геосфера. ответы экз энергетика геосферы. Дисцеплина Энергетика геосферы. Экзаменационный билет 1

• Название: Дисцеплина Энергетика геосферы. Экзаменационный билет 1
• Анкор: геосфера
• Дата: 17.11.2022
• Размер: 1.44 Mb.
• Имя файла: ответы экз энергетика геосферы.docx
• Тип: Документы; #793618
• страница: 15 из 18

Экзаменационный билет № 16

1. 
   Виды энергетических потоков в литосфере (поверхностное тепло, глубинное тепло).
   

Земля обладает тепловой энергией внешнего (экзогенного) и внутреннего (эндогенного) происхождения. Основными источниками внутренней тепловой энергии являются:
• радиоактивные элементы период полураспада которых, меньше периода формирования Земли. Такие элементы распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время;

• приливы, вызванные притяжением Солнца и Луны. Из-за этих факторов за время существования Земли выделилось до 30 % теплоты радиогенного происхождения;

• гравитационная дифференциация вещества Земли и его расслоение с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки;

• тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации;

• физико-химические процессы, протекающие в недрах Земли.

Термический градиент Определяя термический градиент — скорость увеличения температуры с глубиной — в шахтах и скважинах на различной глубине, Кельвин пришел к выводу, что по этим данным можно предположить, как долго Земля должна остывать, и, следовательно, определить возраст Земли. По оценке Кельвина, температура на ближайших глубинах под поверхностью увеличивается на 20 - 40° С на каждую тысячу метров глубины. Получалось, что Земля остыла до современного состояния всего за несколько десятков миллионов лет. Но это никак не сходится с другими данными, например, с данными о продолжительности многих известных геологических эпох. Дебаты по этому вопросу продолжались полвека и поставили Кельвина в оппозицию таким выдающимся эволюционистам, как Чарльз Дарвин и Томас Гексли.
Непосредственные измерения теплового потока Земли начались относительно недавно: сначала на континентах — в 1939 году в глубоких скважинах в Южной Африке, на дне океанов позднее — с 1954 года, в Атлантике. В нашей стране впервые тепловой поток был измерен в глубоких скважинах Сочи и Мацесты. В последние годы накопление экспериментально полученных данных о тепловых потоках идет достаточно быстро.
Сопоставление измерений глубинного теплового потока, проведенных в разных точках планеты, показывает, что потеря энергии через различные участки поверхности планеты идет по-разному. Это говорит о неоднородности коры и мантии, дает возможность судить о характере многих процессов, протекающих на различных недоступных нашему глазу глубинах под земной поверхностью, дает ключ к изучению механизма развития планеты и ее внутренней энергетики.
Сколько же тепла Земля теряет за счет теплового потока из недр? Оказывается, что в среднем это значение невелико — около 0,06 ватта на квадратный метр поверхности, или около 30 триллионов ватт над всей планетой. От Солнца Земля получает энергии приблизительно в 4 тысячи раз больше. И, конечно, именно солнечное тепло играет главную роль в установлении температуры на земной поверхности.
Тепло, выделяемое планетой через поверхность площадью с футбольное поле, приблизительно равно теплу, которое могут дать три стоваттных лампочки. Такой поток энергии кажется незначительным, но ведь он исходит от всей поверхности Земли и постоянно! Мощность всего теплового потока, идущего из недр планеты, примерно в 30 раз больше мощности всех современных электростанций мира.



Чтобы определить тепловой поток, непременно надо знать две величины. Температурный градиент измеряют чувствительными приборами - датчиками (термисторами) в шахтах или специально пробуренных скважинах, на глубине oт нескольких десятков до нескольких сот метров. Теплопроводность горных пород определяют, исследуя в лабораториях образцы.


