التدرج الحراري الأرضي

التدرج الحراري الأرضي هو معدل تغير درجة الحرارة مع ازدياد العمق في باطن الأرض . وكقاعدة عامة، ترتفع درجة حرارة القشرة الأرضية مع العمق نتيجة لتدفق الحرارة من الوشاح الأكثر سخونة ؛ فبعيدًا عن حدود الصفائح التكتونية ، ترتفع درجة الحرارة مع العمق بمعدل يتراوح بين 25 و30 درجة مئوية/كم (72-87 درجة فهرنهايت/ميل) بالقرب من سطح القشرة القارية. ^{[ 1 ]} مع ذلك، في بعض الحالات، قد تنخفض درجة الحرارة مع ازدياد العمق، خاصة بالقرب من السطح، وهي ظاهرة تُعرف بالتدرج الحراري الأرضي العكسي أو السالب . وتكون تأثيرات الطقس والمناخ سطحية، إذ لا تتجاوز عمق 10-20 مترًا (33-66 قدمًا) .    

بالمعنى الدقيق، يشير مصطلح "الحرارة الأرضية " بالضرورة إلى الأرض، ولكن يمكن تطبيق هذا المفهوم على الكواكب الأخرى. في وحدات النظام الدولي للوحدات ، يُعبّر عن التدرج الحراري الأرضي بالدرجة المئوية لكل كيلومتر (°C/km)، ^{[ 1 ]} أو بالكلفن لكل كيلومتر (K/km)، ^{[ 2 ]} أو بالملي كلفن لكل متر (mK/m)؛ ^{[ 3 ]} وهذه الوحدات جميعها متكافئة.

تأتي حرارة باطن الأرض من مزيج من الحرارة المتبقية من تراكم الكواكب ، والحرارة الناتجة عن التحلل الإشعاعي ، والحرارة الكامنة من تبلور اللب، وربما حرارة من مصادر أخرى. أهم النظائر المشعة المنتجة للحرارة في الأرض هي البوتاسيوم-40 ، واليورانيوم-238 ، واليورانيوم-235 ، والثوريوم-232 . ^{[ 4 ]} يُعتقد أن درجة حرارة اللب الداخلي تتراوح بين 4000 و7000 كلفن ،  وأن الضغط في مركز الكوكب يبلغ حوالي 360 جيجا باسكال (3.6 مليون ضغط جوي). ^{[ 5 ]} (تعتمد القيمة الدقيقة على توزيع الكثافة في الأرض). ونظرًا لأن جزءًا كبيرًا من الحرارة يُستمد من التحلل الإشعاعي، يعتقد العلماء أنه في المراحل المبكرة من تاريخ الأرض، قبل استنفاد النظائر المشعة ذات أعمار النصف القصيرة ، كان إنتاج الأرض للحرارة أعلى بكثير. كان إنتاج الحرارة ضعف ما هو عليه اليوم قبل حوالي 3 مليارات سنة، ^{[ 6 ]} مما أدى إلى تدرجات حرارية أكبر داخل الأرض، ومعدلات أكبر لحركة الحمل الحراري في الوشاح وحركة الصفائح التكتونية ، مما سمح بإنتاج الصخور النارية مثل الكوماتيت التي لم تعد تتشكل. ^{[ 7 ]}   

يتأثر الجزء العلوي من التدرج الحراري الأرضي بدرجة حرارة الغلاف الجوي . وتكون الطبقات العليا من الكوكب الصلب عند درجة حرارة ناتجة عن الطقس المحلي، ثم تنخفض إلى ما يقارب متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض السنوية (MAGT) على عمق ضحل يتراوح بين 10 و20 مترًا (33-66 قدمًا) اعتمادًا على نوع التربة والصخور وما إلى ذلك؛ ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} وهذا العمق هو الذي يُستخدم في العديد من مضخات الحرارة الأرضية . ^{[ 13 ]} وتعكس المئات من الأمتار العليا تغيرات المناخ السابقة؛ ^{[ 14 ]} ومع النزول أكثر، تزداد الحرارة باطراد حيث تبدأ مصادر الحرارة الداخلية في السيطرة. 

