W wielu miejscach na naszej planecie spod powierzchni ziemi wydobywają się strumienie rozgrzanej do czerwoności lawy i gorące źródła. W Polsce w kopalniach węgla kamiennego na Górnym Śląsku temperatura przekracza 30°C. Co sprawia, że Ziemia emituje ciepło? Jakie temperatury panują w jej wnętrzu? Czy można wykorzystać tę energię?
Głęboko pod ziemią jest ciemno, głośno, wilgotno i gorąco. Jednak większość górników nie wyobraża sobie pracy w innym miejscu. Żródło: Geevor Tin Mine; www.geevor.com
Im głębiej, tym cieplej
Informacje o warunkach termicznych panujących pod ziemią uzyskuje się poprzez wykonywanie pomiarów temperatury w głębokich otworach wiertniczych. Większość tych otworów ma głębokość kilku kilometrów, tylko nieliczne przekroczyły granicę 12 km – zatem w porównaniu z długością promienia Ziemi, wynoszącą około 6370 km, rozpoznanie temperatury naszej planety jest znikome. Informacje o zmienności temperatury w głębszych warstwach Ziemi są bardzo przybliżone i oparte na hipotezach.
Przyrost temperatury wraz głębokością określa się za pomocą dwóch parametrów - gradientu lub stopnia geotermicznego. Gradient geotermiczny jest to liczba stopni Celsjusza, o jakie wzrasta temperatura na kilometr, a stopień geotermiczny oznacza liczbę metrów, w obrębie których temperatura wzrasta o jeden stopień Celsjusza. Średni gradient termiczny pod powierzchnią kuli ziemskiej to około 30°C/km, w przeliczeniu na stopień geotermiczny daje to około 33 m/°C. Wielkość strumienia energii termicznej płynącej z głębi Ziemi, a także różna zdolność skał do przewodzenia energii cieplnej wpływają na to, że temperatura obserwowana przez nas pod powierzchnią Ziemi jest znacznie zróżnicowana, np. w południowej Afryce gradient geotermiczny wynosi 8,3°C/km, a na Islandii 100°C/km.
Gdyby temperatura Ziemi na całej długości jej promienia przyrastała tak samo szybko jak w strefie przypowierzchniowej, to we wnętrzu Ziemi przekraczałaby 200 tys.°C. Jednak temperatura skał najszybciej wzrasta w najpłytszej części skorupy ziemskiej – do głębokości około 20 km. Później wzrost ten następuje zdecydowanie wolniej. Według kilku akceptowanych obecnie hipotez badawczych temperatura wnętrza naszej planety wynosi 5 do 8 tys.°C.
Jeszcze do końca XIX wieku uważano, że całe wewnętrzne ciepło Ziemi jest pozostałością po pierwotnej energii skumulowanej w procesie powstawania Ziemi z materii międzygwiezdnej w wyniku przemiany energii kinetycznej tej materii na energię cieplną. Przyjmując takie założenie i uznając, że Ziemia systematycznie stygnie, a jej temperatura w strefie przypowierzchniowej jest efektem tego procesu, słynny fizyk lord Kelvin w połowie XIX wieku obliczył, że wiek Ziemi wynosi 100 mln lat. Współcześnie ocenia się, że tylko 20% energii cieplnej Ziemi pochodzi z jej wnętrza, z zapasu ciepła, jaki miała u zarania swych dziejów, a 80% - z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skałach skorupy ziemskiej, głównie w skałach granitowych występujących na głębokości do kilkudziesięciu kilometrów. Energia ta jest produkowana w sposób ciągły, a wielkość strumienia cieplnego zależy od zawartości w skałach promieniotwórczego uranu, toru oraz w niewielkim stopniu potasu. Jeśli zaś chodzi o wiek Ziemi, to na podstawie całkiem odmiennych założeń jest on szacowany na ponad 4,5 mld lat.
Skały na Suwalszczyźnie pamiętają chłody epoki lodowcowej
Warunki termiczne pod ziemią są bardzo zróżnicowane. Zależą one od przewodnictwa cieplnego skał, ich ułożenia, zawodnienia, bliskości stref wulkanicznych i wgłębnych ognisk magmowych, a w strefie przypowierzchniowej znacząco wpływają na nie również warunki klimatyczne. Na przykład na obszarze Polski w ciągu ostatnich 420 tys. lat dominował klimat zimny, królowała epoka lodowcowa. Okres ten był przerywany krótkimi, trwającymi zaledwie 10-14 tys. lat, epizodami klimatu ciepłego, czyli interglacjałami. Teraz trwa właśnie okres klimatu ciepłego, który rozpoczął się 13,5 tys. lat temu. Wyniki badań geologicznych wskazują, że sygnał o trwającym obecnie klimacie ciepłym dotarł do głębokości 1500–2000 m, lecz są również takie miejsca, w których skały nie zdążyły się rozgrzać po ostatnim zlodowaceniu!
