省流回答

物体的温度其实是分子振动的势能的宏观体现。

巨大的海洋输送机（大洋环流）将水输送到全球各地。 寒冷的咸水密度较大，会沉入海底，而暖水密度较小，会留在海面。

冷水的密度比温水高。 水随着深度的增加而变冷，因为寒冷、含盐的海水沉入海洋盆地的底部，低于地表附近密度较小的温暖水域。 深海冷咸水的下沉和输送，加上风驱动的地表温水流动，形成了一种复杂的海洋环流模式，称为“全球传送带”。

相比之下，地球在深处变得越来越热，主要是因为放射性衰变的能量从地球的核心向外泄漏。而且地壳和地幔的岩石相对移动速度非常慢（板块运动速度一年大约仅几厘米，如北美板块和欧亚板块之间的相对运动速度约为 2.5 厘米 / 年），可视为相对固定，所以在地球深部放射性生热的持续加热下地球内部温度越来越高，地核温度可超过 5000℃。虽然地下的这种地热能沿着海底可以转移到海水中，但其影响非常小，无法通过直接手段测量。

为什么？ 地球每平方米实际产生的热量相当小，特别是与温暖海洋所需的热量相比。 从地球发出的地热能平均每平方米仅约为十分之一瓦。 按照这样的热流速度（不考虑洋流），将海底一米加热一摄氏度就需要一年多的时间。

然而，海洋并没有停滞不前。 由温度和盐度的密度变化驱动的复杂的深洋流不断地用较冷的水取代底层的海水。

拓展阅读——地温梯度

关于地球越往深处，温度越高，有一个重要概念，叫做地温梯度（geothermal gradient）。这里给大伙科普一下。

地温梯度简介

地温梯度是温度随地球内部深度增加的变化率。 一般来说，由于来自更热的地幔的热流，地壳温度随着深度的增加而升高。 远离板块边界，世界大部分地区地表附近的深度温度升高约 25–30 °C/km (72–87 °F/mi)。 [1] 然而，在某些情况下，温度可能会随着深度的增加而下降，尤其是在地表附近，这种现象称为反地温梯度或负地温梯度。 天气、阳光和季节的影响仅达到大约 10-20 m（33-66 英尺）的深度。

严格来说，地热一定是指地球，但这个概念也可以适用于其他行星。 在 SI 单位中，地温梯度表示为 °C/km、[1] K/km、[2] 或 mK/m。[3] 这些都是等价的。

地球的内部热量来自行星吸积的余热、放射性衰变产生的热量、地核结晶的潜热以及可能来自其他来源的热量的组合。 地球上主要的产热核素是钾 40、铀 238、铀 235 和钍 232。[4] 内核的温度被认为在 4000 至 7000 K 范围内，行星中心的压力被认为约为 360 GPa（360 万个大气压）。[5] （确切的值取决于地球的密度分布。）由于大部分热量是由放射性衰变提供的，科学家认为，在地球历史的早期，在半衰期短的核素耗尽之前，地球产生的热量将是 高得多。 大约 30 亿年前，热量产生量是现在的两倍，[6] 导致地球内部温度梯度更大、地幔对流和板块构造速率更大，从而产生了不再形成的火成岩，例如科马提岩 .[7]

地温梯度的顶部受大气温度的影响。 固体行星最上层的温度由当地天气产生，根据地面、岩石等的类型，在约 10-20 米的浅深度处衰减到大约年平均地温 (MAGT)。 ;[8][9] [10][11][12]许多地源热泵都采用这个深度。[13] 顶部数百米反映了过去的气候变化；[14]进一步下降，随着内部热源开始占主导地位，温暖度稳步增加。

热源

地球内部的温度随着深度的增加而增加。 在构造板块边缘发现了温度在 650 至 1,200 °C（1,200 至 2,200 °F）之间的高粘性或部分熔融岩石，增加了附近的地温梯度，但推测只有外核存在于熔融状态。 或流体状态，大约 3,500 公里（2,200 英里）深的地球内核 / 外核边界的温度估计为 5650 ± 600 开尔文。[15][16] 地球的热含量为 1031 焦耳。[1]

