Die Temperatur im Inneren der Erde - - Die Wissenschaften - 2020

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Anonim

Bei einer geringen Tiefe (von 12 bis 40 Fuß) unter der Erdoberfläche ist die Temperatur das ganze Jahr über konstant, und diese konstante Temperatur des Bodens unterscheidet sich wenig von der mittleren Jahrestemperatur der Luft, außer auf Bergen, die mehr als 6.000 Fuß (6000 Fuß) betragen hoch. Der Boden ist im Sommer kühler und im Winter wärmer als die Luft darüber. Aus diesem Grund waren Höhlen die ersten Behausungen von Menschen und Kellern, die immer noch zum Schutz der Nahrungsmittel vor schnellen Temperaturschwankungen genutzt werden. Die Tatsache, dass die Temperatur der Erde mit zunehmender Tiefe unter der Oberfläche ansteigt, wurde zuerst 166 deutlich gemacht:, von Kircher. der seine Daten von ungarischen Bergbauingenieuren erhalten hatte. Die ersten Messungen dieser Temperaturerhöhung wurden von Friesleben, Humboldt, durchgeführt. Saussure und andere zu Beginn des 19. Jahrhunderts. „Wir haben jetzt viele gute Messungen in verschiedenen Ländern. Die Ergebnisse sind jedoch so unterschiedlich, dass es schwierig ist, auf ein allgemeines Gesetz der Temperaturzunahme zu schließen. Einige dieser Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt, die das geothermische Intervall oder die Zunahme der Tiefe, die einem Temperaturanstieg von einem Grad entspricht, sowie den geothermischen Gradienten oder den Bruchteil eines Grads angibt, um den die Temperatur steigt pro Tiefeneinheit. Der geothermische Gradient ist der Kehrwert des geothermischen Intervalls. oder widerlegen Sie diese Theorie und bringen Sie Ordnung in das scheinbare Chaos der beobachteten Ergebnisse. Die anormalen Temperaturgradienten haben wir mathematisch aus den bekannten Gesetzen der Wärmeleitung abgeleitet, wobei die Modifikationen berücksichtigt wurden, die die Konfiguration der Erdoberfläche und die Nähe von Erzadern, Kohleflözen und vulkanischen Magmen in die einfachen Bedingungen einführen präsentiert von den sedimentären und unveränderlichen Gesteinen, die der großen, tief gelegenen Ebene Norddeutschlands zugrunde liegen. Die meisten Steigungen sind anormal, da die meisten Beobachtungen in Tunneln unter Bergen oder in Bergwerken von Kohle oder Metall gemacht wurden. das heißt in der Nähe von Substanzen, die infolge der oxidierenden Wirkung der Luft Wärme erzeugen, entweder gasförmig oder in Wasser gelöst. Die Messungen können nach ihrer Einteilung klassifiziert werden: 1. In unveränderlichen Sedimentgesteinen unter von Bergen und großen Gewässern entfernten Ebenen (Messungen 1-6). 2. In Tunneln unter den Bergen (7-9). 3. In der Nähe großer Gewässer (11-14). 4. In Gebieten der letzten vulkanischen Aktivität (1,5-16). 5. In Kohlebergwerken. Ölfelder und Ablagerungen oxidierbarer Mineralien (17-19). Der erste Gegenstand unserer Untersuchung war rein wissenschaftlich - die Erklärung der beobachteten Tatsachen mit Hilfe möglichst geringer Annahmen. Das zweite Ziel war praktisch: die genaue Prognose der Temperaturen beim Tunneln, die Vorhersage von Vulkanausbrüchen und die Bestimmung der Existenz heißer Lavas in der Nähe der Erdoberfläche. A B 1 C D E F mittleres Intervall. Mittlerer Gradient Platz. Meter pro Grad. C. Füße pro Grad. F. Deg. pro Meter. Deg. P. pro Fuß. Bemerkungen. 1. Paruscbowitz (Schlesien) 2. Berlin 34. 0 3-2.0. 37,7 62 58 6!) 0,0294 0,0313 0,0266 0,016 0,017 0,015 i & ast; Plains in Nord- und Mitteldeutschland; nicht oxidierbare, hauptsächlich Sedimentgesteine. Mittelwert (1 von sieben Stellen in Norddeutschland 354,0 03 0,0290 0,016 39,8 73 0,0253 0,014) 5 La Mouillonge 6. Indien .30,6: -3fi. 7 56 67 0,03326 0,02731 0,018 0,015 1 Plains. Mittelwert für Ebenen, die nicht in Deutschland liegen, viele. 33.3 61 0.0300 0.0165 7.:J an Cenis-Tunnel (Mitte) 8. St. Gotthard-Tunnel: (ai An der Mündung im Tal … (b) In der Mitte am Berg .. (J. Simplontunnel: (a) An der Mündung im Tal. (b) In der Mitte am Berg. 10. Pribram … Mines of Lake Superior: 50,0 29,4 45,5 28,0 48,7. 