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 procedente del manto mucho más caliente ; lejos de los límites de las placas tectónicas , la temperatura aumenta alrededor de 25 a 30 °C/km (72 a 87 °F/mi) de profundidad cerca de la superficie en la corteza continental. [1] Sin embargo, en algunos casos la temperatura puede descender al aumentar 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 a 20 m (33 a 66 pies).
Estrictamente hablando, la geotermia se refiere necesariamente a la Tierra, pero el concepto puede aplicarse a otros planetas. En unidades SI , el gradiente geotérmico se expresa como °C/km, [1] K/km, [2] o mK/m. [3] Todos estos 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 de la Tierra.) Debido a que gran parte del calor proviene de la desintegración radiactiva, los científicos creen que en las primeras etapas de la historia de la Tierra, antes de que se agotaran los nucleidos con vidas medias cortas, la producción de calor de la Tierra hubiera sido mucho mayor. La producción de calor fue el doble que la actual hace aproximadamente 3 mil millones de años, [6] lo que resultó en mayores gradientes de temperatura dentro de la Tierra, mayores tasas de convección del manto y placas tectónicas , lo que permitió la producción de rocas ígneas como las komatiitas que ya no se forman. . [7]
La cima 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 a aproximadamente la temperatura media anual del suelo (MAGT) a una profundidad de unos 10 a 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 cientos de metros superiores reflejan el cambio climático pasado; [14] descendiendo aún más, el calor aumenta constantemente a medida que las fuentes de calor interiores comienzan a dominar.
La temperatura dentro 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 cercanías, pero se postula que solo el núcleo externo existe en un estado fundido. o estado fluido, y la temperatura en el límite entre el núcleo interno y el núcleo externo de la Tierra, alrededor de 3500 kilómetros (2200 millas) de profundidad, se estima en 5650 ± 600 Kelvin . [15] [16] El contenido de calor de la Tierra es 10 31 julios . [1]
En la corteza continental de la Tierra, la desintegración de los nucleidos radiactivos naturales contribuye significativamente a la producción de calor geotérmico. La corteza continental abunda en minerales de menor densidad, pero también contiene concentraciones significativas de elementos litofílicos más pesados , como el uranio. Debido a esto, contiene la reserva global más concentrada de elementos radiactivos que se encuentran en la Tierra. [19] Los elementos radiactivos naturales se enriquecen en el granito y las rocas basálticas, especialmente en las capas más cercanas a la superficie de la Tierra. [20] Estos altos niveles de elementos radiactivos están en gran medida excluidos del manto de la Tierra debido a su incapacidad para sustituir los minerales del manto y el consiguiente enriquecimiento en los fundidos durante los procesos de fusión del manto. El manto está formado principalmente por minerales de alta densidad con mayores concentraciones de elementos que tienen radios atómicos relativamente pequeños, como magnesio (Mg), titanio (Ti) y 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 lleva a 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 actúan como capa límite térmica del manto convectivo. [ cita necesaria ]
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 vatios ). [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 forman nuevos océanos). se crea la litosfera) y cerca de plumas del manto . [24] La corteza terrestre actúa efectivamente como una gruesa capa aislante que debe ser perforada por conductos de fluidos (de magma, agua u otros) para liberar el calor que se encuentra debajo. Una mayor parte del calor en 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 debajo de los continentes. [22] [25]
El calor de la Tierra se repone mediante la desintegración radiactiva a un ritmo de 30 TW. [26] Los caudales geotérmicos globales 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, lo que se conoce como energía geotérmica . El gradiente geotérmico se ha utilizado para calentar espacios y bañarse desde la antigua época romana y, más recientemente, para generar electricidad. A medida que la población humana continúa creciendo, también lo hace el uso de energía y los impactos ambientales correlativos que son consistentes con las fuentes primarias de energía globales. Esto ha provocado un creciente interés en encontrar fuentes de energía que sean renovables y que hayan reducido las emisiones de gases de efecto invernadero. En zonas de alta densidad de energía geotérmica, la tecnología actual permite la generación de energía eléctrica debido a las correspondientes altas temperaturas. Generar energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos no requiere combustible y, al mismo tiempo, proporciona energía de carga base real con una tasa de confiabilidad que supera constantemente el 90%. [19] Para extraer energía geotérmica, es necesario transferir calor de manera eficiente desde un depósito geotérmico a una planta de energía, donde la energía eléctrica se convierte a partir de calor haciendo pasar vapor a través de una turbina conectada a un generador. [19] La eficiencia de convertir el calor geotérmico en electricidad depende de la diferencia de temperatura entre el fluido calentado (agua o vapor) y la temperatura ambiental, por lo que es 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. Alrededor de 10 GW de capacidad eléctrica geotérmica están instalados en todo el mundo en 2007, generando el 0,3% de la demanda mundial de electricidad. Se instalan 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 generalmente 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 áreas tectónicas estables en los trópicos , un gráfico de temperatura-profundidad convergerá con la temperatura superficial promedio anual. Sin embargo, en áreas donde se desarrolló permafrost profundo durante el Pleistoceno , se puede observar una anomalía de baja temperatura que persiste hasta varios cientos de metros. [28] La anomalía del frío de Suwałki en Polonia ha llevado al reconocimiento de que perturbaciones térmicas similares relacionadas con cambios climáticos del Pleistoceno- Holoceno se registran en pozos de toda Polonia, así como en Alaska , el norte de Canadá y Siberia .
En áreas de levantamiento y erosión del Holoceno (Fig. 1), el gradiente poco profundo será alto hasta llegar a un punto (etiquetado como "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 sobre el nivel de la superficie actual da una medida de la extensión del levantamiento y la erosión del Holoceno. En áreas de hundimiento y deposición del Holoceno (Fig. 2), el gradiente inicial será menor que el promedio hasta alcanzar un punto donde se une 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 bajo la superficie terrestre 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 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 del fondo del océano tiende a mantener un gradiente geotérmico constante en toda la superficie de la Tierra. [29] [ dudoso ] [ 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 el 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 porción del manto de la Tierra que convecta. A pesar de su solidez , la mayor parte del manto de la Tierra se comporta durante largas escalas de tiempo como un fluido , y el calor se transporta por advección o transporte de materia. En segundo lugar, la producción de calor radiactivo se concentra dentro de la corteza terrestre, y particularmente en la parte superior de la corteza, ya que allí las concentraciones de uranio , torio y potasio son mayores: 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 terrestre 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 ocurren cuando la temperatura disminuye con la profundidad. Esto ocurre en los pocos cientos de metros superiores 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 pocos metros de profundidad, las temperaturas subterráneas son similares a la temperatura media anual en la superficie. 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 cercano a la última edad de hielo , o debido a un cambio climático más reciente. [32] [33] [14]
Los gradientes geotérmicos negativos también pueden ocurrir debido a los acuíferos profundos , donde la transferencia de calor desde aguas profundas por convección y advección da como resultado que el agua en niveles menos profundos caliente las rocas adyacentes a una temperatura más alta que las rocas en un nivel algo más profundo. [34]
También se encuentran gradientes geotérmicos negativos a gran escala en zonas de subducción. [35] Una zona de subducción es el límite de una 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 ingresa al manto a un ritmo de unos pocos centímetros por año, la conducción de calor no puede calentar la placa tan rápidamente 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 antecedentes y datos de referencia de 1990 publicados inicialmente en el Renewable Energy Annual 1995 . Consultado el 4 de mayo de 2005 .
