گرما شکلی از انرژی می باشد و انرژی وابسته به حرارت مرکزی زمین بطور تحت اللفظی یک نوع انرژی داخلی زمینی می باشد که باعث ایجاد پدیده های زمین شناسی در مقیاس جهانی می‏گردد. زمین مانند یک دیگ بخار میباشد که در آن سیالات زمین گرمایی می توانند گرمای بالا و فشار زیاد مورد نیاز برای رسیدن به سطح زمین را بدست آورند. معمولاً، این سیالات در مخازنی روی می دهند که در عمق بیش از ۳۰۰۰ متری زمین قرار گرفته اند و می‏توان آنها را با استفاده از حفر چاه بازیافت نمود. تاسیسات سطحی انرژی زمین گرمایی را به نوعی مفید از انرژی، نظیر الکتریسیته و یا گرما برای مقاصد دیگر نظیر گرمای خانگی، تبدیل می کنند.

 

طبیعت گرمای زمین

سیاره ما متشکل از یک پوسته، با ضخامتی در حدود ۲۰ تا ۶۵ کیلومتر در نواحی قاره ای و ۵ تا ۶ کیلومتر در نواحی اقیانوسی، یک جبه با ضخامت ۲۹۰۰ کیلومتر و یک هسته با شعاع در حدود ۳۴۷۰ کیلومتر می باشد. خصیصه های شیمیایی و فیزیکی پوسته، جبه و هسته با سطح و مرکز زمین متفاوت می باشد. بیرونی ترین سطح زمین به نام لیتوسفر خوانده می‏شود که بالای سطح پوسته قرار گرفته است. ضخامت آن از حداقل ۸۰ کیلومتر در نواحی اقیانوسی تا بیش از ۲۰۰ کیلومتر در نواحی قاره ای می باشد.

خصیصه لیتوسفر، داشتن یک بدنه سخت می باشد. در زیر لیتوسفر ناحیه ای به نام استنوسفر، با ۲۰۰ تا ۳۰۰ کیلومتر ضخامت قرار دارد که دارای سختی کمتر و انعطاف پذیری بیشتر می باشد.

بواسطه تفاوت در دمای بین قسمتهای مختلف استنوسفر، حرکتهای رسانای گرمایی و احتمالاً سلولهای رسانای گرمایی در حدود دهها میلیون سال قبل تشکیل یافته اند. حرکت کاملاً آهسته آنها ( چندین سانتیمتر در سال) بوسیله تداوم تولید گرما از طریق اضمحلال عناصر رادیو اکتیو و گرمای متصاعد شده از عمیق ترین قسمتهای زمین ناشی گردیده است. حجمهای بسیار بزرگی از صخره های گرم با تراکم کمتر و دارای گرمای بیشتری از مواد اطراف‏، باعث تداوم این حرکت به سوی بالا گشته است. در حالیکه صخره های سردتر، متراکم تر و سنگین تر نزدیک سطح زمین تمایلی به فرورفتگی، داشتن گرمای مجدد و بازگشت به سطح داشتند، که بسیار مشابه با جوشیدن آب در یک کتری می باشد.

در نواحی که لیتوسفر نازک تر می باشد، و مخصوصاً در نواحی اقیانوسی لیتوسفر به سمت بالا آمده و بوسیله مواد مذاب بسیار داغ که از استنوسفر ناشی می شود، مترادف با بالا آمدن قسمتی از سلولهای رسانا، شکسته می گردد. چنین مکانیسمی باعث تولید برآمدگی های پراکنده در قدیم و حال حاضر گردیده که بیش از ۶۰٫۰۰۰ کیلومتر زیر دریا را پوشش داده و در برخی از نواحی به سطح آب می آید. این پدیده حتی در بین قاره ها نیز روی می دهد مانند دریای سرخ. قسمت نازکی از صخره های مذاب پدیدار شده از استنوسفر نیز باعث بوجود آمدن پوسته های سخت گردیده و در تماس با آب دریا منجمد شده و پوسته جدید اقیانوسی را بوجود آورده است.

 

موتور گرمای زمین

گرمای تولید شده در داخل زمین و گرمای انتشار یافته به سطح زمین به نظر غیر متعادل می‏باشند. برحسب یک تئوری سیاره ما به سوی سردشدن در حرکت می باشد.

فرایند سردشدن لایه میانی زمین عملاً بسیار آهسته صورت می گیرد، بطوریکه دمای آن در طول سه میلیارد سال گذشته بیشتر از ۳۵۰ – ۳۰۰ درجه سانتی گراد کاهش نیافته و هم اینک دمای نواحی مرکزی آن در حدود ۴۰۰۰ درجه سانتیگراد است.

در اینجا به نظر می رسد که کل حرارت موجود در اعماق زمین، با فرض اینکه میانگین دمای سطح زمین را ۱۵ درجه سانتیگراد در نظر بگیریم، به میزان ۱۰۲۴x12.6 مگاژول و سهم پوسته از این مقدار ۱۰۲۴x5.4 مگاژول باشد. بنابر این انرژی حرارتی زمین فوق العاده زیاد است، اما کسرکوچکی از آن می تواند توسط بشر مورد بهره برداری قرار گیرد. تاکنون بهره برداری ما از این انرژی، محدود به مناطقی بوده است که شرایط زمین شناسی آنها این اجازه را به یک سیال حامل (آب در فاز مایع یا بخار) میداده تا حرارت را از لایه های داغ عمقی به سطح زمین یا نزدیکی آن انتقال داده و بدین ترتیب منابع زمین گرمایی را بوجود آورد. اما تکنیکهای جدید و نوآوری شده ممکن است در آینده نزدیکی دیدگاههای جدیدی را در این زمینه بوجود آورد.

گرادیان زمین شناختی توضیح دهنده افزایش دما در عمق پوسته زمین می باشد. چنانچه دما در چند متر اول زیر سطح زمین،که بصورت میانگین مساوی دمای متوسط سالیانه فضای خارجی یعنی ۱۵ درجه سانتیگراد می باشد، می توانیم به طور منطقی تصویر کنیم که دما در عمق ۲۰۰۰ متر ۶۵ تا ۷۵ درجه سانتیگراد باشد. در عمق ۳۰۰۰ متر و بیشتر نیز دما در حدود ۹۰ تا ۱۰۵ درجه سانتیگراد خواهد بود.

با این وجود، نواحی وسیعی وجود دارد که در آن گرادیان گرمای زمین از مقدار میانگین فاصله دارد، نواحی مانند صخره های عمیق که در زیر زمین فرو رفته و حوضچه هایی که با رسوباتی که از نظر زمین شناختی بسیار جوان می باشند پوشیده گردیده است، گرادیان گرمای زمین ممکن است کمتر از ۱۰ درجه سانتیگراد بر ۱۰۰ متر باشد. از طرف دیگر، در برخی نواحی گرم زمین، گرادیان حتی بیش از ۱۰ برابر حد میانگین خواهد بود.