8.1.1. Виды теплопереноса
Теплоперенос – это часть общей проблемы физических полей, рассмотренных Вами в курсе физики. Применительно к данному разделу геологии следует различать кондуктивную теплопередачу, конвективный теплоперенос и тепловое излучение.
Кондуктивная теплопередача.
Основным механизмом перераспределения тепла в Земной коре многие считают кондуктивную теплопроводность горных пород. Здесь происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов, электронов) с большей энергией к частицам с меньшей энергией.
Количественный показатель – коэффициент теплопроводности (λ) – количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади поперечного сечения при перепаде температуры на 10С, на единицу длины. Изменяется от 0,1 до 26,5·10-3 кал/см·с0. Повышенные значения наблюдаются у изверженных по сравнению с осадочными и у древних по сравнению с молодыми горными породами. К параметрам, характеризующим тепловой поток из недр Земли относятся геотермический градиент, геотермическая ступень и плотность теплового потока (Г, G, q)
где, ε – удельное тепловое сопротивление пород (м/час с/ккал).
Распределение теплового потока на Земле неравномерно. Низкие – для древнескладчатых и щитов, высокие – для молодых альпийских структур и районов современного вулканизма.
Конвективный теплоперенос.
Агентами его являются подземные воды, пароводяная смесь и магматические расплавы. Экспериментальные данные показали, что количество тепла, выносимого подземными водами, не только соизмеримо с кондуктивным (молекулярным тепловым потоком), но и иногда выше его. Наиболее активно эти процессы протекают в верхней части разреза континентальной коры (до 3-5 км), где подземные воды перемещаются в виде фильтрационного потока и осуществляется гидрологический круговорот воды. В более глубоких горизонтах преобладает диффузия, а конвективный перенос уменьшается. А вот в глубоких тектонически активных зонах, где Н2О – пар, роль конвекции снова возрастает.
Н.А. Огильви дал математическое обоснование теплового эффекта при восходящем (нисходящем) движении подземных вод.
где, Гн – геотермический градиент на глубине Н;
Гн=0 – начальный Г при Н=О;
V – скорость фильтрации ( «+» при восходящем, «- » - при нисходящем движении);
λ – теплопроводность пород.
с – теплоемкость
L – длина пути фильтрации
ρ - плотность
Проникновение метеорных вод с низкой температурой вглубь Земли приводит к их постепенному нагреванию. При восходящем движении подземных вод или их фильтрации по пласту часть тепла теряется на теплообмен вод и пород. Тепловыми эффектами сопровождаются также различные физико-механические, биохимические и другие процессы в гидрогеологической системе (например дроссельный эффект при газообразовании). Поэтому на поверхность Земли поступают воды нагретые, т.е. можно говорить о выносе тепла с подземными водами.
Вообще тепловой баланс в гидрогеологии рассматривается в связи с водным балансом, что выражается специальными уравнениями, где испарение и сток рассчитываются по радиационному балансу с учетом скрытой теплоты испарения и атмосферных осадков.
Н.М. Фролов (1976) предложил формулу, которая базируется на значении модуля подземного стока (Мподз.) и Г для конкретных площадей
д = 0,3 Г (h -2500) Мподз Со
где, h – мощность зоны (слоя) подземного стока
2500 – поправка на безградиентную зону,
Со – удельная теплоемкость воды
По этой формуле он получил среднее количество тепла для территории СНГ д =0,24 мк кал/см2·с.
При оценке выноса тепла с подземными водами следует учитывать и вынужденную конвекцию, т.е. дополнительное поступление тепла при вскрытии глубинных термальных вод буровыми скважинами. В отдельных случаях она может быть значительной. Например, на Камчатке суммарный вынос тепла опытными скважинами в 2,5 раза выше естественных конвективных теплопотерь.
Тепловое излучение.
Энергетика всех видов излучений, как Вам известно из курса физики (физические поля) проявляется комплексно (тепловое, электрическое, электромагнитное, волновое и др.). С позиций классической теории излучения, простейшим его источником являются два связанных друг с другом колеблющихся, равных по величине, разноименных заряда, образующих диполь с переменным моментом.
С позиций квантовой теории процесс излучения реализуется в виде испускания – поглощения кванта излучения – фотона. Фотон всегда выступает как единое целое, т.е. испускается и поглощается «целиком», имеет определенную энергию, т.е. обладает рядом корпускулярных свойств.
В то же время в отличие от обычных классических частиц протон имеет и волновые черты. Такая двойственность фотона представляет собой частное проявление корпускулярно - волнового дуализма, открытого в 20-х годах XX века де Бройлем.
Этот вид переноса изучен менее других но, по-видимому, играет большую роль в формировании информационного поля.