59,0 42.O 91 54 83; 51 89 107 76 0,020 0,034 0,022 0,035,57 O,0200 0,0170 0 02318 0,011 0,01 0,012 0,020 0,011 0,009 0,013 “1 Wird während des Bohrens von Tunneln unter Bergen gemessen. 55,0 bis (57,0 100 bis 122 0,0182 bis 0,0150 0,010 bis 0,008 In der Nähe großer Seen oder Ozeane. 13. Calumet und Hecla auf der Halbinsel im See 14. Ebenen von Utrecht 122,8 52,0 14,0 224 95 27 0,0081 0,0193 0,068,5 0,004 0,011 0,038 16. Dakota (Vereinigte Staaten) {9,0 bis 12,8 17 bis 23 0,104 bis 0,078 0,0,57 bis 0,043 In der Nähe der letzten vulkanischen Tertiärmagazine. 17. Glasgow (Kohlenfelder) {25,5 bis 7,8 47 bis 14 0,039 bis 0,128 0,021 bis 0,070 18. Anzin (Frankreich) 20,7 bis 15,8 50 bis 28 0 0375 bis 0,0651 0,021 bis 0,0316 I - in Kohle- und Ölfeldern. 19. Pechelbronn 13,9 25 0,0730 0,040 Aus dieser Tabelle geht hervor, dass die Unterschiede zwischen den Werten sehr groß sind. Sind diese Unterschiede auf Fehler oder unerwartete Besonderheiten der verschiedenen Gesteine ​​zurückzuführen oder unterliegt die offensichtliche Unregelmäßigkeit bestimmten Gesetzen? Sie können nicht vollständig auf Messfehler zurückzuführen sein. Für Fehlerursachen wie die vom Bohrer erzeugte Wärme oder Luft- und Wasserströmungen in den Bohrungen könnte sich die Temperatur kaum um mehr als 3 oder 4 Grad ändern. F., die bei einer Tiefe von 2.000 Fuß einen Fehler von nur 7 Prozent im Gradienten und Intervall erzeugen würde. (In Minen jedoch können die Beleuchtung und Belüftung sowie die Motoren und Maschinen Fehler von 30 Prozent oder mehr verursachen.) Viele Geologen führen die große Variation des Temperaturgradienten auf komplexe Unregelmäßigkeiten in der Struktur der Erdkruste zurück. Einige behaupten sogar, dass das Innere der Erde kalt ist und dass die beobachtete Temperaturerhöhung auf lokale und sehr unregelmäßige Wärmeerzeugung zurückzuführen ist. Die meisten Geologen. Nehmen Sie jedoch an, dass das Erdinnere heiß ist, und führen Sie die große Variation der beobachteten Temperaturen und Gradienten auf Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit der Gesteine ​​und auf den Einfluss unterirdischer Wasserläufe zurück. die Anordnung der Schichten. und andere Ursachen, die nicht direkt ermittelt werden können. Dr. Thoma und der Schriftsteller haben sich bemüht zu beweisen. Zum Zwecke unserer Berechnungen ist es gleichgültig, ob die beobachteten Temperaturen auf die Abkühlung eines geschmolzenen Inneren (wie Kant, Laplace, Fourier und Poisson angenommen haben) auf mechanische Einwirkung ( Mallet), zu chemischen und radioaktiven Prozessen (Himstedt) oder zu all diesen kombiniert. Unsere einzige Annahme ist, dass der Mittelwert der Ergebnisse, die in einer von Bergen und großen Gewässern entfernten Region erzielt wurden, den Normalwert darstellt und dass die Fourier'sche Differentialgleichung der Wärmeleitung wahr und anwendbar ist. Wir haben die Steigungen und Temperaturen unter Bergen und Tälern mit den folgenden Ergebnissen berechnet: Entfernung Ol, pd r'alcu'atecj Tunnel. aus dem Mund, Temperatur. Verführerische Reife, Meter. Dell '. C. Grad C. St. Gotthard 700 bis 900 13.S. bis 15 14.9 bis 15 St. Gotthard 3.500 25.9 25.9 St. Gotthard … & 50I0 U.7, 32.1 St. Gotthard 9500 25.3 25.9 Mont Cenis Mitte 29.5 30.4 Simplon Mitte 52.0 49.0 Die Die Übereinstimmung ist so eng, dass es offensichtlich möglich ist, die im Tunnel anzutreffenden Temperaturen für die praktischen Zwecke mit ausreichender Genauigkeit zu berechnen. Das Eintauchen und die Reihenfolge der Schichten wurde mit großer Wirkung bezeichnet, aber unsere Experimente zur Wärmeleitfähigkeit verschiedener nasser Gesteine ​​(alle Alpenschichten sind mit Wasser gesättigt) in verschiedenen Richtungen belegen. dass dieser Effekt sehr gering ist. Die Kühl- oder Heizwirkung von Wasserströmen hängt von dem Ausmaß der Oberfläche ab, die sie waschen. Die Quellen von St. Gotthard