Mapa strumienia cieplnego na obszarze Polski ze wskazaną lokalizacją otworu Udryń PIG-1, w którym nawiercono wieczną zmarzlinę
W 2010 r. w otworze wiertniczym Udryń-1 na Suwalszczyźnie na głębokości 356 m geolodzy z Państwowego Instytutu Geologicznego znaleźli wieczną zmarzlinę z okresu ostatniego zlodowacenia. Warto podkreślić, że ze względu na specyficzne właściwości skał, a także niezwykle małą wartość strumienia cieplnego (patrz mapa) jest to miejsce wyjątkowe, jedyne znane w całej środkowej Europie, w którym zachowały się tak niskie temperatury – nieco poniżej 0° Celsjusza. Lód wypełniający przestrzeń porową tych skał, który powstał w okresie ostatniego zlodowacenia, czyli ponad 13,5 tys. lat temu, topi się powoli, a wokół niego pojawia się krystalicznie czysta woda o temperaturze zbliżonej do 0°C.
Inwersja głębokościowa temperatury w profilach otworów wiertniczych na Suwalszczyźnie - związana z istnieniem w przeszłości, a lokalnie również współcześnie wiecznej zmarzliny
Pozyskać cenną energię
Ilość energii cieplnej docierającej z wnętrza do powierzchni Ziemi jest 10 do 20 tys. razy mniejsza od energii, którą dostarcza nam Słońce, lecz to właśnie ona jest źródłem i przyczyną najważniejszych procesów geologicznych zachodzących zarówno we wnętrzu, jak i na powierzchni naszej planety. Energia cieplna zmagazynowana we wnętrzu Ziemi jest siłą sprawczą ruchu płyt tektonicznych, trzęsień ziemi i wulkanizmu. Efektem jej działania jest też większość złóż surowców mineralnych, w tym srebra i złota. To dzięki niej na powierzchnię ziemi wypływają gorące źródła, które już w czasach starożytnych były wykorzystywane przez ludzi do kąpieli, leczenia ran i gotowania pożywienia.
Dziś ciepło płynące z wnętrza Ziemi postrzegane jest jako ekologiczne, odnawialne źródło energii - wody termalne służą do ogrzewania budynków mieszkalnych i wypełniają baseny w ośrodkach uzdrowiskowych i rekreacyjnych. A być może w nieodległej przyszłości, po rozwinięciu techniki pozyskiwania energii z suchych gorących skał podgrzanych do 200°C (ang. Hot Dry Rocks - HDR), wewnętrzne ciepło Ziemi posłuży również do produkcji energii elektrycznej.
Mapa temperatury na głębokości 2000 metrów p.p.t. (Szewczyk, 2010 – zmodyfikowana)
W celu uzyskania możliwie dokładnej wiedzy na temat współczesnych podpowierzchniowych warunków termicznych na terenie Polski geolodzy z Państwowego Instytutu Geologicznego sporządzili m.in. mapę temperatury na głębokości 2000 metrów pod powierzchnią terenu, na poziomie szczególnie przydatnym do oceny warunków pozyskiwania energii z wód termalnych. Dane do konstrukcji mapy uzyskano z 385 otworów wiertniczych. Wartość temperatury na tej głębokości zmienia się od około 30°C w NE Polsce do ponad 92°C na przedpolu Sudetów i obszarze Niziny Szczecińskiej. Na niższych poziomach spodziewane jest jeszcze większe zróżnicowanie temperatur. Dalsze prace badawcze będą zmierzać do opracowania mapy temperatury na większej głębokości, umożliwiającej prognozowanie zastosowania metody HDR do produkcji energii elektrycznej.
Literatura polecana przez autora
- GÓRECKI W. red., 2006 - Atlasy zasobów geotermalnych na Niżu Polskim – formacje mezozoiczne i paleozoiczne. AGH, Kraków.
- ŠAFANDFA J., SZEWCZYK J., MAJOROWICZ J.A., 2004 - Geothermal evidence of very low glacial temperatures on a rim of the Fennoscandian ice sheet. Geophysical Research Letters, 31, L07211, DOI: 10.1029/2004GL019547
- SZEWCZYK J. 2002 - Ślady zmian klimatycznych plejstocenu oraz holocenu w profilach temperatury w głębokich otworach wiertniczych na Niżu Polskim. Przegląd Geologiczny, 50, 11: 1109-1114.
- SZEWCZYK J. 2005 - Wpływ zmian klimatycznych na temperaturę podpowierzchniową Ziemi. Przegląd Geologiczny, 53, 1, 77-86.
- SZEWCZYK J. 2007 - Suwalskie okno w glacjalną przyszłość. Świat Nauki, 9 (193), 42-49.
- SZEWCZYK J., GIENTKA D. 2009 – Terrestrial heat flow density in Poland – a new approach. Geological Quarterly, 53, 1: 125-140.
- SZEWCZYK J. 2010 – Geofizyczne oraz hydrogeologiczne warunki pozyskiwania energii geotermicznej w Polsce. Przegląd Geologiczny, 58, 7: 566-573.
dr Jan Szewczyk
Państwowy Instytut Geologiczny
