Bugün öğrendim ki: Dünya'nın yer altı ısısının yarısının radyoaktif bozunmadan kaynaklandığı, diğer yarısının ise Dünya'nın oluşumundan kalan enerji olduğu belirtiliyor.

---

Dünya'da Oluşan Isının Muhasebesi

Dünya'nın iç ısısı bütçesi, Dünya'nın termal tarihi için temel teşkil eder. İçeriden yüzeye ısı akışı 47±2 terawatt (TW) olarak tahmin edilmektedir[1] ve kabaca eşit miktarlarda iki ana kaynaktan gelir: manto ve kabuktaki izotopların radyoaktif bozunmasıyla üretilen radyoaktif ısı ve Dünya'nın oluşumundan kalan ilksel ısı.[2]

Dünya'nın iç ısısı jeotermal gradyanlar boyunca ilerler ve jeolojik süreçlerin çoğuna güç verir.[3] Manto konveksiyonunu, levha tektoniğini, dağ oluşumunu, kaya metamorfizmasını ve volkanizmayı yönlendirir.[2] Gezegenin yüksek sıcaklıktaki metalik çekirdeğindeki konvektif ısı transferinin aynı zamanda Dünya'nın manyetik alanını üreten bir jeodinamo sürdürdüğü de teorize edilmektedir.[4][5][6]

Jeolojik önemine rağmen, Dünya'nın iç ısısı, gelen güneş radyasyonunun 173.000 TW'sine hakim olduğu yüzeydeki toplam enerji bütçesine yalnızca %0,03 katkıda bulunur.[7] Bu harici enerji kaynağı, gezegenin atmosferik, okyanusal ve biyolojik süreçlerinin çoğuna güç verir. Bununla birlikte, karada ve okyanus tabanında, yansıtılmayan güneş ışınımından emilen duyulur ısı, yalnızca termal iletim yoluyla içeri doğru akar ve bu nedenle günlük döngüde yalnızca birkaç düzine santimetreye ve yıllık döngüde yalnızca birkaç düzine metreye nüfuz eder. Bu, güneş radyasyonunun Dünya'nın kabuğunun içindeki süreçler için en az düzeyde ilgili olmasını sağlar.[8]

Isı akı yoğunluğu ile ilgili küresel veriler, Uluslararası Sismoloji ve Dünya'nın İç Fizik Derneği'nin Uluslararası Isı Akışı Komisyonu tarafından toplanmakta ve derlenmektedir.[9]

Isı ve Dünya'nın yaşına ilişkin ilk tahmin

[düzenle]

William Thomson, daha sonra Lord Kelvin, 1862'de Dünya'nın içindeki sabit iletkenliği varsayarak Dünya'nın soğuma oranının hesaplamalarına dayanarak Dünya'nın yaşını 98 milyon yıl olarak tahmin etti[10], bu da 20. yüzyılda radyoaktif tarihle elde edilen 4,5 milyar yıllık yaştan farklıdır.[11] John Perry'nin 1895'te belirttiği gibi[12], Dünya'nın içindeki değişken bir iletkenlik, hesaplanan Dünya yaşını milyarlarca yıla uzatabilir, bu daha sonra radyoaktif tarihle doğrulandı. Thomson'ın argümanının olağan sunumunun aksine, Dünya'nın kabuğunun gözlemlenen termal gradyanı, bir ısı kaynağı olarak radyoaktivitenin eklenmesiyle açıklanamazdı. Daha da önemlisi, manto konveksiyonu, ısı transferini Dünya içinde değiştirerek Thomson'ın tamamen iletken soğutma varsayımını geçersiz kılar.

