Лабораторная работа №1 по дисциплине: Физика Земли
жүктеу/скачать 189.25 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ
- Исполнитель
- Руководитель
- Лабораторная работа № 1
- Основные источники энергии Земли
- Справочные данные
- Задание
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Центр цифровых образовательных технологий 21.05.03 «Технология геологической разведки» ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 по дисциплине: Физика Земли
Томск – 2021 Лабораторная работа № 1 ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ Цель работы: Ознакомиться с основными источниками энергии Земли как планеты и сделать их сравнительный анализ. Основные источники энергии Земли Современным геофизическим данным наиболее удовлетворяет гипотеза «холодного происхождения» Земли. В то же время, уже в архее, т.е. через 1 млрд. лет после образования Земли, формировались магматические породы основного состава. Следовательно, уже к этому времени недра были разогреты до температур, превышающих температуру плавления базальтов. За время геологической эволюции Земля теряла энергию через тектоно-магматические процессы (порядка 1,26·1020 Дж/год) и через излучение тепла в космическое пространство (около 9,2·1020 Дж/год). Рассмотрим основные источники энергии Земли. 1). Энергия аккреции и гравитационной дифференциации Рис. 1. Выделение тепловой энергии в «твёрдой» Земле 1 – энергия приливного торможения; 2 – энергия радиоактивного распада; 3 – тепловая энергия гравитационной; дифференциации (по модели Наймарка-Сорохтина) 4 – суммарное энерговыделение Процесс образования Земли за счёт аккреции протопланетного газопылевого облака развивался сравнительно быстро и уже примерно через 108 лет после своего начала завершился образованием первичной и в среднем однородной Земли. В дальнейшем развивался другой мощный гравитационный процесс – плотностная дифференциация земного вещества на тяжёлое железное ядро и остаточную силикатную оболочку – мантию. Эти процессы по своей сути едины. Они сопровождаются перераспределением масс в собственном гравитационном поле и уменьшением потенциальной энергии Земли, т.е. переводят её в более равновесное термодинамическое состояние. Для сферически симметричного гравитирующего тела потенциальная энергия равна: , (1) где r – радиус растущей планеты, m(r), σ(r) – её масса и плотность. Первичная Земля была однородной. Решение уравнения 1 при постоянной плотности даёт потенциальную энергию Земли: (2) где M – масса Земли, R – её радиус. Энергия аккреции равна потенциальной энергии с обратным знаком. Энергия, выделившаяся в результате процесса гравитационной дифференциации (Eg), может быть получена как разность потенциальных энергий первичной (однородной) и современной (расслоенной) Земли: Eg = U1 – U2, (3). U2 получают, подставляя в уравнение 1 современное распределение плотности в недрах Земли. В зависимости от принимаемых моделей строения Земли, оценки Eg лежат в пределах (1,46-2,0)·1031 Дж. 2). Энергия радиоактивного распада Основной вклад в радиогенную энергию Земли вносят долгоживущие радиоактивные элементы, находящиеся в Земле в достаточно больших количествах. Такими элементами являются уран (238) и торий с продуктами распада и радиоактивный изотоп калия (калий-40). Периоды полураспада этих элементов (время, за которое распадается половина атомов), а также количество радиогенной энергии, выделяемой за единицу времени единицей массы, приведены в таблице 1. Таблица 1. Радиоактивность Земли
3). Энергия приливного торможения Энергия приливного торможения черпается из энергии вращения Земли, (4) где I и ω - момент инерции и угловая скорость вращения Земли. Благодаря взаимному притяжению Луны и Земли в океанах, а также в теле Земли, возникают приливные деформации. Поскольку Земля не является идеально упругой, часть приливной энергии поглощается Землёй, что приводит к замедлению её вращения. Энергию приливного торможения оценивают по уравнению: (5) В настоящее время торможение вращения Земли: Рассмотренные виды энергии количественно изменяются во времени (рис. 1). Справочные данные Масса Земли – 6∙1024 кг Средний радиус Земли – 6,4∙106 м Теплоёмкость вещества Земли с = 0,84∙103 Дж/кг∙град Уравнение теплоёмкости: Е = с∙m∙∆Т Е – тепловая энергия m – масса ∆Т – изменение температуры. Температура солидуса базальтовой магмы – 1000–1050 оС Гравитационная постоянная f = 6.67∙10-11Дж∙м∙кг-2. Задание Вычислите энергию, выделившуюся при образовании Земли из холодного газово-пылевого облака, – энергию аккреции. Определите, насколько могла повыситься температура Земли при её образовании, если предположить, что порядка 5% энергии аккреции пошли на разогрев Земли. Достаточно ли этой температуры для расплавления веществ Земли (образования магматических пород)? Потенциальная энергия Земли при постоянной плотности: Уравнение теплоемкости: , выразим ΔT: Учитывая, что лишь 5% температуры пошло на разогрев, получим: Ответ: Так как температура Земли повысилась на 2223 С0 при ее образовании, то ее было достаточно для расплавления веществ Земли (образования магматических пород, температура солидуса базальтовой магмы –1000-1050 С0). Определите энергию приливного торможения Земли, выделившуюся за период её жизни, если угловая скорость вращения Земли за это время уменьшилась в 2 раза. За счёт чего происходит замедление вращения Земли? Наиболее крупные планеты Солнечной Системы – Юпитер и Сатурн через каждые 60 лет находятся на наиболее близком расстоянии от Земли. Ваш прогноз относительно замедления вращения Земли, в эти года и частоты проявлений вулканизма? Момент инерции Земли: , wн=14,58*10-5с-1 wс=7,29*10-5с-1 Найдем энергию приливного торможения, выделившуюся за период ее жизни: Благодаря взаимному притяжению Луны и Земли в океанах, а также в теле Земли, возникают приливные деформации. Поскольку Земля не является идеально упругой, часть приливной энергии поглощается Землей, что приводит к замедлению её вращения. В годы, когда Юпитер и Сатурн находятся на наиболее близком расстоянии от Земли, замедления вращения Земли увеличивается, частоты проявления вулканизма учащаются Рассчитайте энергию, выделяющуюся в Земле за счёт радиоактивного распада в течение года. Русский учёныё В.И. Вернадский считал радиогенную энергию основной для эволюции Земли. Прав ли он, если Земля ежегодно излучает в космическое пространство порядка 9,2∙1020Дж, а потери её на тектоно-магматические процессы составляют около 1,26∙1020 Дж/год?
31,53*106-секунд в год. Уран: Торий: Калий: Eсум=EU+ET+EK Сделайте анализ изменения основных видов энергии Земли за период её жизни (рис. 1). а) Как изменяются различные энергии во времени? Какой вид энергии в настоящее время преобладает? Виды энергии количественно изменяются во времени. В начальные интервалы жизни Земли наибольшее значение имели энергии приливного торможения (Земля вращалась в два раза быстрее) и радиоактивного распада (за счёт короткоживущих радиоактивных элементов и большего количества урана, тория и калия). В настоящее время энергия гравитационной дифференциации преобладает по величине над другими видами энергий. б) Достаточно ли энергии гравитационной дифференциации для покрытия потерь Земли на тектоно-магматические процессы и излучение (см. п. 3 задания)? Да. Энергии гравитационной дифференциации (в зависимости от принимаемых моделей строения Земли, оценки Eg лежат в пределах (1,46-2,0)·1031 Дж) более, достаточно на покрытие потерь Земли на тектоно-магматические процессы 1,26∙1020 Дж/год и излучение 9,2∙1020Дж/год жүктеу/скачать 189.25 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||