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Perfil de temperatura del interior de la Tierra, vista esquemática ( estimada ).

El gradiente geotérmico es la tasa de cambio de temperatura con respecto al aumento de la profundidad en el interior de la Tierra . Como regla general, la temperatura de la corteza aumenta con la profundidad debido al flujo de calor del manto mucho más caliente ; lejos de los límites de las placas tectónicas, la temperatura aumenta en aproximadamente 25–30 ° C / km (72–87 ° F / mi) de profundidad cerca de la superficie en la mayor parte del mundo. [1] Sin embargo, en algunos casos la temperatura puede descender al aumentar la profundidad, especialmente cerca de la superficie, un fenómeno conocido como gradiente geotérmico inverso o negativo . En sentido estricto, geo -thermal se refiere necesariamente a la Tierra, pero el concepto puede ser aplicado a otros planetas.

El calor interno de la Tierra proviene de una combinación de calor residual de acreción planetaria , calor producido a través de la desintegración radiactiva , calor latente de la cristalización del núcleo y posiblemente calor de otras fuentes. Los principales isótopos productores de calor en la Tierra son el potasio-40 , el uranio-238 , el uranio-235 y el torio-232 . [2] En el centro del planeta, la temperatura puede ser de hasta 7.000 K (6.730 ° C; 12.140 ° F) y la presión podría alcanzar los 360  GPa (3,6 millones de atm). [3] Debido a que gran parte del calor proviene de la desintegración radiactiva, los científicos creen que al principio de la historia de la Tierra, antes de los isótopos con cortoSi se hubieran agotado las vidas medias , la producción de calor de la Tierra habría sido mucho mayor. La producción de calor fue el doble que la actual hace aproximadamente 3 mil millones de años, [4] lo que resultó en gradientes de temperatura más grandes dentro de la Tierra, mayores tasas de convección del manto y tectónica de placas , lo que permitió la producción de rocas ígneas como komatiitas que ya no son formado. [5]

La parte superior del gradiente geotérmico está influenciada por la temperatura atmosférica . Las capas superiores del planeta sólido están a la temperatura producida por el clima local, decayendo aproximadamente a la temperatura media anual (MATT) a poca profundidad; [6] [7] [8] es esta profundidad la que se utiliza para muchas bombas de calor de fuente terrestre , a veces referidas libremente como "bombas de calor geotérmicas" por la gente común. [9] Los cientos de metros superiores reflejan el cambio climático pasado; [10] descendiendo más, el calor aumenta constantemente a medida que las fuentes de calor interiores comienzan a dominar.

Fuentes de calor [ editar ]

Corte de la Tierra desde el núcleo hasta la exosfera
Perforadora geotérmica en Wisconsin, EE. UU.

La temperatura dentro de la Tierra aumenta con la profundidad. En los márgenes de las placas tectónicas se encuentran rocas muy viscosas o parcialmente fundidas a temperaturas entre 650 a 1200 ° C (1200 a 2200 ° F), lo que aumenta el gradiente geotérmico en la vecindad, pero se postula que solo el núcleo externo existe en una masa fundida. o estado fluido, y la temperatura en el límite del núcleo interno / externo de la Tierra, alrededor de 3500 kilómetros (2200 millas) de profundidad, se estima en 5650 ± 600 Kelvin . [11] [12] El contenido de calor de la Tierra es de 10 31 julios . [1]