Küresel iç ısı akışı

[düzenle]

Dünya'nın içinden yüzeye toplam ısı akışı tahminleri 43 ila 49 terawatt (TW) arasında değişmektedir (bir terawatt 1012 watt'tır).[13] Son bir tahmin 47 TW'dir[1], bu da 91,6 mW/m2 ortalama ısı akısına eşdeğerdir ve 38.000'den fazla ölçüme dayanmaktadır. Kıtasal ve okyanusal kabuğun ortalama ısı akıları sırasıyla 70,9 ve 105,4 mW/m2'dir.[1]

Toplam iç Dünya ısı akışı yüzeye iyi kısıtlanmış olmakla birlikte, Dünya'nın ısısının iki ana kaynağı olan radyoaktif ve ilksel ısının göreceli katkısı, doğrudan ölçümleri zor olduğu için oldukça belirsizdir. Kimyasal ve fiziksel modeller, radyoaktif ısı için sırasıyla 15–41 TW ve ilksel ısı için 12–30 TW tahmin aralıkları vermektedir.[13]

Dünya'nın yapısı, daha kalın kıtasal kabuk ve daha ince okyanusal kabuktan oluşan sert bir dış kabuk, katı ancak plastik olarak akan bir manto, sıvı bir dış çekirdek ve katı bir iç çekirdektir. Bir malzemenin akışkanlığı sıcaklıkla orantılıdır; bu nedenle katı manto, sıcaklığına[2] ve dolayısıyla Dünya'nın iç ısı akışına bağlı olarak uzun zaman ölçeklerinde hala akabilir. Manto, Dünya'nın içinden kaçan ısıya tepki olarak konveksiyon yapar; daha sıcak ve daha kaldırma kuvvetli manto yükselir ve daha soğuk ve dolayısıyla daha yoğun olan manto çöker. Manto'nun bu konvektif akışı, Dünya'nın litosferik plakalarının hareketini yönlendirir; bu nedenle, levha tektoniğinin işleyişi için alt manticaki ek bir ısı rezervuarı kritik öneme sahiptir ve olası bir kaynak, alt mantodaki radyoaktif elementlerin zenginleşmesidir.[14]

Dünya'da ısı taşınımı iletim, manto konveksiyonu, hidrotermal konveksiyon ve volkanik adveksiyon yoluyla gerçekleşir.[15] Dünya'nın iç ısı akışının %80'inin manto konveksiyonundan kaynaklandığı düşünülmektedir, geri kalan ısının çoğu ise Dünya'nın kabuğundan kaynaklanmaktadır[16], volkanik aktivite, depremler ve dağ oluşumundan kaynaklanan %1 civarındadır.[2] Böylece, yüzeydeki Dünya'nın iç ısısının yaklaşık %99'u kabuktan iletim yoluyla kaybedilir ve manto konveksiyonu, Dünya'nın derinliklerinden ısı transferi üzerinde baskın kontrol sağlar. Daha kalın kıtasal kabuktan gelen ısı akısının çoğu, iç radyoaktif kaynaklara atfedilir; buna karşılık, daha ince okyanusal kabukta yalnızca %2 iç radyoaktif ısı bulunur.[2] Yüzeydeki kalan ısı akışı, manto konveksiyonundan kaynaklanan kabuğun tabanındaki ısıtmadan kaynaklanır. Isı akıları kaya yaşıyla negatif korelasyon gösterir[1]; en yüksek ısı akıları, okyanus ortası sırtı yayılma merkezlerinden (manto yükselme bölgeleri) gelen en genç kayalardan gözlemlenir, bu da Dünya ısı akısının küresel haritasında görülür.[1]

Isı Kaynakları

[düzenle]

Radyoaktif ısı

[düzenle]

Dünya'nın mantosundaki ve kabuğundaki elementlerin radyoaktif bozunması, kız ürün izotoplarının oluşumuna ve jeonötrinolar ile ısı enerjisi veya radyoaktif ısı salınımına neden olur. Dünya'nın iç ısısının yaklaşık %50'si radyoaktif bozunmadan kaynaklanır.[17] Dört radyoaktif izotop, diğer radyoaktif izotoplara göre zenginleşmeleri nedeniyle radyoaktif ısının çoğundan sorumludur: uranyum-238 (238U), uranyum-235 (235U), toryum-232 (232Th) ve potasyum-40 (40K).[18] 200 km derinliğin altından kaya örneklerinin eksikliği nedeniyle, tüm manto boyunca radyoaktif ısıyı kesin olarak belirlemek zordur[18], ancak bazı tahminler mevcuttur.[19]