• 大部分热量是由天然放射性元素的衰变产生的。 据估计，从地球逸出的热量中有 45% 至 90% 来自元素的放射性衰变，主要位于地幔中。[6][17][18]
• 重力势能，又可进一步分为：①在地球吸积过程中释放。②随着丰富的重金属（铁、镍、铜）下降到地核，分化过程中释放出热量。
• 当液态外核在内核边界结晶时释放出潜热。
• 地球自转时的潮汐力可能会产生热量（角动量守恒）。 由此产生的地球潮汐将地球内部的能量以热量的形式耗散。

当今主要产热核素[21]

在地球的大陆地壳中，天然放射性核素的衰变对地热的产生做出了重大贡献。 大陆地壳富含低密度矿物，但也含有大量较重的亲石元素，例如铀。 正因为如此，它拥有地球上发现的全球最集中的放射性元素库。 [19] 天然存在的放射性元素在花岗岩和玄武岩中富集，特别是在靠近地球表面的层中。 [20] 这些高含量的放射性元素在很大程度上被排除在地幔之外，因为它们无法替代地幔矿物并随后在地幔熔化过程中在熔体中富集。 地幔主要由高密度矿物组成，其中原子半径相对较小的元素浓度较高，如镁（Mg）、钛（Ti）和钙（Ca）。 [19]

岩石圈中的地温梯度比地幔中的地温梯度更陡，因为地幔主要通过对流传递热量，导致地温梯度由地幔绝热层决定，而不是由岩石圈中占主导地位的传导传热过程决定。 作为对流地幔的热边界层。[需要引用]

热流

热量不断地从地球内部的来源流向地表。 地球的总热量损失估计为 44.2 TW（4.42 × 1013 瓦）。[22] 大陆地壳上的平均热流为 65 mW/m2，洋壳上的平均热流为 101 mW/m2。 [22] 平均为 0.087 瓦 / 平方米（地球吸收的太阳能的 0.03%[23]），但更集中在岩石圈较薄的区域，例如沿着大洋中脊（在那里形成了新的海洋岩石圈） ）和近地幔柱。[24] 地壳有效地充当了厚厚的隔热层，必须被流体管道（岩浆、水或其他）刺穿，才能释放下面的热量。 地球上更多的热量通过板块构造和与大洋中脊相关的地幔上涌而损失掉。 热量损失的另一种主要方式是通过岩石圈传导，其中大部分发生在海洋中，因为那里的地壳比大陆下的地壳更薄且更年轻。 [22][25]

地球的热量由放射性衰变以 30 TW 的速率补充。[26] 全球地热流量是人类所有一次能源消耗率的两倍多。 全球热流密度数据由 IASPEI/IUGG 的国际热流委员会 (IHFC) 收集和汇编。[27]

直接应用

来自地球内部的热量可以用作能源，称为地热能。 自古罗马时代以来，地温梯度就被用于空间供暖和沐浴，最近又被用于发电。 随着人口的不断增长，能源使用以及与全球主要能源一致的相关环境影响也在不断增长。 这引起了人们对寻找可再生能源并减少温室气体排放的兴趣日益浓厚。 在地热能量密度高的地区，由于相应的高温，当前技术允许发电。 利用地热资源发电不需要燃料，同时以持续超过 90% 的可靠性提供真正的基本负载能源。[19] 为了提取地热能，必须有效地将热量从地热储层传递到发电厂，在发电厂中，蒸汽通过与发电机相连的涡轮机，将热量转化为电能。 [19] 将地热能转化为电能的效率取决于被加热流体（水或蒸汽）与环境温度之间的温差，因此使用深层高温热源是有利的。 在全球范围内，地球内部储存的热量提供的能量仍然被视为外来能源。 截至 2007 年，全球已安装约 10 吉瓦的地热发电容量，占全球电力需求的 0.3%。 另外安装了 28 吉瓦的直接地热供暖能力，用于区域供暖、空间供暖、水疗、工业流程、海水淡化和农业应用。[1]

