Энергетический баланс Земли

Тектоническая активность Земли полностью определяется только развивающимися в её мантии энергетическими процессами. Влиянием же на тектоническую активность 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 после её образования тектонической активностью, определяется простым соотношением: глубинные теплопотери Земли & равны суммарной скорости генерации в мантии гравитационной, радиогенной и приливной энергии & за вычетом скорости изменения теплового запаса Земли &. В случае теплового равновесия теплозапас Земли & остаётся постоянным и скорость его изменения равна нулю; при разогреве Земли её теплозапас возрастает, а при остывании, наоборот, снижается. В этом случае энергетический баланс Земли можно выразить простыми соотношениями: в интегральной форме



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 Q = 3,39×10²⁰ эрг/с. Они складываются из суммарной генерации в мантии гравитационной, радиогенной и приливной энергии E& и возможной добавки за счёт изменения теплозапаса Земли W&, т.е. происходящего сейчас дополнительного разогрева или, наоборот, остывания земных недр. Возможная поправка за изменение теплозапаса Земли невелика, и в первом приближении можно положить её равной нулю. Однако, учитывая приведённые выше 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 E& = 3,39×10²⁰ эрг/с, удаётся определить, что поправка за современное изменение теплозапаса Земли равна E& = −0,27×10²⁰ эрг/с. Это значит, что после архейского перегрева верхней мантии, о чём уже говорилось выше, Земля все ещё продолжала слабо остывать. Учитывая это, теперь можно определить и суммарную генерацию энергии в глубинных недрах — она достигает E&= 3,12×10²⁰ эрг/с.

Из трёх главных энергетических процессов, рассмотренных выше, два (распад радиоактивных элементов и приливные взаимодействия с Луной) позволяют в рамках принятых моделей непосредственно определять их вклад в энергетику Земли как по суммарной энергии, так и по скорости её генерации в течение всей истории развития Земли (рис. 53). Современные значения скорости генерации в мантии радиогенной и приливной энергии, соответственно равны 0,34×10²⁰ и 0,02×10²⁰ эрг/с. Тогда по условию энергетического баланса находим, что генерация энергии гравитационной дифференциации Земли, в пересчёте на тепло приблизительно равна 2,76×10²⁰ эрг/с.

Помимо дифференциального условия энергетического баланса Земли можно сформулировать и её интегральную форму: суммарные теплопотери Земли равны суммарной генерации энергии в её недрах за вычетом полного приращения теплозапаса Земли от момента её образования (18). Рассчитать выделение энергии в Земле по принятым моделям её генерации несложно. По распределениям плотности и температуры в молодой Земле (см. табл. 4) можно определить начальный теплозапас первичной Земли. Он оказался равным 7,12×10³⁷ эрг. Учитывая теперь генерацию радиогенной и приливной энергии в катархее, удаётся также рассчитать теплозапас Земли на рубеже катархея и архея — 9,29×10³⁷ эрг. По распределениям плотности в Земле в конце архея (см. рис. 41) с учётом суммарной эндогенной энергии, выделившейся в архее, возможно также определить, что к рубежу архея и протерозоя теплозапас Земли вырос до 16,74×10³⁷ эрг. Теплозапас современной Земли, судя по данным, приведённым в табл. 2, оказался несколько меньшим — 15,9×10³⁷ эрг, поскольку Земля, как уже отмечалось выше, все ещё продолжает остывать после архейского перегрева мантии, связанного с катастрофическим событием формирования земного ядра.

Таблица 4. Распределения плотности, температуры, давления и ускорения силы тяжести в молодой Земле
При расчёте распределений плотности, ускорения силы тяжести и давления использовалось значение массы Земли М = 5,977×10²⁷ г, при этом безразмерный момент инерции сферической Земли J оказался равным 0,374.

Глубина, км	Плотность, г/см3	Температура, К	Давление, кбар	Ускорение силы тяжести, см/с2
0	3,92	260	0	985
200	4,21	1 147	82	980
400	4,51	1 385	168	973
400	4,63	—	—	—
600	4,89	1 457	261	986
670	4,98	1 294	285	955
670	5,14	—	—	—
800	5,24	1 433	358	941
1 000	5,38	1 411	456	921
1 200	5,50	1 400	556	898
1 400	5,62	1 393	656	874
1 600	5,73	1 387	754	848
1 800	5,83	1 384	852	821
2 000	5,94	1 381	948	793
2 200	6,06	1 379	1 042	764
2 400	6,17	1 378	1 133	734
2 600	6,27	1 377	1 223	703
2 800	6,36	1 376	1 309	670
3 000	6,46	1 375	1 393	638
3 400	6,63	1 373	1 548	569
3 800	6,78	1 371	1 688	498
4 200	6,91	1 369	1 810	425
4 600	7,0	1 367	1 912	350
5 000	7,06	1 365	1 995	273
5 400	7,12	1 363	2 057	196
5 800	7,16	1 361	2 097	119
6 200	7,18	1 359	2 116	52
6 360	7,18	1 358	2 116	0

Таблица 2. Распределения плотности, температуры, давления и ускорения силы тяжести в современной Земле
При расчёте распределений плотности, ускорения силы тяжести и давления использовались основные параметры: масса Земли М = 5,9771×10²⁷ г и безразмерный момент инерции сферической Земли J = 0,33053.

