Энергетический баланс Земли

Тектоническая активность Земли полностью определяется развивающимися в мантии энергетическими процессами. Влиянием солнечной радиации или распада радиоактивных элементов в континентальной коре можно пренебречь, поскольку выделяемое при этом тепло переходит в тепловое излучение Земли и рассеивается в космосе. Поэтому энергетический баланс Земли, управляющий тектонической активностью, определяется простым соотношением: глубинные теплопотери Земли Q равны суммарной скорости генерации в мантии гравитационной, радиогенной и приливной энергии E за вычетом скорости изменения теплового запаса Земли W. В случае теплового равновесия теплозапас Земли W остается постоянным и скорость его изменения равна нулю; при разогреве Земли ее теплозапас возрастает, а при остывании, наоборот, снижается.

Энергетический баланс Земли можно выразить простыми соотношениями в интегральной форме
Q = E – (W – W0), где W0 – начальный теплозапас Земли.

Современное значение глубинного теплового потока легко найти, отняв от суммарных теплопотерь Земли (4,3*1020 эрг/с) скорость генерации радиогенной энергии в континентальной коре (0,91*1020 эрг/с). Следовательно, современные потери глубинного тепла равны 3,39*1020 эрг/с. Они складываются из суммарной генерации в мантии гравитационной, радиогенной и приливной энергии и возможной добавки за счет изменения теплозапаса Земли, т.е. дополнительного разогрева или остывания земных недр. Возможная поправка за изменение теплозапаса Земли мала. Однако, учитывая значения гравитационной, радиогенной и приливной энергии, выделившейся в мантии к настоящему времени (Е = 16,85*1037 + 3,11*1037 +2,24*1037 = 22,2*1037 эрг), а также суммарный глубинный тепловой поток 3,39*1020 эрг/с, удается определить, что поправка за современное изменение теплозапаса Земли равна -0,27*1020 эрг/с. Это значит, что после архейского перегрева верхней мантии Земля все еще продолжала слабо остывать.

Учитывая это, теперь можно определить суммарную генерацию энергии в глубинных недрах – она
достигает 3,12*1020 эрг/с.

Распад радиоактивных элементов и приливные взаимодействия с Луной позволяют непосредственно определять их вклад в энергетику Земли как по суммарной энергии, так и по скорости ее генерации в течение всей истории развития Земли. Современные значения скорости генерации в мантии радиогенной и приливной энергии, соответственно равны 0,34*1020 и 0,02*1020 эрг/с. По условию энергетического баланса находим, что генерация энергии гравитационной дифференциации Земли, в пересчете на тепло равна 2,76*1020 эрг/с.

Суммарные теплопотери Земли равны суммарной генерации энергии в ее недрах за вычетом полного приращения теплозапаса Земли от момента ее образования. По распределениям плотности и температуры в молодой Земле можно определить начальный теплозапас первичной Земли. Он равен 7,12*1037 эрг. Теплозапас Земли на рубеже катархея и архея – 9,29*1037 эрг, к рубежу архея и протерозоя теплозапас Земли вырос до 16,74*1037 эрг. Теплозапас современной Земли меньше – 15.9*1037эрг, поскольку Земля все еще продолжает остывать после архейского перегрева мантии, связанного с формированием земного ядра.

В процессе разогревания Земли в катархее и архее увеличение ее теплозапаса происходило пропорционально количеству выделяемой в земных недрах энергии, а при ее охлаждении после архея - по экспоненциальному закону остывания нагретых тел. В этом случае теплопотери Земли
находятся вычитанием полного приращения ее теплозапаса из значений суммарной энергии, выделившейся в земных недрах к данному моменту времени.

Расчеты показывают, что на ранних этапах существования Земли в ее энергетике доминировала приливная энергия, а начиная с архея – только гравитационная. Радиогенная же энергия, особенно рассеиваемая в мантии, никогда не определяла энергетического режима развития Земли.

Суммарная генерация энергии в катархее приблизительно равнялась 3,2*1037 эрг, теплопотери - около 1,03*1037 эрг, теплозапас возрос на 2,17*1037 эрг (с 7,12*1037 эрг при образовании Земли до 9,29*1037 эрг, около 4,0 млрд лет назад).

В архейскую эру наибольшей тектонической активности Земли в ее мантии выделилось около 14,15*1037 эрг тепловой энергии. Из этой энергии большая часть 7,45*1037 эрг ушла на дополнительный разогрев Земли, а 6,7*1037 эрг излучилось в космическое пространство. К концу архея теплозапас Земли увеличился до 16,74*1037 эрг. При этом наиболее интенсивно энергетические процессы развивались в позднем архее, генерация эндогенной энергии с наибольшей скоростью, достигавшей 88,85*1020 эрг/с и превышавшей почти в 28,5 раза современный уровень, происходила около 2,6 млрд лет назад, когда завершался процесс образования земного ядра. Излучение глубинного тепла достигло 48,33*1020 эрг/с, что более чем в 14 раз превышало суммарный глубинный тепловой поток современной мантии: 3,39*1020 эрг/с.

В протерозое и фанерозое эндогенные энергетические процессы протекали уже спокойно. Так, за все это время, начиная с 2600 Ма и до наших дней, в недрах Земли (без учета радиогенной энергии, генерировавшейся в континентальной коре) выделилось около 4,85*1037 эрг тепла от основных источниковглубинной энергии и около 0,84*1037 эрг за счет дополнительного послеархейского остывания Земли, а всего 5,69*1037 эрг. Вся эта энергия была потеряна с тепловым излучением Земли, которое в начале раннего протерозоя достигало 10,33*1020 эрг/с, т.е.
более чем в три раза превышало современный уровень.


http://www.evolbiol.ru/sorohtin07.pdf