  • Gran parte del calor se crea por la desintegración de elementos radiactivos naturales. Se estima que entre el 45 y el 90 por ciento del calor que se escapa de la Tierra se origina en la desintegración radiactiva de elementos ubicados principalmente en el manto. [4] [13] [14]
  • Energía potencial gravitacional que se puede dividir en:
    • Liberación durante la acreción de la Tierra.
    • Calor liberado durante la diferenciación , cuando abundantes metales pesados ( hierro , níquel , cobre ) descendieron al núcleo de la Tierra.
  • Calor latente liberado cuando el núcleo externo líquido cristaliza en el límite interno del núcleo .
  • El calor puede ser generado por las fuerzas de las mareas en la Tierra a medida que gira (conservación del momento angular). Las mareas terrestres resultantes disipan energía en el interior de la Tierra en forma de calor.
  • No hay ciencia acreditada que sugiera que el campo magnético de la Tierra pueda crear un calor significativo , como sugieren algunas teorías populares contemporáneas.
El calor radiogénico de la desintegración de 238 U y 232 Th son ahora los principales contribuyentes al balance de calor interno de la Tierra .

En la corteza continental de la Tierra, la desintegración de los isótopos radiactivos naturales hace una contribución significativa a la producción de calor geotérmico. La corteza continental es abundante en minerales de menor densidad, pero también contiene concentraciones significativas de minerales litofílicos más pesados como el uranio. Debido a esto, contiene el depósito global más concentrado de elementos radiactivos que se encuentra en la Tierra. [15] Los isótopos naturales se enriquecen en el granito y las rocas basálticas, especialmente en las capas más cercanas a la superficie de la Tierra. [dieciséis]Estos altos niveles de elementos radiactivos se excluyen en gran medida del manto de la Tierra debido a su incapacidad para sustituir los minerales del manto y el consiguiente enriquecimiento de las masas fundidas durante los procesos de fusión del manto. El manto está compuesto principalmente de minerales de alta densidad con concentraciones más altas de elementos que tienen radios atómicos relativamente pequeños, como magnesio (Mg), titanio (Ti) y calcio (Ca). [15]

El gradiente geotérmico es más pronunciado en la litosfera que en el manto porque el manto transporta calor principalmente por convección, lo que lleva a un gradiente geotérmico que está determinado por el manto adiabático, más que por los procesos conductivos de transferencia de calor que predominan en la litosfera, que actúa. como capa límite térmica del manto convectivo. [ cita requerida ]

Flujo de calor [ editar ]

El calor fluye constantemente desde sus fuentes dentro de la Tierra hacia la superficie. La pérdida total de calor de la Tierra se estima en 44,2 TW ( 4,42 × 10 13 Watts ). [18] El flujo de calor medio es de 65 mW / m 2 sobre la corteza continental y 101 mW / m 2 sobre la corteza oceánica . [18] Esto es de 0,087 vatios / metro cuadrado en promedio (0,03 por ciento de la energía solar absorbida por la Tierra [19] ), pero está mucho más concentrado en áreas donde la litosfera es delgada, como a lo largo de las dorsales oceánicas (donde nuevos océanos se crea la litosfera) y cerca de las plumas del manto . [20] Corteza terrestreactúa eficazmente como una manta aislante gruesa que debe ser perforada por conductos de fluido (de magma, agua u otros) para liberar el calor que se encuentra debajo. Una mayor parte del calor en la Tierra se pierde a través de la tectónica de placas, por el afloramiento del manto asociado con las dorsales oceánicas. Otro modo importante de pérdida de calor es por conducción a través de la litosfera , la mayoría de la cual ocurre en los océanos debido a que la corteza es mucho más delgada y más joven que debajo de los continentes. [18] [21]

El calor de la Tierra se repone mediante la desintegración radiactiva a una velocidad de 30 TW. [22] Las tasas de flujo geotérmico global son más del doble de la tasa de consumo de energía humana de todas las fuentes primarias. Los datos globales sobre la densidad del flujo de calor son recopilados y compilados por la Comisión Internacional de Flujo de Calor (IHFC) de IASPEI / IUGG . [23]

Aplicación directa [ editar ]