Глубина, км	Плотность, г/см3	Температура, К	Давление, кбар	Ускорение силы тяжести, см/с2	Глубина, км	Плотность, г/см3	Температура, К	Давление, кбар	Ускорение силы тяжести, см/с2
0	2,85	288	0	981	2886	5,60	3130	1384	1067
200	3,30	1770	65,5	990	2886	9,92	—	—	—
430	3,60	1940	138	997	3000	10,06	3310	1503	1041
430	3,82	2010	—	—	3400	10,60	3880	1909	945
600	4,09	2130	218,6	1000	3800	11,06	4400	2287	841
670	4,16	2170	247,2	1001	4200	11,43	4870	2628	732
670	4,37	2110	—	—	4600	11,72	5280	2926	622
800	4,49	2170	305,7	1000	5000	11,97	5620	3175	517
1000	4,61	2260	397,7	996	5120	12,04	5710	3242	490
1200	4,72	2360	491,7	994	5120	13,00	—	—	—
1400	4,83	2450	587,8	993	5400	13,10	5890	3382	386
1600	4,94	2540	686	993	5800	13,23	6060	3518	227
1800	5,04	2640	786,3	995	6000	13,27	6110	3559	155
2200	5,25	2820	994,9	1006	6200	13,29	6140	3580	68
2600	5,45	3010	1216,2	1033	6371	13,29	6140	3583	0

В первом приближении можно принять, что в процессе разогревания Земли в катархее и архее увеличение её теплозапаса происходило пропорционально количеству выделяемой в земных недрах энергии, а при её охлаждении после архея — по экспоненциальному закону остывания нагретых тел. В этом случае теплопотери Земли легко находятся вычитанием полного приращения её теплозапаса из значений суммарной энергии, выделившейся в земных недрах к данному моменту времени. Результаты такого расчёта приведены на рис. 54, а на рис. 55 изображены кривые дифференциальной формы энергетического баланса Земли.





Как видно из приведённых графиков, на ранних этапах существования Земли в её энергетике явно доминировала приливная энергия, а начиная с архея — только гравитационная. Радиогенная же энергия, особенно рассеиваемая в мантии, вопреки широко распространённому мнению, практически никогда не определяла энергетического режима развития Земли. Это очень важный вывод теоретической геологии, и с ним теперь не считаться уже нельзя. Суммарная генерация энергии в катархее приблизительно равнялась 3,2×10³⁷ эрг, теплопотери Земли в это же время были сравнительно низкими — около 1,03×10³⁷ эрг, тогда как теплозапас Земли за катархей 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 её мантии выделилось около 14,15×10³⁷ эрг тепловой энергии. Из этой энергии несколько 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, когда экваториальный кольцевой пояс тектонической активности Земли уже расширился до умеренных и даже до высоких широт. Генерация эндогенной энергии с наибольшей скоростью, достигавшей 88,85×10²⁰ эрг/с и превышавшей почти в 28,5 раза современный уровень генерации этой энергии, происходила около 2,6 млрд лет назад, когда завершался процесс образования земного ядра. Отметим здесь же, что всплеск приливно-лунной энергии в начале архея в основном рассеивался в мелководных раннеархейских морских бассейнах и поэтому он слабо влиял на эндогенное энерговыделение. Излучение глубинного тепла Землёй в конце архея около 2,7 млрд лет назад достигло 48,33×10² эрг/с, что более чем в 14 раз превышало суммарный глубинный тепловой поток, поступающий на поверхность из современной мантии: 3,39×10²⁰ эрг/с.

В протерозое и фанерозое эндогенные энергетические процессы протекали уже существенно более спокойно. Так, за все это время, начиная с 2,6×10⁹ лет назад и до наших дней, в недрах Земли (без учёта радиогенной энергии, генерировавшейся в континентальной коре) выделилось около 4,85×10³⁷ эрг тепла от основных источников глубинной энергии и около 0,84×10³⁷ эрг за счёт 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 (3,39×10²⁰ эрг/с).