ترتفع درجة الحرارة داخل الأرض مع العمق. توجد صخور شديدة اللزوجة أو منصهرة جزئيًا عند درجات حرارة تتراوح بين 650 و1200 درجة مئوية (1200 و2200 درجة فهرنهايت) على هوامش الصفائح التكتونية، مما يزيد من التدرج الحراري الأرضي في المنطقة المجاورة. ولكن يُفترض أن اللب الخارجي فقط هو الموجود في حالة منصهرة أو سائلة، وتُقدر درجة الحرارة عند حدود اللب الداخلي/الخارجي للأرض، على عمق حوالي 5150 كيلومترًا (3200 ميل) ، ^{[ 15 ]} بـ 5650 ± 600 كلفن . ^{[ 16 ] [ 17 ]} يبلغ المحتوى الحراري للأرض 10 ^{^31} جول . ^{[ 1 ]}   

• ينشأ جزء كبير من الحرارة من تحلل العناصر المشعة طبيعياً. وتشير التقديرات إلى أن ما بين 45 و90 بالمئة من الحرارة المنبعثة من الأرض مصدرها التحلل الإشعاعي للعناصر، الموجودة بشكل رئيسي في الوشاح. ^{[ 6 ] [ 18 ] [ 19 ]}
• طاقة الوضع التثاقلية ، والتي يمكن تقسيمها إلى ما يلي:
  • يتم إطلاقها أثناء تراكم الأرض.
  • الحرارة المنبعثة أثناء عملية التمايز ، حيث نزلت المعادن الثقيلة الوفيرة ( الحديد والنيكل والنحاس ) إلى لب الأرض.
• الحرارة الكامنة المنبعثة عندما يتبلور اللب الخارجي السائل عند حدود اللب الداخلي .
• قد تتولد الحرارة بفعل قوى المد والجزر على الأرض أثناء دورانها (قانون حفظ الزخم الزاوي). وتؤدي ظاهرة المد والجزر الناتجة إلى تبديد الطاقة في باطن الأرض على شكل حرارة.

في القشرة القارية للأرض، يُسهم تحلل النويدات المشعة الطبيعية إسهامًا كبيرًا في إنتاج الحرارة الجوفية. وتزخر القشرة القارية بالمعادن منخفضة الكثافة، ولكنها تحتوي أيضًا على تركيزات عالية من العناصر الليثوفيلية الثقيلة ، مثل اليورانيوم. ولهذا السبب، تُعدّ القشرة القارية الخزان العالمي الأكثر تركيزًا للعناصر المشعة الموجودة على سطح الأرض. ^{[ 20 ]} وتتركز العناصر المشعة الموجودة طبيعيًا في صخور الجرانيت والبازلت، لا سيما في الطبقات الأقرب إلى سطح الأرض. ^{[ 21 ]} وتُستبعد هذه المستويات العالية من العناصر المشعة إلى حد كبير من وشاح الأرض نظرًا لعدم قدرتها على الإحلال في معادن الوشاح، وبالتالي تراكمها في الصهارة أثناء عمليات انصهار الوشاح. ويتكون الوشاح في معظمه من معادن عالية الكثافة ذات تركيزات أعلى من العناصر ذات أنصاف أقطار ذرية صغيرة نسبيًا، مثل المغنيسيوم (Mg) والتيتانيوم (Ti) والكالسيوم (Ca). ^{[ 20 ]}

يكون التدرج الحراري الأرضي أكثر حدة في الغلاف الصخري منه في الوشاح لأن الوشاح ينقل الحرارة بشكل أساسي عن طريق الحمل الحراري، مما يؤدي إلى تدرج حراري أرضي تحدده عملية الأديباتية للوشاح، بدلاً من عمليات نقل الحرارة التوصيلية التي تسود في الغلاف الصخري، والذي يعمل كطبقة حدودية حرارية للوشاح المتحرك.

