Чтобы избавиться от рекламы в столбике справа,
щелкните мышкой в ее левом верхнем углу по значку >>

Почему не остывает Земной Шар?

Земля изучена нами лишь с поверхности, да и то еще далеко не полностью. Многие проблемы геологии еще далеки от удовлетворительного решения. Что же касается земных недр на глубине более 8 км, то о них мы не знаем практически ничего. Как это ни странно, но сегодня Внешний Космос мы освоили гораздо лучше. Наши космические корабли достигли уже границ Солнечной системы, удалившись от Земли на многие миллионы километров. А о том, что делается прямо у нас под ногами, мы имеем лишь самое общее представление. И это общее представление сводится к следующему.

Мы живем на поверхности шара с диаметром около 12 000 км, температура которого в центре достигает 6000оС, а на глубине около 50 км под его поверхностью - 1200оС. Что происходит глубже 30 км точно не знает никто.

Мы существуем на земной поверхности только благодаря тому, что этот расплавленный шар покрыт тонким, очень тонким по сравнению с размерами самого шара, слоем твердого вещества, температура которого существенно ниже благодаря непосредственному контакту с открытым космосом, в котором находится наша Земля. Если представить себе нашу планету в виде большого детского надувного мяча из пластика диаметром около одного метра, то земная кора соответствует толщине пластика в 1 мм. Все остальное - шар, разогретый до температуры плавления практически любых минералов.

Простейшие расчеты показывают, что при толщине охлажденного твердого слоя (его название - литосфера) около 20 км скорость теплопередачи через него от расплавленного вещества Земли в космос крайне низка (на самом деле эффективная толщина коры с точки зрения теплопередачи в несколько раз больше). Средняя разность температур (градиент температуры) составляет всего 0,02 град/метр, что обеспечивает практически полную теплоизоляцию вещества Земли, находящегося под ее корой, от космического холода. Затраты энергии на восполнение тепловых потерь сравнительно невелики (в масштабе планеты, конечно). Поэтому в таком состоянии Земля может находиться в тепловом равновесии с космосом практически неограниченное время.

Для сравнения масштабов можно предложить такую модель. Если мы представим себе нашу Землю размером с большой детский надувной мяч диаметром около 1 метра, то литосфера (твердая оболочка) будет иметь толщину чуть более 1 миллиметра. Все остальное пространство внутри "мяча" заполнено расплавленной высокотемпературной массой плотного и сверхплотного вещества.

Возьмем обычный маленький чайник объемом 0,5 литра с толщиной керамической стенки 2 мм. Если мы нальем в него кипяток (100оС), он остынет до комнатной температуры 20оС примерно за 2 часа. При этом теплоотдача будет конвекционной, что примерно в 10 раз больше, чем если бы он остывал за счет излучения. В первый момент разность температур по разные стороны стенки составляет 80оС. Градиент температуры - 40 град/мм. Время выравнивания температур - 2 часа.

Рассмотрим теперь Землю. Температура внутри Земли вблизи контакта магмы с земной корой составляет 6000оС. Толщина земной коры - 20 000 м. Температура снаружи минус 273оС. Разность температур приблизительно 6000оС, градиент температуры 6000:20000=0,3 град/метр или 0,0003 град/мм. Это подтверждается прямыми измерениями.

Процесс остывания массы совершенно аналогичен процессу разряда конденсатора в электротехнике. Этот процесс полностью подчиняется закону Кулона

C.U = I.t или C.U/I = t

Величина I называется в электротехнике током, а применительно к тепловому процессу ее можно назвать "потоком тепла".

Величина U называется в электротехнике напряжением, а применительно к теплотехнике ее можно считать разностью температур, "тепловым напряжением"

Величина U/I=R называется в электротехнике сопротивлением, а применительно к тепловому процессу ее можно назвать тепловым сопротивлением.

Величина С в электротехнике называется емкостью, а применительно к тепловому процессу ее можно назвать теплоемкостью.

Величина СU/I = CR =RC называется постоянной времени разряда (или охлаждения) и определяет по-существу скорость, с которой разряжается конденсатор, или охлаждается некая нагретая масса. Если сопротивление нагрузки (или теплоизоляции) бесконечно, то конденсатор не разряжается, а масса не изменяет своей температуры.

На самом деле разряд конденсатора происходит не линейно, а по более сложному криволинейному закону, по "экспоненте". Но мы можем приблизительно считать закон линейным, так как нас интересует только начальный участок кривой разряда.

Чем больше "емкость" конденсатора, то есть чем больше электронов при прочих равных условиях он может в себе накопить, тем медленнее он будет разряжаться. Чем больше емкость сосуда по сравнению с чайником (ведро, цистерна), тем медленнее этот сосуд будет остывать. То же относится и к толщине стенки, определяющей тепловое сопротивление. Чем стенка толще, чем больше тепловое сопротивление, тем медленнее будет остывать вода в сосуде.

Теперь сравним Землю с чайником.

Тепловое сопротивление земной коры в 20 км:2мм =10 млн. раз больше, чем у стенки чайника. Масса Земли примерно равна 4/3 пR3 =1.1012 тонн, если условно считать ее плотность равной 1 или 1.1015 килограммов. Т.е. в 2.1015 раз больше, чем у чайника. Прибавим еще порядок (один нуль) из-за того, что потери тепла идут только через излучение, и еще 7 нулей по причине того, что тепловое сопротивление земной коры больше, чем у стенки чайника. Итого - 23 нуля. Во столько раз медленнее, чем чайник, остывает Земля. (Имеется в виду именно скорость остывания. Разность температур внутри и снаружи соответствует в нашей аналогии разности напряжений на пластинах конденсатора).

Поэтому, если чайник остывает наполовину (то есть на 40оС) за час, то Земля остынет наполовину, то есть на 3000оС за 1.1023 часов. В году, кстати, менее 10 тыс. часов. На 3000 градусов Земля остывает за 10 в 19-й степени лет. На 1 градус она остывает за 3 миллиона миллиардов лет. Грубо говоря, совсем не остывает. Потому что по расчетам специалистов возраст Земли оценивается всего в 4,5 млрд. лет, то есть в миллион раз меньше.