变化

地温梯度随位置而变化，通常通过钻孔后确定底部裸眼温度来测量。 然而，钻井后立即获得的温度记录会因钻井液循环而受到影响。 为了获得准确的井底温度估计，井必须达到稳定的温度。 由于实际原因，这并不总是能够实现。

在热带稳定的构造区域，温度深度图将收敛于年平均地表温度。 然而，在更新世期间形成深层永久冻土的地区，可以观察到持续深达数百米的低温异常。 [28] 波兰的苏瓦乌基冷异常使人们认识到，在整个波兰以及阿拉斯加、加拿大北部和西伯利亚的钻孔中都记录到了与更新世 - 全新世气候变化相关的类似热扰动。

在全新世隆起和侵蚀区域（图 1），浅梯度将很高，直到达到稳定热流状态的点（图中标记为“拐点”）。 如果将稳定状态的梯度投影到该点上方与当今年平均温度的交点处，则该交点高于当今地表水平的高度可以衡量全新世隆起和侵蚀的程度。 在全新世沉降和沉积区域（图 2），初始梯度将低于平均值，直到达到加入稳定热流状态的点。

地表温度的变化，无论是每日的、季节性的，还是由气候变化和米兰科维奇循环引起的，都会渗透到地球表面以下，并产生地温梯度的振荡，其周期从一天到数万年不等，并且振幅会减小 有深度。 最长周期变化的尺度深度可达数千米。[29][30] 沿海底流动的极地冰盖融化的水往往会在整个地球表面保持恒定的地温梯度。[29][可疑 - 讨论][需要验证]

如果在浅井中观察到的温度随深度增加的速率在更大的深度持续存在，那么地球深处的温度很快就会达到岩石融化的程度。 然而，我们知道，由于横波的传播，地幔是固体的。 由于两个原因，温度梯度随着深度的增加而急剧减小。 首先，热传输机制从刚性构造板块内的传导转变为地幔对流部分的对流。 尽管地幔是固态的，但地球的大部分地幔在很长一段时间内都表现为流体，并且热量通过平流或物质传输来传输。 其次，放射性热的产生集中在地壳内，特别是在地壳的上部，因为铀、钍和钾的浓度最高：这三种元素是地球内放射性热的主要产生者。 因此，地幔主体内的地温梯度约为每公里 0.5 开尔文，并由与地幔物质（上地幔中的橄榄岩）相关的绝热梯度决定。 [31]

负地温梯度

当温度随深度降低时，就会出现负地温梯度。 这种情况发生在靠近地表数百米的上部。 由于岩石的热扩散率较低，地下深处的温度几乎不受昼夜甚至年地表温度变化的影响。 因此，在几米深处，地下温度与年平均地表温度相似。 在更深的地方，地下温度反映了过去气候的长期平均值，因此几十到数百米深处的温度包含了过去数百到数千年气候的信息。 根据地点的不同，由于接近上一个冰河时代的寒冷天气或由于最近的气候变化，这些温度可能比当前温度更冷。[32][33][14]

负地温梯度也可能由于深层含水层而出现，其中通过对流和平流从深水传递热量导致较浅层的水将邻近岩石加热到比更深层的岩石更高的温度。 [34]

在俯冲带大范围内也发现了负地温梯度。[35] 俯冲带是构造板块边界，由于大洋板块相对于下伏地幔的密度较高，因此大洋地壳沉入地幔中。 由于下沉的板块以每年几厘米的速度进入地幔，热传导无法像板块下沉时那样快速加热板块。 因此，下沉板块的温度低于周围地幔，导致地温梯度为负。 [35]