تتدفق الحرارة باستمرار من مصادرها داخل الأرض إلى سطحها. ويُقدّر إجمالي فقدان الحرارة من الأرض بنحو 44.2  تيراواط ( 4.42 × 10¹³ ^واط ) . ^{[ 23 ]} ويبلغ متوسط ​​تدفق الحرارة 65  ملي واط/م² ^فوق القشرة القارية و101  ملي واط/م² ^فوق القشرة المحيطية . ^{[ 23 ]} وهذا يعادل 0.087 واط/م² في المتوسط ​​(0.03% من الطاقة الشمسية التي تمتصها الأرض ^{[ 24 ]} )، ولكنه يتركز بشكل أكبر في المناطق التي تكون فيها الغلاف الصخري رقيقًا، مثل سلاسل منتصف المحيط (حيث يتشكل غلاف صخري محيطي جديد) وبالقرب من أعمدة الوشاح . ^{[ 25 ]} وتعمل قشرة الأرض فعليًا كغطاء عازل سميك يجب أن تخترقه قنوات السوائل (من الصهارة أو الماء أو غيرها) لإطلاق الحرارة الموجودة تحته. يُفقد جزء كبير من حرارة الأرض عبر حركة الصفائح التكتونية، نتيجة صعود الوشاح المرتبط بسلاسل منتصف المحيطات. ومن الطرق الرئيسية الأخرى لفقدان الحرارة التوصيل الحراري عبر الغلاف الصخري ، والذي يحدث معظمه في المحيطات نظرًا لأن قشرتها أرق وأحدث عمرًا بكثير من قشرتها تحت القارات. ^{[ 23 ] [ 26 ]}

تُستعاد حرارة الأرض عن طريق التحلل الإشعاعي بمعدل 30  تيراواط. ^{[ 27 ]} تتجاوز معدلات التدفق الحراري الأرضي العالمي ضعف معدل استهلاك الطاقة البشرية من جميع المصادر الأولية. وتقوم اللجنة الدولية لتدفق الحرارة (IHFC) التابعة للجمعية الدولية لعلم الفلك والفيزياء الفلكية ( IASPEI ) والاتحاد الدولي للجيوديسيا والجيوفيزياء ( IUGG ) بجمع وتصنيف البيانات العالمية المتعلقة بكثافة التدفق الحراري . ^{[ 28 ]}

يمكن استخدام الحرارة المنبعثة من باطن الأرض كمصدر للطاقة، والمعروفة باسم الطاقة الحرارية الأرضية . وقد استُخدم التدرج الحراري الأرضي للتدفئة والاستحمام منذ العصر الروماني القديم، ومؤخرًا لتوليد الكهرباء. ومع استمرار نمو عدد سكان العالم، يزداد استهلاك الطاقة وما يترتب عليه من آثار بيئية تتوافق مع مصادر الطاقة الأولية العالمية. وقد أدى ذلك إلى تزايد الاهتمام بإيجاد مصادر طاقة متجددة ذات انبعاثات غازات دفيئة منخفضة. في المناطق ذات الكثافة العالية للطاقة الحرارية الأرضية، تسمح التقنيات الحالية بتوليد الطاقة الكهربائية نظرًا لارتفاع درجات الحرارة. ولا يتطلب توليد الطاقة الكهربائية من موارد الطاقة الحرارية الأرضية أي وقود، مع توفير طاقة أساسية حقيقية بمعدل موثوقية يتجاوز 90% باستمرار. ^{[ 20 ]} ولاستخراج الطاقة الحرارية الأرضية، من الضروري نقل الحرارة بكفاءة من خزان حراري أرضي إلى محطة توليد الطاقة، حيث تُحوّل الحرارة إلى طاقة كهربائية بتمرير البخار عبر توربين متصل بمولد. ^{[ 20 ]} تعتمد كفاءة تحويل الحرارة الجوفية إلى كهرباء على فرق درجة الحرارة بين السائل المُسخّن (الماء أو البخار) ودرجة حرارة البيئة المحيطة، لذا يُفضّل استخدام مصادر حرارية عميقة ذات درجات حرارة عالية. وعلى الصعيد العالمي، تُشكّل الحرارة المُخزّنة في باطن الأرض مصدرًا للطاقة لا يزال يُعتبر نادرًا. وقد تمّ تركيب حوالي 10  جيجاواط من الطاقة الكهربائية الجوفية حول العالم حتى عام 2007، مُولّدةً 0.3% من الطلب العالمي على الكهرباء. كما تمّ تركيب 28 جيجاواط إضافية من الطاقة الحرارية الجوفية المُخصّصة للتدفئة المركزية، وتدفئة المنازل، والمنتجعات الصحية، والعمليات الصناعية، وتحلية المياه، والتطبيقات الزراعية. ^{[ 1 ]}

