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地球の内部熱収支は、地球の熱史の基礎となるものです。地球内部から地表への熱の流れは47±2テラワット（TW）と推定されており[1] 、マントルと地殻内の同位体の放射性崩壊によって生成される放射性熱と、地球の形成時に残った原始熱という2つの主な熱源からほぼ同量発生しています。[2]
地球の内部熱は地熱勾配に沿って移動し、ほとんどの地質学的プロセスの原動力となっている。[3]マントル対流、プレートテクトニクス、山脈形成、岩石変成作用、火山活動の原動力となっている。[2] 地球の高温金属核内の対流熱伝達は、地球の磁場を生成する地球ダイナモを支えているとも理論化されている。[4] [5] [6]
地質学的な重要性にもかかわらず、地球内部の熱は、地球表面の総エネルギー収支のわずか0.03%を占め、その大部分は入射する173,000 TWの太陽放射である。[7]この外部エネルギー源は、地球の大気、海洋、および生物学的プロセスのほとんどに動力を与えている。しかし、陸上と海底では、反射されていない日射から吸収された顕熱は、熱伝導によってのみ内部に流れ込むため、日周期で数十センチメートル、年周期で数十メートルしか浸透しない。そのため、太陽放射は地球の地殻内部のプロセスにほとんど関係がない。[8]
熱流密度に関する地球規模のデータは、国際地震学・地球内部物理学協会の国際熱流委員会によって収集・編集されています。[9]
熱と地球の年齢の初期の推定
1862年、ウィリアム・トムソン（後のケルビン卿）は、地球内部の伝導率は一定であると仮定した地球の冷却率の計算に基づき、地球の年齢を9800万年と推定したが[10] 、これは20世紀に放射年代測定によって得られた45億年という年齢とは対照的である。[11] 1895年にジョン・ペリーが指摘したように[12]、地球内部の伝導率が変動すると、計算された地球の年齢は数十億年まで拡大される可能性があり、これは後に放射年代測定によって確認された。トムソンの議論の通常の表現に反して、地球の地殻の観測された温度勾配は、熱源として放射能を追加することによっては説明できない。さらに重要なことは、マントル対流が地球内部での熱の輸送方法を変えるため、純粋に伝導による冷却というトムソンの仮定が無効になることである。
地球内部の熱の流れ
地球内部から地表への総熱流量の推定値は43～49テラワット（TW）（1テラワットは10 12 ワット）の範囲である。[13]最近の推定値の1つは47 TWで、[1]平均熱流束91.6 mW/m 2に相当し、38,000件を超える測定結果に基づく。大陸地殻と海洋地殻の平均熱流量はそれぞれ70.9 mW/m 2 と105.4 mW/m 2である。[1]
地球内部から地表への熱の総流量は十分に制限されているが、地球の熱の2つの主な発生源である放射性熱と原始熱の相対的な寄与は、直接測定が難しいため、非常に不確実である。化学モデルと物理モデルは、放射性熱と原始熱について、それぞれ15～41TWと12～30TWの範囲を推定している。[13]
地球の構造は、厚い大陸地殻と薄い海洋地殻、固体だが塑性流動するマントル、液体の外核、固体の内核からなる硬い外地殻である。物質の流動性は温度に比例するため、固体のマントルは温度の関数として、つまり地球内部の熱の流れの関数として、長期間にわたって流動することができる。マントルは地球内部から逃げる熱に応じて対流し、より高温で浮力の高いマントルが上昇し、より低温で密度の高いマントルが沈む。このマントルの対流が地球の岩石圏プレートの動きを駆動するため、下部マントルの追加の熱貯蔵庫はプレートテクトニクスの動作に不可欠であり、その原因の1つとして下部マントルの放射性元素の濃縮が考えられる。[14]
