 전달해야 한다.지열을 전기로 변환하는 효율은 가열된 유체(물 또는 증기)와 환경 온도의 온도차에 따라 달라지므로 심층 고온 열원을 사용하는 것이 유리합니다.세계적으로 볼 때, 지구 내부에 저장된 열은 여전히 이국적인 에너지원으로 여겨지는 에너지를 제공한다.2007년 현재 전 세계에 약 10GW의 지열전력이 설치되어 있어 전 세계 전력 수요의 0.3%를 창출하고 있다.지역난방, 공간난방, 스파, 산업공정, 담수화 및 농업용에 [1]28GW의 직접지열용량이 추가로 설치된다.

바리에이션

지열 구배는 위치에 따라 다르며 일반적으로 시추공 천공 후 하단 개방공 온도를 측정하여 측정됩니다.그러나 천공 직후에 얻을 수 있는 온도 로그는 천공 유체 순환에 의해 영향을 받습니다.정확한 바닥 구멍 온도 추정치를 얻기 위해서는 유정이 안정적인 온도에 도달해야 합니다.이것은 실용적인 이유 때문에 항상 달성할 수 있는 것은 아니다.

열대 지방의 안정적인 구조 지역에서는 온도 깊이 그래프가 연평균 표면 온도로 수렴됩니다.그러나 플레이스토세 동안 깊은 영구 동토층이 발달한 지역에서는 수백 [28]미터까지 지속되는 저온 이상이 관찰될 수 있다.폴란드스와프키 한랭 이상은 플레이스토세-홀로센 기후 변화와 관련된 유사한 열 교란이 알래스카, 캐나다 북부, 시베리아뿐만 아니라 폴란드 전역의 시추공에서 기록된다는 것을 인식하게 되었다.

300px-Geothermgradients.png

홀로세 상승 침식(그림 1) 영역에서는 (그림에서 "변곡점"으로 표시된)이 안정화된 열 흐름 상태에 도달할 때까지 얕은 구배가 높아진다.안정화 상태의 기울기가 이 지점보다 위에 투영되어 현재의 연평균 온도와 교차하는 경우, 이 교차점의 높이는 현재의 표면 수준보다 높으며 홀로세 상승과 침식의 정도를 측정할 수 있다.홀로세 침하퇴적(그림 2) 영역에서 초기 구배는 안정화된 열 흐름 상태에 합류할 때까지 평균보다 낮다.

매일, 계절, 또는 기후 변화와 밀란코비치 사이클에 의해 유발되는 표면 온도 변화는 지표면 아래를 관통하여 지열 구배에서 진동을 발생시키고, 하루에서 수만 년까지 다양한 주기로 발생하며, 깊이에 따라 진폭이 감소한다.가장 긴 주기의 변화는 수 킬로미터의 [29][30]눈금을 가지고 있다.해저를 따라 흐르는 극지방 만년설의 녹은 물은 지구 [29][dubious ][verification needed]표면 전체에 걸쳐 일정한 지열 구배를 유지하는 경향이 있다.

만약 얕은 시추공에서 관찰된 깊이에 따른 온도 상승 속도가 더 깊은 깊이에서 지속된다면, 지구 깊은 곳의 온도는 곧 바위가 녹는 지점에 도달할 것이다.하지만 우리는 지구의 맨틀S파의 전달 때문에 고체라는 을 알고 있다.깊이와 함께 온도 구배가 급격히 감소하는 이유는 두 가지입니다.첫째, 열수송 메커니즘은 단단한 구조판 안에서처럼 전도에서 대류하는 지구 맨틀 부분에서 대류로 변화합니다.고체성에도 불구하고, 지구의 맨틀은 오랜 시간 동안 유체처럼 반응하고 열은 이류, 즉 물질 수송에 의해 운반됩니다.둘째, 방사성 열의 생산은 지구 지각, 특히 지각 상부에 집중되는데, 우라늄, 토륨, 칼륨농도가 가장 높기 때문입니다. 이 세 가지 요소는 지구 내에서 방사성 열의 주요 생산원입니다.따라서 지구 맨틀의 대부분 내의 지열 구배는 km당 0.5 켈빈 정도이며 맨틀 물질(상부 [31]맨틀의 주변석)과 관련된 단열 구배에 의해 결정된다.

음의 지열 구배

깊이에 따라 온도가 낮아지는 곳에서 음의 지열 구배가 발생합니다.이것은 지표면 근처의 수백 미터 위쪽에서 발생합니다.암석의 열확산성이 낮기 때문에 지하 깊은 온도는 주간 또는 연간 표면 온도 변화에 거의 영향을 받지 않습니다.따라서 수 미터 깊이의 지하 온도는 연간 평균 표면 온도와 유사합니다.더 깊은 곳에서는 지하 온도가 과거 기후에 대한 장기 평균을 반영하기 때문에 수십 미터에서 수백 미터 깊이의 온도에는 지난 수백 년에서 수천 년 동안의 기후에 대한 정보가 포함되어 있습니다.위치에 따라, 이것들은 마지막 빙하기에 가까운 더 추운 날씨나 더 최근의 기후 [32][33][14]변화로 인해 현재의 기온보다 더 추울 수 있다.

깊은 대수층에서도 음의 지열 구배가 발생할 수 있으며, 깊은 물에서는 대류이류에 의해 열이 전달되어 얕은 곳의 물이 인접한 암석을 다소 깊은 [34]곳의 암석보다 더 높은 온도로 가열한다.

음의 지열 구배는 또한 침강 [35]지대에서 대규모로 발견된다.섭입대는 해저 맨틀에 비해 해양판의 밀도가 높기 때문에 해양 지각이 맨틀 안으로 가라앉는 구조판 경계이다.가라앉는 판은 매년 몇 센티미터의 속도로 맨틀에 들어가기 때문에, 열전도는 판이 가라앉는 만큼 빠르게 가열되지 않는다.따라서 침하판은 주변 맨틀보다 온도가 낮아 음의 지열구배가 [35]발생한다.

「 」를 참조해 주세요.

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