يختلف التدرج الحراري الأرضي باختلاف الموقع، ويُقاس عادةً بتحديد درجة حرارة قاع البئر المكشوفة بعد حفرها. إلا أن سجلات درجة الحرارة التي تُسجل مباشرةً بعد الحفر تتأثر بدوران سائل الحفر. وللحصول على تقديرات دقيقة لدرجة حرارة قاع البئر، من الضروري أن تصل درجة حرارة البئر إلى مستوى ثابت، وهو أمر لا يمكن تحقيقه دائمًا لأسباب عملية.

في المناطق التكتونية المستقرة في المناطق الاستوائية ، يتقارب منحنى درجة الحرارة مع العمق مع متوسط ​​درجة حرارة السطح السنوية. مع ذلك، في المناطق التي تشكلت فيها تربة صقيعية عميقة خلال العصر البليستوسيني ، يمكن ملاحظة شذوذ في درجات الحرارة المنخفضة يستمر حتى عمق عدة مئات من الأمتار. ^{[ 29 ]} وقد أدى الشذوذ البارد في سووالكي ببولندا إلى إدراك أن اضطرابات حرارية مماثلة مرتبطة بالتغيرات المناخية بين العصرين البليستوسيني والهولوسيني مسجلة في آبار حفر في جميع أنحاء بولندا، وكذلك في ألاسكا وشمال كندا وسيبيريا .

في مناطق الرفع والتعرية خلال العصر الهولوسيني (الشكل 1)، يكون التدرج الطفيف مرتفعًا حتى يصل إلى نقطة (مُشار إليها بـ "نقطة الانعطاف" في الشكل) حيث يستقر نظام التدفق الحراري. إذا تم إسقاط تدرج هذا النظام المستقر فوق هذه النقطة إلى نقطة تقاطعه مع متوسط ​​درجة الحرارة السنوية الحالية، فإن ارتفاع هذه النقطة فوق مستوى سطح الأرض الحالي يُعطي مقياسًا لمدى الرفع والتعرية خلال العصر الهولوسيني. أما في مناطق الهبوط والترسيب خلال العصر الهولوسيني (الشكل 2)، فيكون التدرج الأولي أقل من المتوسط ​​حتى يصل إلى نقطة ينضم عندها إلى نظام التدفق الحراري المستقر.

تتغلغل التغيرات في درجة حرارة سطح الأرض، سواء كانت يومية أو موسمية أو ناتجة عن تغيرات المناخ ودورة ميلانكوفيتش ، تحت سطح الأرض، مُحدثةً تذبذبًا في التدرج الحراري الأرضي بفترات تتراوح من يوم إلى عشرات آلاف السنين، وبسعة تتناقص مع العمق. ويبلغ عمق أطول فترات هذه التغيرات عدة كيلومترات. ^{[ 30 ] [ 31 ]} وتميل مياه ذوبان القمم الجليدية القطبية المتدفقة على طول قيعان المحيطات إلى الحفاظ على تدرج حراري أرضي ثابت في جميع أنحاء سطح الأرض. ^{[ 30 ]}