如果感觉有用，就点个赞吧！

参考文献

1. Fridleifsson, Ingvar B.; Bertani, Ruggero; Huenges, Ernst; Lund, John W.; Ragnarsson, Arni; Rybach, Ladislaus (2008-02-11). O. Hohmeyer and T. Trittin (ed.). "The possible role and contribution of geothermal energy to the mitigation of climate change" (PDF). IPCC Scoping Meeting on Renewable Energy Sources, Proceedings. Luebeck, Germany: 59–80. CiteSeerX 10.1.1.362.1202. Archived from the original on 2013-03-12. Retrieved 2013-11-03.
2. ^ Jones, M. Q. W. (July 2018). "Virgin rock temperatures and geothermal gradients in the Bushveld Complex". Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 118 (7): 671–680. doi:10.17159/2411-9717/2018/v118n7a1. ISSN 2225-6253.
3. ^ "Component parts of the World Heat Flow Data Collection". Pangaea. Global Heat Flow Compilation Group. 11 April 2013. doi:10.1594/PANGAEA.810104. Retrieved 2021-09-23.
4. ^ Sanders, Robert (2003-12-10). "Radioactive potassium may be major heat source in Earth's core". UC Berkeley News. Retrieved 2007-02-28.
5. ^ Alfè, D.; Gillan, M. J.; Vocadlo, L.; Brodholt, J.; Price, G. D. (2002). "The ab initio simulation of the Earth's core" (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society. 360 (1795): 1227–44. Bibcode:2002RSPTA.360.1227A. doi:10.1098/rsta.2002.0992. PMID 12804276. S2CID 21132433. Retrieved 2007-02-28.
6. ^ Jump up to: a b Turcotte, DL; Schubert, G (2002). "4". Geodynamics (2nd ed.). Cambridge, England, UK: Cambridge University Press. pp. 136–7. ISBN 978-0-521-66624-4.
7. ^ Vlaar, N; Vankeken, P; Vandenberg, A (1994). "Cooling of the earth in the Archaean: Consequences of pressure-release melting in a hotter mantle". Earth and Planetary Science Letters. 121 (1–2): 1–18. Bibcode:1994E&PSL.121....1V. doi:10.1016/0012-821X(94)90028-0.
8. ^ Kalogirou, Soteris & Florides, Georgios. (2004). Measurements of Ground Temperature at Various Depths, conference paper 3rd International Conference on Sustainable Energy Technologies, Nottingham, UK, https://www.researchgate.net/publication/30500372_Measurements_of_Ground_Temperature_at_Various_Depths https://ktisis.cut.ac.cy/bitstream/10488/870/3/C55-PRT020-SET3.pdf
9. ^ Williams G. and Gold L. Canadian Building Digest 180m 1976. National Research Council of Canada, Institute for Research in Construction. https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/ft/?id=386ddf88-fe8d-45dd-aabb-0a55be826f3f,
10. ^ "Groundwater temperature's measurement and significance - National Groundwater Association". National Groundwater Association. 23 August 2015. Archived from the original on 23 August 2015.
11. ^ "Mean Annual Air Temperature - MATT". http://www.icax.co.uk.
12. ^ "Ground Temperatures as a Function of Location, Season, and Depth". http://builditsolar.com.
13. ^ Rafferty, Kevin (April 1997). "An Information Survival Kit for the Prospective Residential Geothermal Heat Pump Owner" (PDF). Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin. Vol. 18, no. 2. Klmath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology. pp. 1–11. ISSN 0276-1084. Archived from the original (PDF) on 17 February 2012. Retrieved 2009-03-21.The author issued an updated version Archived 2013-02-17 at the Wayback Machine of this article in February 2001.
14. ^ Jump up to: a b Huang, S., H. N. Pollack, and P. Y. Shen (2000), Temperature trends over the past five centuries reconstructed from borehole temperatures, Nature, 403, 756–758.
15. ^ Alfe, D.; M. J. Gillan; G. D. Price (2003-02-01). "Thermodynamics from first principles: temperature and composition of Earth's core" (PDF). Mineralogical Magazine. 67 (1): 113–123. Bibcode:2003MinM...67..113A. doi:10.1180/0026461026610089. S2CID 98605003. Archived from the original (PDF) on 2007-03-16. Retrieved 2007-03-01.