sind zu klein und kompakt, um außer in ihrer unmittelbaren Umgebung eine spürbare Wirkung zu haben. Bei großen Wassermassen wird das geothermische Intervall stark vergrößert und der Gradient durch die Leitfähigkeit des Wassers entsprechend verringert. Ein See mit einer Fläche von 400 Quadratmeilen bis zu einer Tiefe von 600 Fuß kann die Hälfte des Gefälles in einer Tiefe von 1.600 Fuß und eine Entfernung von sechs Meilen zum See verringern. Die besten Beispiele für diesen Einfluss von Wasser bieten die Minen des Oberen Sees. Das geothermische Intervall beträgt 76 km bei der Osceola-Mine, fünf Meilen vom See entfernt, 100 bis 122 bei den Minen nahe dem See und 224 bei den Calumet- und Hecla-Minen auf der Halbinsel Keweenaw. Aus den Messungen des Intervalls in den letzten Vulkangebieten, die keine Erze oder Kohle enthalten, kann die Tiefe berechnet werden, bei der geschmolzene Lava auftritt. Aus der Formel für eine ellipsoidische Masse mit einem Durchmesser von mehr als sechs Meilen und dem Temperaturgradienten, der aus Beobachtungen nahe der Oberfläche von Neuffen, in der Nähe eines Tertiärkraters und basaltischen Überläufen abgeleitet wurde, ergibt sich eine Temperatur von etwa 1.500 Grad. F. in einer Tiefe von vier oder fünf Meilen. Unsere Berechnungen deuten auch darauf hin, dass Veränderungen der Aktivität eines Vulkans sich im Temperaturgradienten der Umgebung widerspiegeln müssen und dass drei Beobachtungen der Temperaturen in einer Tiefe von 16 Fuß und 50 Fuß ausreichen sollten, um die Genauigkeit der Temperatur zu bestimmen Ort ar: d Form der unterirdischen Masse von flüssiger Lava. Leider haben wir keine Aufzeichnungen über diesen Charakter. Ich habe einen Apparat entwickelt, der zwischen 75 und 150 Dollar kostet, um die Änderungen in der Masse der Lava durch Variation des geothermischen Intervalls zu registrieren und damit vielleicht vulkanische Eruptionen vorherzusagen. Über Kohlevenen und einigen anderen Mineralien ist der Temperaturgradient hoch, während er unter ihnen bald den Normalwert erreicht. Dieselben Ergebnisse liefert die mathematische Theorie, die auf Ablagerungen von Kugel- oder Ellipsoidform angewendet wird. Wir finden, dass eine sphärische Masse mit einem Radius von J 00 Metern, deren Zentrum 400 Meter unter der Oberfläche liegt, den Temperaturgradienten unmittelbar darüber von 0,0,30 auf 0,050 erhöhen würde, wenn die Wärmeerzeugung in der Masse 3.400 Gramm-Kalorien pro Liter beträgt zweite. Dies entspricht einer jährlichen Verbrennung von 100 Gramm Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffen auf jedem Quadratmeter (ungefähr 3 Unzen pro Quadratyard) der Oberfläche der Masse. Diese Berechnung zeigt, dass keine sehr große Wärmeerzeugung erforderlich ist, um die beobachtete Temperatur erheblich zu verändern. Es ist daher theoretisch möglich, Minen durch Kühlkammern zu kühlen, die unter und neben den Gängen geeignet verteilt sind, wenn die Kammern ausreichend groß und zahlreich und gut isoliert sind, so dass die gesamte Wärme, die sie aufnehmen, dem Gestein entzogen wird Das Innere der Kohle oder des Erzes kann ebenfalls berechnet werden, jedoch unterscheidet sich jeder Fall vom Rest. Aus den vorstehenden Überlegungen ist ersichtlich, dass die anormalen Temperaturgradienten sehr einfach und ohne die Einführung neuer Hypothesen durch die unterschiedliche Erzeugung von Wärme in Kohleflözen, die Nähe von vulkanischen Massen und die Kühlwirkung großer Wasserkörper erklärt werden können . Die mathematische Methode bietet dem Bergbauingenieur und Tunnelbauer dagegen ein sehr wertvolles Mittel, um die Temperaturen von Schächten und Tunneln mit einer gewissen Genauigkeit im Voraus zu berechnen, wenn man etwas über die geologischen Bedingungen weiß. (Übersetzt für Beilage von Umschau) .

Dieser Artikel wurde ursprünglich mit dem Titel "Die Temperatur des Erdinneren" in s, 26242 (März 2013) veröffentlicht.

doi: 10.1038 / scientificamerican05251907-26242asupp