El gradiente geotérmico es la tasa de cambio de temperatura con respecto al aumento de la profundidad en el interior de la Tierra . Como regla general, la temperatura de la corteza aumenta con la profundidad debido al flujo de calor del manto mucho más caliente ; lejos de los límites de las placas tectónicas , la temperatura aumenta en aproximadamente 25-30 °C/km (72-87 °F/mi) de profundidad cerca de la superficie en la corteza continental. [1] Sin embargo, en algunos casos la temperatura puede bajar con el aumento de la profundidad, especialmente cerca de la superficie, un fenómeno conocido como gradiente geotérmico inverso o negativo . Los efectos del clima, el Sol y la estación solo alcanzan una profundidad de aproximadamente 10-20 m (33-66 pies).
En sentido estricto, la geotermia se refiere necesariamente a la Tierra, pero el concepto puede aplicarse a otros planetas. En unidades del SI , el gradiente geotérmico se expresa en °C/km, [1] K/km, [2] o mK/m. [3] Todas estas unidades son equivalentes.
El calor interno de la Tierra proviene de una combinación de calor residual de la acreción planetaria , calor producido a través de la desintegración radiactiva , calor latente de la cristalización del núcleo y posiblemente calor de otras fuentes. Los principales nucleidos productores de calor en la Tierra son el potasio-40 , el uranio-238 , el uranio-235 y el torio-232 . [4] Se cree que el núcleo interno tiene temperaturas en el rango de 4000 a 7000 K, y se cree que la presión en el centro del planeta es de aproximadamente 360 GPa (3,6 millones de atm). [5] (El valor exacto depende del perfil de densidad en la Tierra). Debido a que gran parte del calor es proporcionado por la desintegración radiactiva, los científicos creen que al principio de la historia de la Tierra, antes de que se agotaran los nucleidos con vidas medias cortas , la producción de calor de la Tierra habría sido mucho mayor. La producción de calor era el doble de la actual hace aproximadamente 3 mil millones de años, [6] lo que resultó en gradientes de temperatura más grandes dentro de la Tierra, mayores tasas de convección del manto y tectónica de placas , lo que permitió la producción de rocas ígneas como las komatitas que ya no se forman. [7]
La parte superior del gradiente geotérmico está influenciada por la temperatura atmosférica . Las capas superiores del planeta sólido están a la temperatura producida por el clima local, decayendo aproximadamente a la temperatura media anual del suelo (MAGT) a una profundidad poco profunda de unos 10-20 metros dependiendo del tipo de suelo, roca, etc.; [8] [9] [10] [11] [12] es esta profundidad la que se utiliza para muchas bombas de calor geotérmicas . [13] Los primeros cientos de metros reflejan el cambio climático pasado; [14] al descender más, el calor aumenta de manera constante a medida que las fuentes de calor interiores comienzan a dominar.
La temperatura en el interior de la Tierra aumenta con la profundidad. En los márgenes de las placas tectónicas se encuentran rocas altamente viscosas o parcialmente fundidas a temperaturas entre 650 y 1200 °C (1200 y 2200 °F), lo que aumenta el gradiente geotérmico en las proximidades, pero solo se postula que el núcleo externo existe en estado fundido o fluido, y la temperatura en el límite entre el núcleo interno y el núcleo externo de la Tierra, a unos 3500 kilómetros (2200 millas) de profundidad, se estima en 5650 ± 600 Kelvin . [15] [16] El contenido de calor de la Tierra es de 10 31 julios . [1]
En la corteza continental de la Tierra, la desintegración de los nucleidos radiactivos naturales contribuye de forma significativa a la producción de calor geotérmico. La corteza continental es abundante en minerales de menor densidad, pero también contiene concentraciones significativas de elementos litófilos más pesados , como el uranio. Debido a esto, contiene el reservorio global más concentrado de elementos radiactivos que se encuentran en la Tierra. [19] Los elementos radiactivos naturales se enriquecen en las rocas de granito y basáltico, especialmente en las capas más cercanas a la superficie de la Tierra. [20] Estos altos niveles de elementos radiactivos están en gran parte excluidos del manto de la Tierra debido a su incapacidad para sustituir a los minerales del manto y al consiguiente enriquecimiento de los fundidos durante los procesos de fusión del manto. El manto está compuesto principalmente de minerales de alta densidad con mayores concentraciones de elementos que tienen radios atómicos relativamente pequeños, como el magnesio (Mg), el titanio (Ti) y el calcio (Ca). [19]
El gradiente geotérmico es más pronunciado en la litosfera que en el manto porque el manto transporta calor principalmente por convección, lo que genera un gradiente geotérmico que está determinado por la adiabática del manto, en lugar de por los procesos de transferencia de calor conductivo que predominan en la litosfera, que actúa como una capa límite térmica del manto convectivo. [ cita requerida ]