Измерение тепловых потоков на дне океанов связано с немалыми трудностями: работы приходится вести под водой на значительных глубинах. Однако там есть и свои преимущества: на дне океанов не приходится бурить скважины, потому что осадки обычно достаточно мягкие и длинный цилиндрический зонд, с помощью которого делают замеры температуры, легко погружается на несколько метров в мягкие осадки.
Тем кто занимается геотермикой, очень нужна карта теплового потока для всей поверхности планеты. Точки, в которых уже проведены измерения теплового потока, распределены по поверхности Земли чрезвычайно неравномерно. На морях и океанах измерений сделано вдвое больше, чем не суше. Северная Америка, Европа и Австралия, океаны в средних широтах изучены достаточно полно. А в остальных участках земной поверхности измерений пока мало или совсем еще нет. И все же современный объем данных о тепловом потоке Земли уже позволяет построить обобщенные, но достаточно достоверные карты.
Выход тепла из недр Земли на поверхность происходит неравномерно. В некоторых районах Земля отдает больше тепла, чем в среднем по планете, в других — выход тепла значительно меньше. «Холодные пятна» приходятся на Восточную Европу (Восточно-Европейская платформа), Канаду (Канадский щит), Северную Африку, Австралию, Южную Америку глубоководные бассейны Тихого, Индийского и Атлантического океанов. «Теплые» и «горячие» пятна — участки повышенного теплового потока — приходятся на районы Калифорнии, Альпийской Европы, Исландии, Красного моря, Восточно-Тихоокеанского поднятия, подводных срединных хребтов Атлантического и Индийского океанов.

Кроме тепла, поступающего из недр, земная поверхность получает энергию излучения Солнца в течение всего года. Температура самых верхних слоев земной коры зависит от поступления солнечного тепла. Суточные изменения температуры распространяются на глубину не более 1—2 м. До глубины 20—25 м температура слоев сезонно изменяется. На этой глубине находится пояс постоянной годовой температуры (нейтральный слой), равной средней годовой температуре воздуха па поверхности Земли. Верхняя часть земной коры, располагающаяся выше нейтрального слоя и испытывающая влияние солнечного тепла, получила название гелиотермической зоны.
Нейтральный слой в разных районах земной поверхности располагается па различных глубинах. Последнее зависит от амплитуды температур па поверхности и теплопроводности горных пород: чем резче колебания температур и выше теплопроводность горных пород, тем глубже находится нейтральный слой. Например, температура нейтрального слоя Москвы и зафиксированного па глубине 20 м составляет 4,2 °С.

Ниже нейтрального слоя находится геотермическая зона, для которой свойственно тепло, генерируемое Землей. Под геотермальной энергией понимают физическое тепло глубинных слоев Земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. В качестве носителей этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Среднее значение теплового потока, поступающего из недр к поверхности,

2. 
   Причины возникновения приливов. Энергия приливов.
   

Приливные колебания уровня в океанах происходят периодически: суточные с периодом 24 часа 50 минут и полусуточные с периодом 12 часов 25 минут. Разность уровней самого высокого и самого низкого – это высота прилива. Она колеблется от 0,5 до 10-11 метров. Во время приливов и отливов возникают приливные течения, скорость которых в проливах между островами достигает 4-5 м/с. Причиной возникновения приливов является гравитационное взаимодействие Земли 1 с Луной 2 и Солнцем, (рисунок 1.) Гравитационные же силы удерживают воду на поверхности вращающейся Земли. Плоскость вращения Луны относительно Земли имеет наклон относительно плоскости эклектики (в которой Земля вращается относительно Солнца) и дважды в течение солнечных суток Луна проходит через экваториальную плоскость.

