Orçamento de calor interno da Terra -Earth's internal heat budget
O balanço térmico interno da Terra é fundamental para a história térmica da Terra . O fluxo de calor do interior da Terra para a superfície é estimado em 47±2 terawatts (TW) e vem de duas fontes principais em quantidades aproximadamente iguais: o calor radiogênico produzido pelo decaimento radioativo de isótopos no manto e na crosta, e o calor primordial calor que sobrou da formação da Terra .
O calor interno da Terra viaja ao longo de gradientes geotérmicos e alimenta a maioria dos processos geológicos. Ele impulsiona a convecção do manto , placas tectônicas , construção de montanhas , metamorfismo de rochas e vulcanismo . A transferência de calor por convecção dentro do núcleo metálico de alta temperatura do planeta também é teorizada para sustentar um geodínamo que gera o campo magnético da Terra .
Apesar de sua importância geológica, o calor interior da Terra contribui com apenas 0,03% do orçamento total de energia da Terra na superfície, que é dominado por 173.000 TW de radiação solar incidente . Essa fonte externa de energia alimenta a maioria dos processos atmosféricos, oceânicos e biológicos do planeta. No entanto, em terra e no fundo do oceano , o calor sensível absorvido da insolação não refletida flui para dentro apenas por condução térmica e, portanto, penetra apenas algumas dezenas de centímetros no ciclo diário e apenas várias dezenas de metros no ciclo anual. Isso torna a radiação solar minimamente relevante para processos internos à crosta terrestre .
Os dados globais sobre a densidade do fluxo de calor são coletados e compilados pela Comissão Internacional de Fluxo de Calor da Associação Internacional de Sismologia e Física do Interior da Terra .
Calor e estimativa inicial da idade da Terra
Com base em cálculos da taxa de resfriamento da Terra, que assumiu condutividade constante no interior da Terra, em 1862 William Thomson , mais tarde Lord Kelvin, estimou a idade da Terra em 98 milhões de anos, o que contrasta com a idade de 4,5 bilhões de anos obtida no século XX. século por datação radiométrica . Como apontado por John Perry em 1895, uma condutividade variável no interior da Terra poderia expandir a idade calculada da Terra para bilhões de anos, como posteriormente confirmado pela datação radiométrica. Ao contrário da representação usual do argumento de Thomson, o gradiente térmico observado da crosta terrestre não seria explicado pela adição de radioatividade como fonte de calor. Mais significativamente, a convecção do manto altera a forma como o calor é transportado dentro da Terra, invalidando a suposição de Thomson de resfriamento puramente condutivo.
Fluxo de calor interno global
As estimativas do fluxo total de calor do interior da Terra para a superfície abrangem uma faixa de 43 a 49 terawatts (TW) (um terawatt é 10 12 watts ). Uma estimativa recente é de 47 TW, equivalente a um fluxo de calor médio de 91,6 mW/m 2 , e é baseada em mais de 38.000 medições. Os respectivos fluxos médios de calor da crosta continental e oceânica são 70,9 e 105,4 mW/m 2 .
Embora o fluxo total de calor interno da Terra para a superfície seja bem restrito, a contribuição relativa das duas principais fontes de calor da Terra, o calor radiogênico e o calor primordial, é altamente incerta porque sua medição direta é difícil. Modelos químicos e físicos fornecem intervalos estimados de 15–41 TW e 12–30 TW para calor radiogênico e calor primordial , respectivamente.
A estrutura da Terra é uma crosta externa rígida , composta por uma crosta continental mais espessa e uma crosta oceânica mais fina , um manto sólido, mas que flui plasticamente , um núcleo externo líquido e um núcleo interno sólido . A fluidez de um material é proporcional à temperatura; assim, o manto sólido ainda pode fluir em longas escalas de tempo, em função de sua temperatura e, portanto, em função do fluxo de calor interno da Terra. O manto sofre convecção em resposta ao calor que escapa do interior da Terra, com o manto mais quente e flutuante subindo e mais frio e, portanto, mais denso, afundando. Este fluxo convectivo do manto impulsiona o movimento das placas litosféricas da Terra ; assim, um reservatório adicional de calor no manto inferior é crítico para a operação das placas tectônicas e uma fonte possível é um enriquecimento de elementos radioativos no manto inferior.
O transporte de calor terrestre ocorre por condução , convecção do manto , convecção hidrotermal e advecção vulcânica . Acredita-se que o fluxo de calor interno da Terra para a superfície seja de 80% devido à convecção do manto, com o calor restante originado principalmente na crosta terrestre, com cerca de 1% devido à atividade vulcânica, terremotos e construção de montanhas. Assim, cerca de 99% da perda de calor interna da Terra na superfície é por condução através da crosta, e a convecção do manto é o controle dominante no transporte de calor das profundezas da Terra. A maior parte do fluxo de calor da crosta continental mais espessa é atribuída a fontes radiogênicas internas; em contraste, a crosta oceânica mais fina tem apenas 2% de calor radiogênico interno. O fluxo de calor remanescente na superfície seria devido ao aquecimento basal da crosta por convecção do manto. Os fluxos de calor estão negativamente correlacionados com a idade das rochas, com os maiores fluxos de calor da rocha mais jovem nos centros de expansão da dorsal meso-oceânica (zonas de ressurgência do manto), conforme observado no mapa global do fluxo de calor da Terra .