El calor fluye constantemente desde sus fuentes dentro de la Tierra hacia la superficie. La pérdida total de calor de la Tierra se estima en 44,2 TW ( 4,42 × 10 13 Watts ). [22] El flujo de calor medio es de 65 mW/m 2 sobre la corteza continental y de 101 mW/m 2 sobre la corteza oceánica . [22] Esto es 0,087 vatios/metro cuadrado en promedio (0,03 por ciento de la energía solar absorbida por la Tierra [23] ), pero está mucho más concentrado en áreas donde la litosfera es delgada, como a lo largo de las dorsales oceánicas (donde se crea nueva litosfera oceánica) y cerca de las columnas del manto . [24] La corteza terrestre actúa efectivamente como una gruesa manta aislante que debe ser perforada por conductos de fluidos (de magma, agua u otros) para liberar el calor que se encuentra debajo. La mayor parte del calor de la Tierra se pierde a través de la tectónica de placas, por el afloramiento del manto asociado con las dorsales oceánicas. Otro modo importante de pérdida de calor es por conducción a través de la litosfera , la mayor parte de la cual ocurre en los océanos debido a que la corteza allí es mucho más delgada y más joven que la de debajo de los continentes. [22] [25]
El calor de la Tierra se repone mediante la desintegración radiactiva a un ritmo de 30 TW. [26] Las tasas de flujo geotérmico global son más del doble de la tasa de consumo de energía humana de todas las fuentes primarias. Los datos globales sobre la densidad del flujo de calor son recopilados y compilados por la Comisión Internacional de Flujo de Calor (IHFC) de la IASPEI / IUGG . [27]
El calor del interior de la Tierra se puede utilizar como fuente de energía, conocida como energía geotérmica . El gradiente geotérmico se ha utilizado para calentar espacios y para bañarse desde la época de la antigua Roma, y más recientemente para generar electricidad. A medida que la población humana sigue creciendo, también lo hace el uso de energía y los impactos ambientales correlacionados que son consistentes con las fuentes primarias globales de energía. Esto ha provocado un creciente interés en encontrar fuentes de energía que sean renovables y que reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero. En áreas de alta densidad de energía geotérmica, la tecnología actual permite la generación de energía eléctrica debido a las altas temperaturas correspondientes. La generación de energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos no requiere combustible y, al mismo tiempo, proporciona energía de carga base real a una tasa de confiabilidad que supera constantemente el 90%. [19] Para extraer energía geotérmica, es necesario transferir eficientemente el calor desde un depósito geotérmico a una planta de energía, donde la energía eléctrica se convierte a partir del calor al pasar vapor a través de una turbina conectada a un generador. [19] La eficiencia de la conversión del calor geotérmico en electricidad depende de la diferencia de temperatura entre el fluido calentado (agua o vapor) y la temperatura ambiental, por lo que resulta ventajoso utilizar fuentes de calor profundas y de alta temperatura. A escala mundial, el calor almacenado en el interior de la Tierra proporciona una energía que todavía se considera una fuente exótica. En 2007, se instalaron alrededor de 10 GW de capacidad eléctrica geotérmica en todo el mundo, lo que generó el 0,3% de la demanda mundial de electricidad. Se instalaron 28 GW adicionales de capacidad de calefacción geotérmica directa para calefacción urbana, calefacción de espacios, spas, procesos industriales, desalinización y aplicaciones agrícolas. [1]
El gradiente geotérmico varía según la ubicación y, por lo general, se mide determinando la temperatura del fondo del pozo abierto después de la perforación. Sin embargo, los registros de temperatura obtenidos inmediatamente después de la perforación se ven afectados debido a la circulación del fluido de perforación. Para obtener estimaciones precisas de la temperatura del fondo del pozo, es necesario que el pozo alcance una temperatura estable. Esto no siempre es posible por razones prácticas.
En las zonas tectónicas estables de los trópicos , una gráfica de temperatura-profundidad convergerá hacia la temperatura superficial media anual. Sin embargo, en las zonas donde se desarrolló un permafrost profundo durante el Pleistoceno , se puede observar una anomalía de baja temperatura que persiste hasta varios cientos de metros. [28] La anomalía de frío de Suwałki en Polonia ha llevado al reconocimiento de que se registran perturbaciones térmicas similares relacionadas con los cambios climáticos del Pleistoceno- Holoceno en pozos de toda Polonia, así como en Alaska , el norte de Canadá y Siberia .