16. ^ Steinle-Neumann, Gerd; Lars Stixrude; Ronald Cohen (2001-09-05). "New Understanding of Earth's Inner Core". Carnegie Institution of Washington. Archived from the original on 2006-12-14. Retrieved 2007-03-01.
17. ^ Anuta, Joe (2006-03-30). "Probing Question: What heats the earth's core?". physorg.com. Retrieved 2007-09-19.
18. ^ Johnston, Hamish (19 July 2011). "Radioactive decay accounts for half of Earth's heat". http://PhysicsWorld.com. Institute of Physics. Retrieved 18 June 2013.
19. ^ Jump up to: a b c d William, G. E. (2010). Geothermal Energy: Renewable Energy and the Environment (pp. 1-176). Boca Raton, FL: CRC Press.
20. ^ Wengenmayr, R., & Buhrke, T. (Eds.). (2008). Renewable Energy: Sustainable Energy Concepts for the future (pp. 54-60). Weinheim, Germany: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
21. ^ Turcotte, D. L.; Schubert, G. (2002). "4". Geodynamics (2nd ed.). Cambridge, England, UK: Cambridge University Press. p. 137. ISBN 978-0-521-66624-4.
22. ^ Jump up to: a b c Pollack, Henry N., et.al.,Heat flow from Earth's interior: Analysis of the global data set, Reviews of Geophysics, 31, 3 / August 1993, p. 273 Archived 2011-08-11 at the Wayback Machinedoi:10.1029/93RG01249
23. ^ "Climate and Earth's Energy Budget". NASA. 2009-01-14.
24. ^ Richards, M. A.; Duncan, R. A.; Courtillot, V. E. (1989). "Flood Basalts and Hot-Spot Tracks: Plume Heads and Tails". Science. 246 (4926): 103–107. Bibcode:1989Sci...246..103R. doi:10.1126/science.246.4926.103. PMID 17837768. S2CID 9147772.
25. ^ Sclater, John G; Parsons, Barry; Jaupart, Claude (1981). "Oceans and Continents: Similarities and Differences in the Mechanisms of Heat Loss". Journal of Geophysical Research. 86 (B12): 11535. Bibcode:1981JGR....8611535S. doi:10.1029/JB086iB12p11535.
26. ^ Rybach, Ladislaus (September 2007). "Geothermal Sustainability"(PDF). Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin. Vol. 28, no. 3. Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology. pp. 2–7. ISSN 0276-1084. Archived from the original (PDF) on 2018-03-08. Retrieved 2018-03-07.
27. ^ www.ihfc-iugg.org IHFC: International Heat Flow Commission - Homepage. Retrieved 18/09/2019.
28. ^ The Frozen Time, from the Polish Geological Institute Archived2010-10-27 at the Wayback Machine
29. ^ Jump up to: a b Stacey, Frank D. (1977). Physics of the Earth (2nd ed.). New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-81956-5. pp. 183-4
30. ^ Sleep, Norman H.; Kazuya Fujita (1997). Principles of Geophysics. Blackwell Science. ISBN 0-86542-076-9. pp. 187-9
31. ^ Turcotte, D. L.; Schubert, G. (2002). "4". Geodynamics (2nd ed.). Cambridge, England, UK: Cambridge University Press. p. 187. ISBN 978-0-521-66624-4.
32. ^ Lachenbruch, A. H., & Marshall, B. V. (1986). Changing climate: geothermal evidence from permafrost in the Alaskan Arctic. Science, 234(4777), 689-696.
33. ^ Šafanda, J., Szewczyk, J., & Majorowicz, J. (2004). Geothermal evidence of very low glacial temperatures on a rim of the Fennoscandian ice sheet. Geophysical Research Letters, 31(7).
34. ^ Ziagos, J. P., & Blackwell, D. D. (1986). A model for the transient temperature effects of horizontal fluid flow in geothermal systems. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 27(3-4), 371-397.
35. ^ Jump up to: a b Ernst, W.G., (1976) Petrologic Phase Equilibria, W.H. Freeman, San Francisco.

参考资料

Why does the ocean get colder at depth?.

https://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_gradient#:~:text=As%20a%20general%20rule%2C%20the,in%20most%20of%20the%20world.