В 1897 году лорд Кельвин окончательно остановился на оценке в 20–40 миллионов лет для возраста Земли.[Lord Kelvin - Wikipedia].
Имеется в виду остывания Земли до нынешнего состояния.
Воззрения лорда Кельвина не учитывали наличие в недрах Земли других источников тепла, кроме первоначальной температуры 6 тысяч градусов.
---
Поток тепла из недр Земли к поверхности оценивается в 47 ± 2 тераватт (ТВТ) и поступает из двух основных источников, примерно, в равных количествах: радиогенное тепло, образующееся при радиоактивном распаде изотопов в мантии и коре, и первичное тепло, оставшееся от образования Земли.
Хотелось бы отметить, что первичное тепло и тепло от радиоактивного распада не могут быть в равных количествах.
Кельвин оценил, что вклада первичного тепла (если бы оно было) хватило бы только на 20-40 млн лет.
Поэтому сегодня поток тепла из недр планеты должны обеспечивать другие источники.
Согласно эволюции Земли (гл.4.6.1) внутри Земля холодная и не содержит первичного тепла. Энергия радиогенного тепла составляет незначительную часть от энергии, потраченной на синтез этих материалов.
Посчитаем количество энергии от агрегации Земли:
Масса Земли M⊕ = 5,9722е24 кг.
Такая масса агрегирует (А⊕) за год
А⊕ = M⊕ * Асм = 5,9722е24 * 9,8е-12 = 58,53е12 кг в год
Здесь Асм = 9,8е-12 кг/год- масса агрегированной материи на 1кг Светлой материи
В статье "Водородная дегазация Земли и образование нефти”, Ларин В.Н., Ларин Н.В. предполагается, что “объем гидросферы сейчас увеличивается каждый год на 632 миллиарда тонн”. Это на порядок больше А⊕.
За секунду А⊕ = 1,856е6 кг в секунду (1 856 т/с)
Переведём агрегацию в количество нейтронов (1 кг = 6,02е26 а.е.м.)
А⊕ = 1,856е6*6,02е26 =11,17е32 нейтрона в секунду
Примерно, 40% нейтронов распадается. Остальные пополняют ядра всех элементов. В тяжёлых ядрах количество нейтронов в 2,5 раза превышает количество протонов.
Энергия распада свободного нейтрона (бета-распада) 0,782343 МэВ. Энергия распределяется в основном между разлетающимися в разные стороны электроном и антинейтрино, а протон уносит от 0 до 751 эВ.
Возьмём для протона среднее значение Ер =375 эВ.
Общий баланс энергии распавшихся нейтронов составит:
E = 0,4* А⊕ * Ер = 1675,5е32 эВ
Поток тепла от этого процесса в ватах (1 эВ=1,6е-19 Вт·с)
Е= 2681е13 Вт·с или 26 810 ТВТ
Это значительно больше фактической оценки в 47 ТВТ.
---
Рассмотрим, как тепло распределяется внутри Земли.
Пик агрегации нейтронов находится в слое, называемом «граница Гутенберга»
Большая часть этой энергии идёт на ядерный синтез.
Для реакций по образованию составного ядра требуется большая кинетическая энергия сталкивающихся частиц, примерно, до 10 МэВ.
Особенно много энергии тратится на синтез тяжёлых элементов. Поэтому, температура от своего пика в границе Гутенберга, падает в сторону внутреннего ядра, куда оседают тяжёлые элементы.
Много энергии тратится на эндотермические реакции, где изменение энтальпии и внутренней энергии имеют положительные значения (Δ H > 0, Δ U > 0), поэтому продукты реакции содержат больше энергии, чем исходные компоненты.
Для осуществления эндотермических реакций необходимо постоянно передавать системе энергию в виде теплоты (Q), электромагнитного излучения, электричества и др.
Примеры эндотермических реакций:
N₂ + O₂ = 2NO - Q
H₂ + I₂ = 2HI - Q
3O₂ = 2O₃ - Q
К эндотермическим реакциям также относятся:
- окислительно-восстановительные реакции (металлов из оксидов)
- электролиз (поглощается энергия электронов)
- электролитическая диссоциация (например, растворение солей в воде)
- ионизация
- разложение карбонатов CaCO₃ = CaO + CO₂ − 1200 кДж
- разложение нитратов и гидроксидов щёлочноземельных металлов.
Энергия тратится и на химические реакции образования соединений. Например, реакция Сабатье:
CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O −165.0 кДж/моль
Эндотермическими являются и реакции:
C+2H₂→CH₄C+2H₂→CH₄
CH₄ + H₂O ⇄CO + 3H₂ - Q
Согласно принципу Ле Шателье, при повышении температуры химическое равновесие системы смещается в сторону эндотермической реакции.
Эндотермические реакции быстро гасят температуру в нижней мантии.
Новый скачок температуры происходит в астеносфере, где давление снижается до уровня, при котором происходит самовозгорание взрывчатых соединений.
В литосфере, часть тепловой энергии расходуется на метаморфизм (например, дегидратация — разложение водосодержащих минералов, декарбонатизация), фазовые переходы или превращается в механическую работу по преодолению сил трения и гравитации поднимающихся газов и флюидов, а также при их расширение, когда они выходят из зон высокого давления в зоны с низким давлением, вплоть до выхода на поверхность.
Согласно измерениям нейтринного потока из недр Земли, на радиоактивный распад долгоживущих радиоактивных изотопов (уран-235 и уран-238, торий-232, калий-40) приходится 24 ТВт внутреннего тепла. Здесь не учитываются нейтрино от распада нейтронов, так как их энергия меньше 1 МэВ и поэтому они не наблюдаются.
Оставшаяся часть энергии, в размере ~23 ТВт, излучается в окружающее пространство в виде потока тепла с поверхности планеты.
---
Следующая глава 4.6.4. Структура Земли с т.з. Агрегации нейтронов