En las áreas de elevación y erosión del Holoceno (Fig. 1), el gradiente superficial será alto hasta que alcance un punto (denominado "Punto de inflexión" en la figura) donde alcanza el régimen de flujo de calor estabilizado. Si el gradiente del régimen estabilizado se proyecta por encima de este punto hasta su intersección con la temperatura media anual actual, la altura de esta intersección por encima del nivel de la superficie actual da una medida de la extensión de la elevación y erosión del Holoceno. En las áreas de subsidencia y sedimentación del Holoceno (Fig. 2), el gradiente inicial será menor que el promedio hasta que alcance un punto donde se una al régimen de flujo de calor estabilizado.
Las variaciones de la temperatura superficial, ya sean diarias, estacionales o inducidas por los cambios climáticos y el ciclo de Milankovitch , penetran por debajo de la superficie de la Tierra y producen una oscilación en el gradiente geotérmico con períodos que varían desde un día hasta decenas de miles de años, y una amplitud que disminuye con la profundidad. Las variaciones de período más largo tienen una profundidad de escala de varios kilómetros. [29] [30] El agua derretida de los casquetes polares que fluye a lo largo de los fondos oceánicos tiende a mantener un gradiente geotérmico constante en toda la superficie de la Tierra. [29] [ dudoso – discutir ] [ verificación necesaria ]
Si la tasa de aumento de temperatura con la profundidad observada en pozos poco profundos persistiera a mayores profundidades, las temperaturas en las profundidades de la Tierra pronto alcanzarían el punto en que las rocas se derretirían. Sin embargo, sabemos que el manto de la Tierra es sólido debido a la transmisión de ondas S. El gradiente de temperatura disminuye drásticamente con la profundidad por dos razones. Primero, el mecanismo de transporte térmico cambia de conducción , como dentro de las placas tectónicas rígidas, a convección , en la parte del manto de la Tierra que convecta. A pesar de su solidez , la mayor parte del manto de la Tierra se comporta en escalas de tiempo largas como un fluido , y el calor se transporta por advección , o transporte de material. Segundo, la producción de calor radiactivo se concentra dentro de la corteza de la Tierra, y particularmente dentro de la parte superior de la corteza, ya que las concentraciones de uranio , torio y potasio son más altas allí: estos tres elementos son los principales productores de calor radiactivo dentro de la Tierra. Así, el gradiente geotérmico dentro de la mayor parte del manto de la Tierra es del orden de 0,5 kelvin por kilómetro, y está determinado por el gradiente adiabático asociado con el material del manto ( peridotita en el manto superior). [31]
Los gradientes geotérmicos negativos se producen cuando la temperatura disminuye con la profundidad. Esto ocurre en los primeros cientos de metros cerca de la superficie. Debido a la baja difusividad térmica de las rocas, las temperaturas subterráneas profundas apenas se ven afectadas por las variaciones diurnas o incluso anuales de la temperatura superficial. Por lo tanto, a profundidades de unos pocos metros, las temperaturas subterráneas son similares a la temperatura superficial media anual. A mayores profundidades, las temperaturas subterráneas reflejan un promedio a largo plazo del clima pasado, de modo que las temperaturas a profundidades de decenas a cientos de metros contienen información sobre el clima de los últimos cientos a miles de años. Dependiendo de la ubicación, estas pueden ser más frías que las temperaturas actuales debido al clima más frío cerca de la última edad de hielo , o debido a un cambio climático más reciente. [32] [33] [14]
También pueden producirse gradientes geotérmicos negativos debido a acuíferos profundos , donde la transferencia de calor desde aguas profundas por convección y advección da como resultado que el agua en niveles más superficiales caliente las rocas adyacentes a una temperatura más alta que las rocas en un nivel algo más profundo. [34]
Los gradientes geotérmicos negativos también se encuentran a gran escala en las zonas de subducción. [35] Una zona de subducción es un límite de placa tectónica donde la corteza oceánica se hunde en el manto debido a la alta densidad de la placa oceánica en relación con el manto subyacente. Dado que la placa que se hunde entra en el manto a una velocidad de unos pocos centímetros por año, la conducción de calor no puede calentar la placa tan rápido como se hunde. Por lo tanto, la placa que se hunde tiene una temperatura más baja que el manto circundante, lo que resulta en un gradiente geotérmico negativo. [35]
"Recursos geotérmicos". DOE/EIA-0603(95) Información de referencia y datos de referencia de 1990 publicados inicialmente en el Anuario de energía renovable de 1995. Consultado el 4 de mayo de 2005 .