El calor del interior de la Tierra se puede utilizar como fuente de energía, conocida como energía geotérmica.. El gradiente geotérmico se ha utilizado para la calefacción y el baño desde la época romana antigua y, más recientemente, para generar electricidad. A medida que la población humana continúa creciendo, también lo hace el uso de energía y los impactos ambientales correlativos que son consistentes con las fuentes primarias mundiales de energía. Esto ha provocado un interés creciente por encontrar fuentes de energía renovables y que reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero. En áreas de alta densidad de energía geotérmica, la tecnología actual permite la generación de energía eléctrica debido a las altas temperaturas correspondientes. La generación de energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos no requiere combustible y, al mismo tiempo, proporciona energía de carga base real a una tasa de confiabilidad que supera constantemente el 90%. [15]Para extraer energía geotérmica, es necesario transferir calor de manera eficiente desde un reservorio geotérmico a una planta de energía, donde la energía eléctrica se convierte a partir del calor haciendo pasar vapor a través de una turbina conectada a un generador. [15] A escala mundial, el calor almacenado en el interior de la Tierra proporciona una energía que todavía se considera una fuente exótica. Aproximadamente 10 GW de capacidad eléctrica geotérmica están instalados en todo el mundo a partir de 2007, generando el 0,3% de la demanda mundial de electricidad. Se instalan 28 GW adicionales de capacidad de calefacción geotérmica directa para calefacción urbana, calefacción de espacios, spas, procesos industriales, desalinización y aplicaciones agrícolas. [1]

Variaciones [ editar ]

El gradiente geotérmico varía con la ubicación y generalmente se mide determinando la temperatura del fondo del pozo abierto después de la perforación del pozo. Sin embargo, los registros de temperatura obtenidos inmediatamente después de la perforación se ven afectados debido a la circulación del fluido de perforación. Para obtener estimaciones precisas de la temperatura del fondo del pozo, es necesario que el pozo alcance una temperatura estable. Esto no siempre se puede lograr por razones prácticas.

En áreas tectónicas estables en los trópicos, un gráfico de temperatura- profundidad convergerá a la temperatura superficial promedio anual. Sin embargo, en áreas donde se desarrolló permafrost profundo durante el Pleistoceno, se puede observar una anomalía de baja temperatura que persiste hasta varios cientos de metros. [24] La anomalía del frío de Suwałki en Polonia ha llevado al reconocimiento de que se registran perturbaciones térmicas similares relacionadas con los cambios climáticos del Pleistoceno- Holoceno en perforaciones en Polonia, así como en Alaska , el norte de Canadá y Siberia..

En áreas de levantamiento y erosión del Holoceno (Fig. 1) el gradiente superficial será alto hasta que alcance un punto de inflexión donde alcance el régimen de flujo de calor estabilizado. Si el gradiente del régimen estabilizado se proyecta por encima del punto de inflexión hasta su intersección con la temperatura promedio anual actual, la altura de esta intersección sobre el nivel de la superficie actual da una medida de la extensión del levantamiento y la erosión del Holoceno. En áreas de hundimiento y deposición del Holoceno (Fig. 2) el gradiente inicial será menor que el promedio hasta que alcance un punto de inflexión donde se una al régimen de flujo de calor estabilizado.

Una variación en la temperatura de la superficie inducida por los cambios climáticos y el ciclo de Milankovitch puede penetrar debajo de la superficie de la Tierra y producir una oscilación en el gradiente geotérmico con períodos que varían de diario a decenas de miles de años y una amplitud que disminuye con la profundidad y que tiene una escala de profundidad. de varios kilómetros. [25] [26] El agua derretida de los casquetes polares que fluye a lo largo del fondo del océano tiende a mantener un gradiente geotérmico constante en toda la superficie de la Tierra. [25]

