Jörðin er stærsti kjarnorkuofninn

 

Eldgos eru aðeins einn þáttur í þeim hita, sem streymir út úr jörðinni.  Allt yfirborð jarðarinnar leiðir út hita út í hafið og inn í andrúmsloftið. Þetta er hiti, sem á uppruna sinn bæði í möttlinum undir og einnig í kjarnanum.  Hitamælingar í um tuttugu þúsund borholum víðs vega á jörðinni sýna, að jörðin gefur frá sér um það bil 44 terawött af hita (terawatt er eitt watt eða vatt, með tólf núllum á eftir, eða 44 × 10¹² W).   Þetta er stór tala, en það samsvarar samt sem áður aðeins um 0,075 wöttum á hvern fermeter af yfirborði jarðar.  Eins og önnur myndin sýnir, þá er hitastreymið aðeins minna frá meginlöndunum (um 65 milliwött á fermeter) en dálítið hærra upp úr hafsbotninum (um 87 milliwött á hvern fermeter).  Takið eftir að hitaútstreymið út úr jörðinni er hæst á úthafshryggjunum (rauðu svæðin á mynd 2), enda er skorpan þynnst þar og stutt niður í heitan möttulinn. Ef við tökum fyrir eitt þúsund fermetra svæði á jörðinni, þá gefur það frá sér heildar hitaorku, sem samsvarar aðeins 75 watta ljósaperu.

En samt sem áður er heildarorkan sem streymir frá jörðinni mjög mikil. Hún er þrisvar sinnum meiri en öll orkan, sem mannkynið notar á einu ári. Hvaðan kemur þessi innri hiti og hvernig verður hann til?  Það hefur lengi verið skoðun jarðeðlisfræðinga að hann væri af tvennum  rótum. Annars vegar er hiti, sem myndast vegna geislavirkra efna inni í jörðinni. Þetta er eins konar kjarnorkuhiti.  Hins vegar er frumhiti (primordial heat), sem er tengdur myndun og uppruna jarðarinnar.

Þar til nýlega var ekki vitað hvort geislavirki hitinn eða frumhitinn væri mikilvægari í orkubúskap jarðarinnar. Nýlega gerðu vísindamenn í Japan mælingar á magni af örsmáum frumeindum, sem nefnast neutrinos, en þær streyma upp úr jörðinni og eru mælikvarði á magn af geislavirkum hita.  Grafinn djúpt í jörðu undir fjalli í Japan er geymir fullur af steinolíu, með rúmmál um 3000 rúmmetra. Umhvefis hann eru tæki, sem skynja og telja neutrinos.  Flestar þeirra koma utan úr geimnum, sumar frá kjarnorkuverum í nágrenninu, en nokkrar af þessum neutrinos koma djúpt ur jörðu, þar sem þær myndast vegna geislavirkra efna eins og þóríum og úraníum.

Þessar mælingar sýna að um helmingur af jarðhitanum er vegna geislavirkni í möttli jarðar, þar sem efni eins og úraníum og þóríum klofna niður í önnur frumefni og gefa af sér hita. Ég hef fjallað hér áður um hvernig þóríum kjarnorkuver kunna að bjarga okkur í framtíðinni, en í þeim er hgt að framleiða orku, sem losar ekkert koltvíoxíð út í anrdúmsloftið, hefur engin neikvæð áhrif á loftslag og skilar engum geislavirkum úrgangi.

Við mælingarnar í Japan kom í ljós að geislavirkni frá úraníum-238 gefur af sér um 8 terawött, og sama magn myndast vegna geislavirkni á þóríum-232.  Í viðbót gefur geislavirka efnið kalíum-40 af sér um 4 terawött.   Það er því ljóst að geislavirkni og kjarnorkukraftur dugar ekki til að skýra innri hita jarðar. Um helmingur af hitanum, sem berst út frá jörðinni er því frumhiti.  Jörðin hefur því ekki enn tapað öllum hitanum, sem varð til við myndun plánetunnar.  Eftir 4,5 milljarða ára frá uppruna sínum er jörðin því ennþá heit. Það er talið að hún kólni aðeins um 100 stig á milljarði ára, svo eftir nokkra milljarða ára mun hún kólna hið innra, eldvirkni og flekahreyfingar hætta.

ldvirkni og flekahreyfingar hætta. na geislavirkra efna eins og þni eins og ta fþeir rostung, nærri þisröndinni..vi mæali her

Yfirleitt er álitið að geislavirki hitinn myndist að langmestu leyti í möttlinum.  Flest eða öll líkön um kjarna jarðar eru á þann hátt, að þar sé aðeins járn og dálítið af brennisteini, en ekki neitt af geislavirkum frumefnum.

