شیب زمین‌گرمایی: گرمای نهفته در اعماق زمین
گرمای درون زمین از کجا می‌آید؟
زمین مانند یک کیک عظیم و داغ است که از لایه‌های مختلف تشکیل شده است. بیشتر گرمای درون زمین از دو منبع اصلی نشأت می‌گیرد:
- گرمای اولیه: این گرما، باقی‌مانده‌ی حرارت بسیار بالایی است که در هنگام تشکیل کره‌ی زمین، حدود 4.5 میلیارد سال پیش، در اثر برخورد و فشرده‌شدن ذرات و اجرام فضایی ایجاد شد. تصور کنید یک گلوله‌ی آهنی داغ را به آرامی سرد کنید؛ سطح آن سرد می‌شود اما درونش هنوز گرم است. زمین نیز چنین وضعیتی دارد.
- واکنش‌های واپاشی پرتوزا۳: در اعماق پوسته و گوشته‌ی زمین، عناصر ناپایداری مانند اورانیم و توریم وجود دارند که به تدریج و در طی میلیون‌ها سال تجزیه می‌شوند. این فرآیند واپاشی، انرژی گرمایی عظیمی تولید می‌کند که دائماً به گرمای درونی زمین می‌افزاید.
این دو منبع حرارتی با هم ترکیب شده و کره‌ی زمین را به یک مخزن گرمایی عظیم تبدیل کرده‌اند.
شیب زمین‌گرمایی به زبان ساده چیست؟
به میزان افزایش دما به ازای افزایش عمق در پوسته‌ی زمین، شیب زمین‌گرمایی می‌گویند. این مفهوم به ما می‌گوید که هر چه بیشتر به درون زمین برویم، دما به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
میانگین جهانی این شیب، حدود 3 درجه سانتی‌گراد به ازای هر 100 متر افزایش عمق است. این یک میانگین است و این عدد در نقاط مختلف جهان می‌تواند کمتر یا بیشتر باشد.
| نوع منطقه | میزان شیب زمین‌گرمایی (درجه سانتی‌گراد بر 100 متر) | توضیح |
|---|---|---|
| مناطق با فعالیت آتشفشانی بالا (مانند ایسلند) | 10 تا 100 | در این مناطق، ماگمای داغ به پوسته بسیار نزدیک است. |
| مناطق با شیب متوسط (میانگین جهانی) | 2.5 تا 3.5 | این مقدار برای بیشتر نقاط کره زمین صادق است. |
| حاشیه‌ی قاره‌ها (بستر اقیانوس) | 5 تا 10 | در این مناطق پوسته نازک‌تر است. |
| سپرهای باستانی (مانند کانادا) | 1 تا 2 | این مناطق بسیار پایدار و سرد هستند. |
محاسبه دما در اعماق مختلف
با دانستن میانگین شیب زمین‌گرمایی، می‌توانیم به سادگی دمای تقریبی اعماق مختلف را محاسبه کنیم. فرمول کلی به این شکل است:
که در آن:
$ T_z $ = دمای مورد نظر در عمق $ z $ (بر حسب درجه سانتی‌گراد)
$ T_s $ = دمای میانگین سطح زمین (حدود 15 درجه سانتی‌گراد)
$ G $ = شیب زمین‌گرمایی (بر حسب درجه سانتی‌گراد بر متر)
$ D $ = عمق (بر حسب متر)
مثال: فرض کنید می‌خواهیم دمای تقریبی عمق 2 کیلومتری (2000 متری) را در منطقه‌ای با شیب متوسط (3 درجه بر 100 متر) پیدا کنیم. ابتدا شیب را به درجه بر متر تبدیل می‌کنیم: $ G = 3 / 100 = 0.03 \, ^\circ\text{C/m} $.
حالا در فرمول جایگذاری می‌کنیم:
$ T_{2000} = 15 + (0.03 \times 2000) = 15 + 60 = 75 \, ^\circ\text{C} $
بنابراین، در عمق 2 کیلومتری، دمای زمین به حدود 75 درجه سانتی‌گراد میرسد که برای پختن یک تخم مرغ آبپز کافی است!
انسان چگونه از گرمای درون زمین استفاده می‌کند؟
انرژی زمین‌گرمایی، یکی از منابع پاک و تجدیدپذیر انرژی است. بشر از گذشته‌های دور، از چشمه‌های آب گرم طبیعی برای استحمام و گرم کردن خانه‌ها استفاده می‌کرد. امروزه با پیشرفت فناوری، استفاده از این انرژی به سطوح صنعتی رسیده است.
| کاربرد | شرح | مثال |
|---|---|---|
| تولید برق | بخار یا آب داغ تولید شده در عمق زمین، توربین‌ها را به حرکت درآورده و برق تولید می‌کند. | کشور ایسلند بیش از 25 درصد برق خود را از این راه تأمین می‌کند. |
| گرمایش مستقیم | آب گرم طبیعی مستقیماً برای گرم کردن ساختمان‌ها، گلخانه‌ها و استخرها استفاده می‌شود. | گرم کردن بیش از 90 درصد خانه‌ها در ایسلند. |
| پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی | از دمای ثابت و معتدل خاک در عمق کم (حدود 10 متری) برای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها استفاده می‌کند. | استفاده در بسیاری از ساختمان‌های مسکونی و تجاری در سراسر جهان. |
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. عمیق‌ترین چاه حفاری شده توسط بشر، چاه کولا۴ در روسیه است که تنها حدود 12 کیلومتر عمق دارد. این در حالی است که برای رسیدن به گوشته (لایه‌ی بعد از پوسته) باید حداقل به عمق 35 کیلومتر در خشکی برویم و مرکز زمین در عمق 6371 کیلومتری قرار دارد. فناوری فعلی بشر برای چنین کاری کافی نیست.
خیر. همانطور که در جدول بالا دیدیم، این شیب تحت تأثیر عواملی مانند فعالیت‌های تکتونیکی۵، ترکیب سنگ‌ها و گردش آب‌های زیرزمینی قرار دارد و در نقاط مختلف کره زمین متفاوت است.
در مقایسه با سوخت‌های فسیلی مانند نفت و زغال سنگ، بله. اما نیروگاه‌های زمین‌گرمایی می‌توانند مقادیر کمی گازهای گلخانه‌ای مانند دی‌اکسید گوگرد و دی‌اکسید کربن آزاد کنند. با این حال، آلودگی آن در مقایسه با نیروگاه‌های فسیلی ناچیز است.
شیب زمین‌گرمایی یک پدیده‌ی طبیعی و کلیدی برای درک دینامیک درونی سیاره‌ی ما است. این پدیده نه تنها به ما درباره‌ی منشأ گرمای زمین می‌آموزد، بلکه راه را برای بهره‌برداری از یک منبع انرژی پاک، تجدیدپذیر و تقریباً نامحدود هموار می‌سازد. از گرم کردن خانه‌ها تا تولید برق، انرژی زمین‌گرمایی نقش مهمی در ایجاد یک آینده‌ی پایدار برای نسل‌های بعد ایفا خواهد کرد.
پاورقی
۱ شیب زمین‌گرمایی (Geothermal Gradient)
۲ انرژی زمین‌گرمایی (Geothermal Energy)
۳ واکنش‌های واپاشی پرتوزا (Radioactive Decay Reactions)
۴ چاه کولا (Kola Superdeep Borehole)
۵ فعالیت‌های تکتونیکی (Tectonic Activities) - به حرکت و برهمکنش صفحات سنگی عظیم تشکیل‌دهنده پوسته زمین اطلاق می‌شود.