ТЕПЛОВЕ І РАДІАЦІЙНЕ ПОЛЯ ЗЕМЛІ

             Загальна характеристика теплового поля Землі.

Теорія теплового поля побудована на основі спостережень і встановлення зв’язків з іншими фізичними полями Землі.

Джерелами теплового поля Землі є процеси, що протікають в її надрах, і теплова енергія Сонця. Одним з головних джерел сучасної теплової енергії в надрах Землі вчені вважають радіоактивний розпад ізотопів хімічних елементів. Температура в надрах Землі збільшується із зростанням глибини. При цьому вплив сонячної енергії практично вже відсутній, а енергія надр Землі зростає. Можна згадати про велику кількість підземних печер, в яких температура залишається сталою і не залежить ні від пори року, ні від інших чинників.

До внутрішніх джерел теплового поля можна віднести радіоактивне тепло, яке утворюється внаслідок розпаду розсіяних в гірських породах ізотопів урану, торію і інших радіоактивних елементів і тепло, обумовлене різними процесами, які протікають в Землі (плавленням, хімічними реакціями з виділенням і поглинанням тепла, деформацією за рахунок припливів під дією Місяця і Сонця і деякими іншими). Теплова енергія цих джерел, яка звільняється із земної поверхні, значно більша за енергії тектонічних, сейсмічних процесів.

Всі живі організми на Землі відчувають теплове поле: люди, тварини, рослинний світ. Спостерігати дію теплового поля можна під час вулканічних вивержень. Гейзери з високими температурами води також ілюструють  дане поле. Людство ще не вирішило завдання використання енергії земних надр, адже це є дуже перспективний шлях отримання величезної енергії, прихованої в Землі. В даний час це тепло могло би розв’язати проблему нестачі енергії і могло би стати одним з напрямів розвитку енергетики багатьох країн.

Внутрішнє теплове поле характеризується певною стабільністю. Воно не впливає на температуру поблизу земної поверхні або клімат, оскільки енергія, що потрапляє на земну поверхню від Сонця, в 1000 разів більша, ніж з земних надр.

                 Зовнішні і внутрішні джерела тепла.

Тепловий стан земної поверхні формується за рахунок зовнішніх і внутрішніх джерел тепла. Наявність цих двох різних за походженням потоків енергії складає важливу рису географічної оболонки Землі. На поверхні планети екзогенний (зовнішній) потік енергії приблизно в 5000 разів перевищує ендогенний (внутрішній). На його рахунок можна віднести 99,5% всього тепла, яке поступає в поверхневий шар Землі.

Екзогенний потік енергії складається в основному з електромагнітного випромінювання Сонця – сонячної радіації. Потрапляючи на Землю, сонячна радіація майже повністю перетворюється в тепло. Певну кількість теплової енергії земна поверхня отримує від зір і планет (за рахунок космічних променів високих енергій). Але ця частка енергії приблизно в 30 млн. разів є менша від енергії, що надходить від Сонця.

Загальна кількість енергії, що випромінюється Сонцем, величезна. За підрахунками вчених вона становить 3,83*10^26 Вт. З цієї кількості тільки 1,74*10^17 Вт потрапляє на Землю. Потік сонячної радіації на верхній межі атмосфери, тобто перед тим, як радіація піддасться частковому поглинанню і розсіянню в атмосфері, називають сонячною сталою. Згідно з сучасними вимірюваннями, з використанням ракетних і супутникових пристроїв, сонячна постійна І=1,352кВт/м² . Це означає, що на верхній межі атмосфери кожен квадратний метр поверхні кожної секунди отримує 1352 Дж  енергії Сонця.

Сонячне випромінювання, перш ніж дійти до земної поверхні, зазнає в атмосфері ряд змін. Частина випромінювання розсіюється молекулами повітря і аерозолями, що містяться в повітрі.

В середньому на кожний квадратний метр земної поверхні припадає за рік 4,27*10^16  Дж, що дорівнює спалюванню 400 тис. т. кам’яного вугілля. Всі існуючі на Землі запаси вугілля еквівалентні 30-річній кількості сонячної енергії, що потрапляє на Землю. Менше ніж за 1,5 доби Сонце віддає Землі стільки ж енергії, скільки всі електростанції світу за рік.

Кількість сонячної радіації, яка попадає на земну поверхню, залежить від географічної широти місцевості, пори року, хмарності і прозорості атмосфери.

Земною поверхнею поглинається тільки частина сонячного випромінювання. Друга її частина відбивається. Частина поглинутого випромінювання залежить від відбивної здатності поверхні.  

До внутрішньоземних джерел теплового поля відносять тепло, яке утворюється за рахунок гравітаційної енергії, яка виділяється при переміщенні глибинної речовини в земне ядро, в процесі розпаду радіоактивних елементів, адіабатичного стиску Землі і хімічних реакцій в гірських породах. Важливим джерелом тепла є енергія земних припливів, тобто деформацій Землі, що проходять в більшості випадків вздовж розломів під дією притягання Місяця і Сонця. Зі всіх перерахованих джерел до головних відносять тепло гравітаційної енергії розшарування глибинної речовини (за рахунок зростання частки Fe в ядрі) і радіоактивне тепло. Згідно з сучасними дослідженнями, процеси гравітаційного розшарування глибинної речовини і дають основну кількість тепла, яка визначає теплове поле нашої планети. 