Основной период приливов полусуточный. Приливы с такой периодичностью преобладают в Мировом океане. Наблюдаются также приливы суточные и смешанные. Характеристики смешанных приливов изменяются в течение месяца в зависимости от склонения Луны.
В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек, проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией. Наибольшей величины приливы достигают в заливе Фанди (Атлантическое побережье Канады). У порта Монктон в этом заливе уровень воды во время прилива поднимается на 19,6 м. В Англии, в устье реки Северн, впадающей в Бристольский залив, наибольшая высота прилива составляет 16,3 м. На Атлантическом побережье Франции, у Гранвиля, прилив достигает высоты 14,7 м, а в районе Сен-Мало до 14 м. Во внутренних морях приливы незначительны. Так, в Финском заливе, вблизи Ленинграда, величина прилива не превышает 4...5 см, в Черном море, у Трапезунда, доходит до 8 см.
Поднятия и опускания водной поверхности во время приливов и отливов сопровождаются горизонтальными приливо-отливными течениями. Скорость этих течений во время сизигий в 2...3 раза больше, чем во время квадратур. Приливные течения в моменты наибольших скоростей называют «живой водой».

Приливная электростанция (ПЭС) может быть расположена непосредственно в приливном течении.

Другой вариант расположения ПЭС – бассейн, отделённый от океана дамбой или плотиной. Во время прилива вода в бассейне поднимается на максимальную высоту. При отливе масса воды пропускается через турбину, вырабатывая электроэнергию. Развитие приливной энергетики возможно в местах с большими высотами приливов и большими потенциалами приливной энергии, например, на побережье Северной Америки (9…11м), в западной Африке 5м, на побережье Белого, Баренцева морей, во Франции (Бретань), Великобритании (Северн), Ирландии, Австралии. Приливные энергоустановки характеризуются большими капитальными затратами. Капитальные затраты на строительство ПЭС могут быть снижены решением комплексных хозяйственных задач: одновременным строительством дорог вдоль дамб, улучшением условий судоходства, снижением расхода дорогого дизельного топлива и так далее. Крупнейшие приливные электростанции:
Ла Ранс – Франция – 240.000 кВт – 24 турбины – 1967г.
Аннаполис – Канада – 20.000 кВт – 1 турбина – 1984г.
Джянгксия – Китай – 3.900 кВт – 6 турбин – 1986г.
Байсхакоу – Китай – 640 кВт – 4 турбины – 1985г.
Кислогубская – Россия – 400 кВт – 1 турбина – 1968г.
Мировое сообщество предполагает лидирующее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов. Ее запасы могут обеспечить до 15 % современного энергопотребления. 33-летний опыт эксплуатации первых в мире ПЭС - Ранс во Франции и Кислогубской в России - доказали, что приливные электростанции:
-устойчиво работают в энергосистемах, как в базе, так и в пике графика нагрузок при гарантированной постоянной месячной выработке электроэнергии;
-не загрязняют атмосферу вредными выбросами в отличие от тепловых станций;
-не затапливают земель в отличие от гидроэлектростанций;
-не представляют потенциальной опасности в отличие от атомных станций;
-капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС благодаря апробированному в России наплавному способу строительства (без перемычек) и применению нового технологичного ортогонального гидроагрегата;
-стоимость электроэнергии самая дешевая в энергосистеме (доказано за 35 лет на ПЭС Ранс - Франция).
Экологический эффект (на примере Мезенской ПЭС) заключается в предотвращении выброса 17,7 млн. тонн углекислого газа (СО2) в год, что при стоимости компенсации выброса 1 тонны СО2 в 10 USD (данные Мировой энергетической конференции 1992 г.) может приносить по формуле Киотского протокола ежегодный доход около 1,7 млрд. USD.
В России обоснования проектов ПЭС осуществляются на специализированной морской научной базе на Баренцевом море, где идут исследования морских материалов, конструкций, оборудования и антикоррозионных технологий.Российские специалисты по приливной энергии в институтах Гидропроект и НИИЭС осуществляют полный комплекс проектных и научно-исследовательских работ по созданию морских энергетических и гидротехнических сооружений на побережье и на шельфе, в том числе в условиях Крайнего Севера, позволяющие в полной мере реализовать все преимущества приливной гидроэнергетики.