Si la tasa de aumento de temperatura con la profundidad observada en pozos poco profundos persistiera a mayores profundidades, las temperaturas en las profundidades de la Tierra pronto alcanzarían el punto en el que las rocas se derretirían. Sabemos, sin embargo, que de la Tierra manto es sólido debido a la transmisión de las ondas S . El gradiente de temperatura disminuye drásticamente con la profundidad por dos razones. Primero, el mecanismo de transporte térmico cambia de conducción , como dentro de las placas tectónicas rígidas, a convección , en la porción del manto de la Tierra que se convence. A pesar de su solidez , la mayor parte del manto de la Tierra se comporta en escalas de tiempo prolongadas como un fluido , y el calor es transportado poradvección o transporte de materiales. En segundo lugar, la producción de calor radiactivo se concentra dentro de la corteza terrestre, y particularmente dentro de la parte superior de la corteza, ya que las concentraciones de uranio , torio y potasio son más altas allí: estos tres elementos son los principales productores de calor radiactivo dentro de la Tierra. . Por lo tanto, el gradiente geotérmico dentro de la mayor parte del manto de la Tierra es del orden de 0,5 kelvin por kilómetro y está determinado por el gradiente adiabático asociado con el material del manto ( peridotita en el manto superior). [27]

Gradiente geotérmico negativo [ editar ]

Los gradientes geotérmicos negativos ocurren donde la temperatura disminuye con la profundidad. Esto ocurre en los pocos cientos de metros superiores cerca de la superficie. Debido a la baja difusividad térmica de las rocas, las temperaturas subterráneas apenas se ven afectadas por las variaciones de temperatura superficial diurnas o incluso anuales. Por tanto, a unos pocos metros de profundidad, las temperaturas subterráneas son similares a la temperatura media anual de la superficie. A mayores profundidades, las temperaturas subterráneas reflejan un promedio a largo plazo sobre el clima pasado, de modo que las temperaturas en las profundidades de decenas a cientos de metros contienen información sobre el clima de los últimos cientos a miles de años. Dependiendo de la ubicación, estas pueden ser más frías que las temperaturas actuales debido al clima más frío cerca de la última edad de hielo., o debido a un cambio climático más reciente. [28] [29] [10]

Los gradientes geotérmicos negativos también pueden ocurrir debido a los acuíferos profundos , donde la transferencia de calor desde aguas profundas por convección y advección da como resultado que el agua a niveles menos profundos calienta las rocas adyacentes a una temperatura más alta que las rocas a un nivel algo más profundo. [30]

Los gradientes geotérmicos negativos también se encuentran a gran escala en las zonas de subducción. [31] Una zona de subducción es un límite de placa tectónica donde la corteza oceánica se hunde en el manto debido a la alta densidad de la placa oceánica en relación con el manto subyacente. Dado que la placa que se hunde entra en el manto a una velocidad de unos pocos centímetros por año, la conducción de calor no puede calentar la placa tan rápido como se hunde. Por lo tanto, la placa que se hunde tiene una temperatura más baja que el manto circundante, lo que resulta en un gradiente geotérmico negativo. [32]

Ver también [ editar ]

  • Gradiente de temperatura
  • Balance de calor interno de la Tierra
  • Energía geotermica
  • Circulación hidrotermal

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b c Fridleifsson, Ingvar B .; Bertani, Ruggero; Huenges, Ernst; Lund, John W .; Ragnarsson, Arni; Rybach, Ladislaus (11 de febrero de 2008). O. Hohmeyer y T. Trittin (ed.). "El posible papel y contribución de la energía geotérmica a la mitigación del cambio climático" (PDF) . Luebeck, Alemania: 59–80. Archivado desde el original (PDF) el 12 de marzo de 2013 . Consultado el 3 de noviembre de 2013 . Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  2. Sanders, Robert (10 de diciembre de 2003). "El potasio radiactivo puede ser una fuente importante de calor en el núcleo de la Tierra" . Noticias de UC Berkeley . Consultado el 28 de febrero de 2007 .
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  6. ^ "Medición y significado de la temperatura del agua subterránea - Asociación Nacional de aguas subterráneas" . Asociación Nacional de Aguas Subterráneas. 23 de agosto de 2015. Archivado desde el original el 23 de agosto de 2015.
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