إذا استمر معدل ارتفاع درجة الحرارة مع العمق، كما هو مُلاحظ في الآبار الضحلة، عند أعماق أكبر، فإن درجات الحرارة في أعماق الأرض ستصل قريبًا إلى نقطة انصهار الصخور. ومع ذلك، نعلم أن وشاح الأرض صلب بسبب انتقال الموجات الثانوية (S-waves ). ويتناقص تدرج درجة الحرارة بشكل كبير مع العمق لسببين. أولًا، تتغير آلية النقل الحراري من التوصيل ، كما هو الحال داخل الصفائح التكتونية الصلبة، إلى الحمل الحراري ، في الجزء من وشاح الأرض الذي يشهد الحمل الحراري. فعلى الرغم من صلابته ، يتصرف معظم وشاح الأرض على مدى فترات زمنية طويلة كسائل ، وتنتقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري ، أو نقل المادة. ثانيًا، يتركز إنتاج الحرارة الإشعاعية داخل قشرة الأرض، وخاصة في الجزء العلوي منها، حيث تكون تركيزات اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم في أعلى مستوياتها: فهذه العناصر الثلاثة هي المُنتِجات الرئيسية للحرارة الإشعاعية داخل الأرض . وبالتالي، فإن التدرج الحراري الأرضي داخل الجزء الأكبر من وشاح الأرض يبلغ حوالي 0.5 كلفن لكل كيلومتر، ويتحدد هذا التدرج بالتدرج الأديباتي المرتبط بمادة الوشاح ( البيريدوتيت في الوشاح العلوي). ^{[ 32 ]}

تحدث التدرجات الحرارية الأرضية السالبة حيث تنخفض درجة الحرارة مع العمق، ويحدث هذا في الطبقات العليا التي لا تتجاوز بضع مئات من الأمتار قرب السطح. ونظرًا لانخفاض معامل الانتشار الحراري للصخور، فإن درجات الحرارة في أعماق الأرض لا تتأثر تقريبًا بالتغيرات اليومية أو حتى السنوية في درجة حرارة السطح. ولذلك، عند أعماق بضعة أمتار، تكون درجات الحرارة تحت الأرض مماثلة لمتوسط ​​درجة حرارة السطح السنوية. أما عند أعماق أكبر، فتعكس درجات الحرارة تحت الأرض متوسطًا طويل الأمد للمناخ الماضي، بحيث تحتوي درجات الحرارة على أعماق تتراوح بين عشرات ومئات الأمتار على معلومات حول مناخ المئات إلى آلاف السنين الماضية. وتبعًا للموقع، قد تكون هذه الدرجات أبرد من درجات الحرارة الحالية بسبب برودة الطقس قرب العصر الجليدي الأخير ، أو بسبب تغيرات مناخية أحدث. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 14 ]}

قد تحدث تدرجات حرارية أرضية سلبية أيضًا بسبب طبقات المياه الجوفية العميقة ، حيث يؤدي انتقال الحرارة من المياه العميقة عن طريق الحمل الحراري والحمل إلى تسخين المياه في المستويات الضحلة للصخور المجاورة إلى درجة حرارة أعلى من الصخور في مستوى أعمق قليلاً. ^{[ 35 ]}

تُلاحظ تدرجات حرارية أرضية سالبة على نطاق واسع في مناطق الاندساس. ^{[ 36 ]} منطقة الاندساس هي حدود بين الصفائح التكتونية حيث تغوص القشرة المحيطية في الوشاح نتيجةً لكثافة الصفيحة المحيطية العالية مقارنةً بالوشاح الذي يقع أسفلها. ولأن الصفيحة الغاطسة تدخل الوشاح بمعدل بضعة سنتيمترات سنويًا، فإن التوصيل الحراري لا يستطيع تسخين الصفيحة بنفس سرعة غوصها. لذلك، تكون درجة حرارة الصفيحة الغاطسة أقل من درجة حرارة الوشاح المحيط بها، مما ينتج عنه تدرج حراري أرضي سالب. ^{[ 36 ]}

• تدرج درجة الحرارة
• ميزانية الحرارة الداخلية للأرض
• الطاقة الحرارية الأرضية
• الدوران الحراري المائي

• مجموعة بيانات قاعدة بيانات تدفق الحرارة العالمية PANGAEA تتضمن تدرجات حرارية أرضية لعدد كبير من المواقع حول العالم