 

 

Athugasemdir

[Ágúst H Bjarnason, 6.2.2013 kl. 20:35]

Takk fyrir mjög fróðlegan pistil Haraldur.

Þetta rifjaðist upp við lesturinn:

Sjálfbær nýting jarðhitans á Íslandi og kjarnorkunnar í iðrum jarðar...

[Bjarni Gunnlaugur (IP-tala skráð) 7.2.2013 kl. 12:35]

Einhversstaðar sá ég þá skýringu á eldgosum að þar væri hnötturinn að losa sig við núningshita vegna þyngdarkraftsáhrifa á hnattlögunina, þannig að hnötturinn skælist lítilega eftir því hvaða kraftar toga í hann.  Þannig væri þetta væntandlega ummyndun á hreyfiorku hnattarins yfir i hitaorku.

Hvað segja fræðin um þetta?

Held að mig hafi ekki dreymt þetta en svo er þá krefst ég náttúrulega Nóbelsins fyrir hugmyndina ;-)

[Ágúst H Bjarnason, 7.2.2013 kl. 13:45]

Eitthvað smávegis af hitaorku jarðhitans stafar af núningi sem þyngdaráhrif tungls og sólar valda í jarðskorpunni (tidal friction).  Þetta er örugglega ekki mikið. Fyrir löngu sá ég töluna 1% en man ekki hvar, og veit ekki hvort hún er rétt. Hér kemur fram að það sé samtals 3,7 terawött.

Þar sem vitum hve mikið tunglið fjarlægist árlega vegna þessara bremsuáhrifa vegna sjávarfalla og núnings í jarðskorpunni, er tiltölulega auðvelt að reikna þetta út.

[Albert Albertsson (IP-tala skráð) 7.2.2013 kl. 19:55]

Áhugaverð grein fyrir HS Orku hf.

[Brynjólfur Þorvarðsson, 8.2.2013 kl. 08:23]

Fróðlegur pistill eins og alltaf hjá þér Haraldur. Varðandi frumhitann þá las ég einhvern tímann að hann losnaði fyrst og fremst við fasaskipti í kjarnanum. Hinn bráðni hluti kjarnans kólnar jafnt og þétt og járnið storknar, en fasaskiptin frá bráðnu til storknaðs járns gefur frá sér talsverðan hita.

Varðandi dreifingu á geislavirkum efnum, er ekki sennilegast að þau séu helst að finna í kjarnanum vegna eðlisþunga þeirra? Eða er einhver efnafræðileg ástæða til að kjarninn ýti frá sér geislavirkum málmum? Varla á það þá við um alla slíka.

[Haraldur Sigurðsson, 8.2.2013 kl. 10:15]

Brynjólfur: K eða kalíum er of reikult til að fara niður i kjarnann. Varðandi U og Th þá eru þessi frumefni lithophile, eða elska þau frumefni sem eru í möttlinum. Chalcophile frumefnin, þau sem elska járn, eru í kjarnanum.  Allir jarðefnafræðingar sem hafa kannað málið eru sammála um að U og Th séu ekki í kjarnanum að neinu ráði, en ef til vill í töluverðu magni neðst í möttlinum.  Það er rétt að fasaskipti í kjarnanum eru exothermic eða gefa frá sér hita, þega innri kjarninn frýs.

[Brynjólfur Þorvarðsson, 8.2.2013 kl. 11:28]

Ok, mér datt í hug að skýringin væri efnafræðileg. Varðandi fasaskiptin, mikið af varmaorku jarðar (bæði upprunaleg, þ.e. frá myndun, og einnig sem afleiðing geislavirkni) hlýtur að vera bundin í fljótandi fasa járnsins. Hún losnar því þegar járnið frýs, eins og við erum sammála um.

Annars er auðvitað önnur hlið á málinu, sem sagt að geislavirknin hefur væntanlega verið meiri við myndun jarðar en hún er núna. Hluti af þeirri varmaorku sem nú er að losna, þ.e.a.s. umfram þá orku sem hlýst af núverandi geislavirkni, er þá væntanlega ekki frumhiti sem slíkur. En er sá hluti hverfandi miðað við hina tvo þættina? Spyr sá sem ekki veit ...