Fontes de calor
Calor radiogênico
O decaimento radioativo de elementos no manto e crosta da Terra resulta na produção de isótopos filhos e liberação de geoneutrinos e energia térmica, ou calor radiogênico . Cerca de 50% do calor interno da Terra se origina do decaimento radioativo. Quatro isótopos radioativos são responsáveis pela maior parte do calor radiogênico devido ao seu enriquecimento em relação a outros isótopos radioativos: urânio-238 ( 238 U), urânio-235 ( 235 U), tório-232 ( 232 Th) e potássio-40 ( 40K ). Devido à falta de amostras de rochas abaixo de 200 km de profundidade, é difícil determinar com precisão o calor radiogênico em todo o manto, embora algumas estimativas estejam disponíveis.
Para o núcleo da Terra, estudos geoquímicos indicam que é improvável que seja uma fonte significativa de calor radiogênico devido a uma baixa concentração esperada de elementos radioativos que se dividem em ferro. A produção de calor radiogênico no manto está ligada à estrutura de convecção do manto , um tópico de muito debate, e acredita-se que o manto pode ter uma estrutura em camadas com maior concentração de elementos produtores de calor radioativo no manto inferior, ou pequenos reservatórios enriquecidos em elementos radioativos dispersos por todo o manto.
| Isótopo | Liberação de calor C/kg isótopo |
Anos de meia-vida |
Concentração média do manto kg isótopo/kg manto |
Liberação de calor C/kg manto |
|---|---|---|---|---|
| 232º _ | 26,4 × 10 −6 | 14,0 × 10 9 | 124 × 10 −9 | 3,27 × 10 −12 |
| 238 U | 94,6 × 10 −6 | 4,47 × 10 9 | 30,8 × 10 −9 | 2,91 × 10 −12 |
| 40 mil | 29,2 × 10 −6 | 1,25 × 10 9 | 36,9 × 10 −9 | 1,08 × 10 −12 |
| 235 U | 569 × 10 −6 | 0,704 × 10 9 | 0,22 × 10 −9 | 0,125 × 10 −12 |
Detectores de geoneutrinos podem detectar o decaimento de 238 U e 232 Th e assim permitir estimar sua contribuição para o balanço de calor radiogênico atual, enquanto 235 U e 40 K não são assim detectáveis. Independentemente disso, estima-se que 40 K contribuam com 4 TW de aquecimento. No entanto, devido às meias-vidas curtas, o decaimento de 235 U e 40 K contribuiu com uma grande fração do fluxo de calor radiogênico para a Terra primitiva, que também era muito mais quente do que atualmente. Os resultados iniciais da medição dos produtos geoneutrinos do decaimento radioativo de dentro da Terra, um proxy para o calor radiogênico, renderam uma nova estimativa de que metade da fonte de calor interna total da Terra é radiogênica, e isso é consistente com as estimativas anteriores.
Calor primordial
O calor primordial é o calor perdido pela Terra à medida que continua a esfriar desde sua formação original, e isso contrasta com seu calor radiogênico ainda produzido ativamente. Acredita-se que o fluxo de calor do núcleo da Terra - calor que sai do núcleo e flui para o manto sobrejacente - seja devido ao calor primordial e é estimado em 5-15 TW. As estimativas da perda de calor primordial do manto variam entre 7 e 15 TW, que é calculada como o restante do calor após a remoção do fluxo de calor do núcleo e da produção de calor radiogênico da Terra a partir do fluxo de calor da superfície observado.
A formação inicial do núcleo denso da Terra poderia ter causado superaquecimento e rápida perda de calor, e a taxa de perda de calor diminuiria uma vez que o manto solidificasse. O fluxo de calor do núcleo é necessário para manter o núcleo externo de convecção e o geodínamo e o campo magnético da Terra ; portanto, o calor primordial do núcleo permitiu a atmosfera da Terra e, assim, ajudou a reter a água líquida da Terra.
Fluxo de calor e placas tectônicas
A controvérsia sobre a natureza exata da convecção do manto torna difícil de desvendar a evolução do balanço de calor da Terra e a dinâmica e estrutura do manto. Há evidências de que os processos de placas tectônicas não estavam ativos na Terra antes de 3,2 bilhões de anos atrás, e que a perda de calor interna da Terra primitiva poderia ter sido dominada por advecção via vulcanismo de tubo de calor . Corpos terrestres com fluxos de calor mais baixos, como a Lua e Marte , conduzem seu calor interno através de uma única placa litosférica, e fluxos de calor mais altos, como na lua de Júpiter Io , resultam em transporte de calor advectivo via vulcanismo aprimorado, enquanto as placas tectônicas ativas da Terra ocorrem com um fluxo de calor intermediário e um manto de convecção .
Veja também
- Energia geotérmica
- Gradiente geotérmico
- Diferenciação planetária
- História térmica da Terra
- Calor antropogênico
Link externo
Mídia relacionada ao orçamento de calor interno da Terra no Wikimedia Commons