Кількість тепла, яке виділяється при розпаді радіоактивних елементів досить велика. Так, 1 грам урану генерує на протязі року 3,1 Дж тепла, 1 грам торію – 0,84 Дж. Значно менше тепла виділяється при розпаді радіоактивного калію. І хоч калій виділяє мало тепла при природному розпаді, він досить розповсюджений в верхніх шарах Землі, тому його радіоактивність відіграє важливу роль в «підігріві» земної кори.

Всі гірські породи Землі містять радіоактивні елементи, але розміщені вони так, що головні (уран, торій і калій) дають найбільш вагомий термічний ефект дуже нерівномірно. Дослідження показали, що в період ранньої історії Землі основні радіоактивні елементи розміщувалися в верхніх шарах земної кулі.

Порівняння вмісту радіоактивних елементів на різних глибинах свідчить про те, що найбільших значень їхня концентрація досягає в земній корі, де уран, торій і калій містяться в верхніх шарах, і з глибиною кількість їх зменшується.

Зі всіх видів теплопередачі (випромінювання, конвекції, переносу тепла водою) найбільшу роль в земній корі відіграє молекулярна теплопровідність. Молекулярна теплопровідність здійснюється шляхом передачі тепла від одної твердої частинки до іншої в місцях їх контактів.

 Космічна радіація

Радіаційний фон від космічних променів дає половину всього опромінення, яке отримує населення від природних джерел радіації. Космічні промені – це високоенергетичні потоки (90%), альфа-частинки (9%), нейтрони, фотони, електрони і ядра легких елементів (1%). Однак, планета Земля, яка входить в Сонячну систему, має свої захисні механізми від радіаційних впливів, інакше життя на Землі було б неможливе.

На відстані від одного до восьми земних радіусів космічні частинки відхиляються магнітним полем Землі. Магнітне поле Землі створює потужний захист для людства від космічної радіації, хоч деяка кількість високоенергетичних частинок проходить крізь магнітне поле і досягає верхніх шарів атмосфери. Деякі з них проникають через всю атмосферу і досягають поверхні Землі. Більшість зазнають зіткнення з атомами азоту, кисню, взаємодіють з ядрами цих атомів, розбивають їх, народжуючи багато нових частинок, які утворюють вторинне космічне випромінювання.

Захиститися від цього випромінювання неможливо. Але одні ділянки земної поверхні відчувають більший вплив космічної радіації, ніж інші. Південний і Північний полюси отримують більше опромінення, ніж екваторіальні області, тому що вплив магнітного поля Землі тут менший. Рівень опромінення зростає з висотою, оскільки тоншим стає шар повітря, який відіграє захисну роль.

Заряджені частинки, потрапляючи в магнітне поле Землі, утворюють радіаційні пояси. Виходу заряджених частинок з радіаційних поясів Землі заважає особлива конфігурація напряму ліній магнітної напруженості. Радіаційні пояси Землі є серйозною небезпекою для екіпажів космічних кораблів при польотах у навколоземному просторі, якщо їх орбіта проходить через ділянку радіаційних поясів. Довготривале перебування космічних кораблів в радіаційному поясі приводить до опромінення екіпажів, виходу з ладу оптичних приладів і сонячних батарей, які знаходяться на кораблі. В зв’язку з цим проводяться дослідження за допомогою супутників, спеціальних зондів з визначення координат радіаційних поясів Землі, а також розраховуються орбіти космічних кораблів.

Земна радіація

В основному земна радіація створюється сімейством радіоактивних елементів – урану, торію і актинію. Ці радіоактивні елементи нестабільні і в результаті фізичних перетворень їхній перехід в стабільний стан супроводжується виділенням енергії або іонізуючим випромінюванням.

Головними джерелами земної радіації є радіоактивні елементи, що містяться в гірських породах, які утворилися в результаті геофізичних процесів. Найбільша концентрація радіоактивних елементів міститься в гранітних породах і вулканічних утвореннях. Середня концентрація радіоактивних ізотопів К-40, Ra-226, Th-232 коливається в них від 102 до 103 Бк/кг. На протязі еволюційних процесів радіоізотопи мігрують, беручи участь в геохімічних процесах навколишнього середовища. В результаті з’єднання зі стабільними елементами вони потрапляють в живі організми, створюючи природну радіоактивність мешканців Землі. Рівні земної радіації неоднакові і залежать від концентрації радіонуклідів в тій чи іншій ділянці земної кори. Природні джерела радіоактивності в малих кількостях містяться в будь-якому ґрунті. Більша їхня кількість є в гранітних породах і глиноземах.

Половину річної індивідуальної дози опромінення від земних джерел радіації людина отримує від невидимого важкого газу радону. В природі радон зустрічається в двох основних формах: радон-222, член радіоактивного ряду, утвореного продуктами розпаду U-238, і радон-220, член радіоактивного ряду Th-232.

Основну частину дози опромінення від радону людина може отримати, коли знаходиться в закритому, не провітрюваному приміщенні, де наявна його підвищена концентрація. Радон може проникати крізь тріщини в фундаменті, через підлоги з поверхні Землі і назбирується в підвалах, на нижніх поверхах будівель, створюючи там підвищену радіацію. Тому важливе значення мають заходи зі зменшення концентрації радону: штукатурка швів, тріщин в фундаментах будівель, відмова від будівельних матеріалів, які містять радон, провітрювання приміщень нижніх поверхів і ванних кімнат.