地球の熱輸送は、伝導、マントル対流、熱水対流、火山の移流によって起こる。[15]地球表面への内部熱流は、80%がマントル対流によるものと考えられており、残りの熱は主に地殻で発生し、[16]約1%は火山活動、地震、山脈形成によるものである。[2]したがって、地球表面での約99%の内部熱損失は地殻を通じた伝導によるものであり、マントル対流は地球深部からの熱輸送を主に制御している。厚い大陸地殻からの熱流のほとんどは内部の放射性源によるものであるが、対照的に、薄い海洋地殻の内部放射性熱はわずか2%である。[2]残りの表面の熱流は、マントル対流による地殻の基底加熱によるものと考えられる。熱流束は岩石の年齢と負の相関関係にあり、[1]地球熱流量のグローバルマップで観測されているように、中央海嶺拡大中心（マントル湧昇帯）の最も若い岩石からの熱流束が最も高くなります。[1]
熱源
放射熱
地球のマントルと地殻における元素の放射性崩壊は、娘同位体の生成と地ニュートリノおよび熱エネルギー、すなわち放射性熱の放出をもたらす。地球の内部熱の約50％は放射性崩壊に由来する。[17]放射性熱の大部分は、ウラン238（238 U）、ウラン235（235 U）、トリウム232（232 Th）、カリウム40（40 K）の4つの放射性同位体が、他の放射性同位体に比べて濃縮されているためである。 [18]深さ200 km未満の岩石サンプルが不足しているため、マントル全体の放射性熱を正確に決定することは困難であるが、[18]いくつかの推定値は入手可能である。[19]
地球化学の研究によると、地球の核については、鉄に分配される放射性元素の濃度が低いと予想されるため、放射性熱の重要な発生源となる可能性は低いことが示されている。[20]マントルでの放射性熱生成は、多くの議論のあるマントル対流の構造に関連しており、マントルは、下部マントルに放射性熱生成元素の濃度が高い層状構造を持っているか、マントル全体に分散した放射性元素が豊富な小さな貯留層を持っていると考えられている。[21]
地球ニュートリノ検出器は238 U と232 Thの崩壊を検出できるため、現在の放射性熱収支へのそれらの寄与を推定できますが、 235 U と40 K は検出できません。いずれにしても、40 K は 4 TW の加熱に寄与すると推定されています。[22]しかし、半減期が短いため、235 U と40 Kの崩壊は、現在よりもはるかに高温であった初期の地球への放射性熱流束の大部分を占めていました。[14]地球内部からの放射性崩壊による地球ニュートリノ生成物の測定から得られた初期結果(放射性熱の代理)から、地球内部の熱源の半分が放射性であるという新しい推定値が得られました。[22]これは以前の推定値と一致しています。[21]
原始の熱
原始熱は、地球が最初の形成から冷却を続けるにつれて失われる熱であり、これは現在も活発に生産されている放射性熱とは対照的です。地球の核の熱流（核から出て上にあるマントルに流れ込む熱）は原始熱によるものと考えられており、5～15 TWと推定されています。[23]マントルの原始熱損失の推定値は7～15 TWで、これは観測された表面熱流から核熱流と地球全体の放射性熱生成を除いた残りの熱として計算されます。[13]
地球の高密度核の初期形成は過熱と急速な熱損失を引き起こした可能性があり、マントルが固化すると熱損失率は低下すると考えられる。[23]核からの熱流は対流する外核と地球ダイナモと地球の磁場を維持するために必要であり、したがって核からの原始的な熱は地球の大気を可能にし、地球の液体の水を保持するのに役立った。[21]
原始的な熱エネルギーは、大量の物質が重力井戸に崩壊することによって解放される位置エネルギーと、集積物質の 運動エネルギーから生じます。
熱の流れとプレート運動
マントル対流の正確な性質をめぐる論争により、地球の熱収支とマントルのダイナミクスおよび構造の関連した進化を解明することが困難になっている。[21]プレートテクトニクスのプロセスは32億年前より前の地球では活発ではなく、初期の地球の内部熱損失はヒートパイプ火山活動による移流によって支配されていた可能性があるという証拠がある。[24]月や火星などの熱流量の低い地球上の天体は、単一の岩石圏プレートを介して内部熱を伝導し、木星の衛星イオなどの熱流量が高い場合は、火山活動の強化による移流熱輸送が生じるが、地球の活発なプレートテクトニクスは、中程度の熱流量と対流するマントルで発生する。[24]
参照
外部リンク
ウィキメディア・コモンズの地球内部熱収支に関するメディア
参考文献
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