Dünya'nın çekirdeği için jeokimyasal çalışmalar, demire ayrışan radyoaktif elementlerin beklenen düşük konsantrasyonu nedeniyle radyoaktif ısı için önemli bir kaynak olmasının olası olmadığını göstermektedir.[20] Manto'daki radyoaktif ısı üretimi, çok tartışılan bir konu olan manto konveksiyonunun yapısıyla bağlantılıdır ve mantonun ya alt mantoda daha yüksek konsantrasyonda radyoaktif ısı üreten elementlere sahip katmanlı bir yapıya ya da tüm manto boyunca dağılmış radyoaktif elementlerce zenginleştirilmiş küçük rezervuarlara sahip olabileceği düşünülmektedir.[21]

Manto'daki ana ısı üreten izotopların günümüz tahminleri[2] İzotop Isı salınımı ⁠W/kg izotop⁠ Yarı ömür Yıllar Ortalama manto konsantrasyonu ⁠kg izotop/kg manto⁠ Isı salınımı ⁠W/kg manto⁠ 232Th 26.4×10−6 14.0×109 124×10−9 3.27×10−12 238U 94.6×10−6 4.47×109 30.8×10−9 2.91×10−12 40K 29.2×10−6 1.25×109 36.9×10−9 1.08×10−12 235U 569×10−6 0.704×109 0.22×10−9 0.125×10−12

Jeonötrino dedektörleri 238U ve 232Th'nin bozunmasını tespit edebilir ve böylece bunların mevcut radyoaktif ısı bütçesine katkılarının tahmin edilmesine olanak tanır, oysa 235U ve 40K bu şekilde tespit edilemez. Bununla birlikte, 40K'nın 4 TW ısı katkısında bulunduğu tahmin edilmektedir.[22] Bununla birlikte, kısa yarı ömürleri nedeniyle 235U ve 40K'nın bozunması, erken Dünya'ya radyoaktif ısı akısının büyük bir bölümünü sağlamıştır ve bu da günümüzden çok daha sıcaktı.[14] Dünya içindeki radyoaktif bozunmanın jeonötrino ürünlerinin ölçülmesinden elde edilen ilk sonuçlar, toplam Dünya iç ısı kaynağının yarısının radyoaktif olduğunu gösteren yeni bir tahmin ortaya çıkarmıştır[22] ve bu, önceki tahminlerle tutarlıdır.[21]

İlksel ısı

[düzenle]

İlksel ısı, Dünya'nın ilksel oluşumundan itibaren soğumaya devam etmesiyle kaybettiği ısıdır ve bu, aktif olarak üretilen radyoaktif ısının aksinedir. Dünya çekirdeğinin ısı akısının—çekirdekten ayrılan ve üzerindeki mantoya akan ısının—ilksel ısıdan kaynaklandığı düşünülmektedir ve 5–15 TW olarak tahmin edilmektedir.[23] Manto ilksel ısı kaybı tahminleri 7 ila 15 TW arasında değişmektedir ve bu, yüzeydeki gözlemlenen ısı akışından çekirdek ısı akısı ve kütle Dünya radyoaktif ısı üretiminin çıkarılmasından sonra kalan miktar olarak hesaplanır.[13]

Dünya çekirdeğinin erken oluşumu aşırı ısınmaya ve hızlı ısı kaybına neden olmuş olabilir ve manto katılaştıktan sonra ısı kaybı oranı yavaşlayacaktır.[23] Çekirdekten gelen ısı akısı, konvektif dış çekirdeği ve jeodinamo'yu ve Dünya'nın manyetik alanını korumak için gereklidir; bu nedenle çekirdekten gelen ilksel ısı, Dünya'nın atmosferini mümkün kılmış ve böylece Dünya'nın sıvı suyunu korumaya yardımcı olmuştur.[21]

İlksel ısı enerjisi, büyük miktarda maddenin bir kütle çekimine çökmesiyle salınan potansiyel enerjiden ve biriken maddenin kinetik enerjisinden gelir.

Isı akısı ve tektonik plakalar

[düzenle]

Manto konveksiyonunun kesin doğası hakkındaki tartışmalar, Dünya'nın ısı bütçesinin bağlantılı evrimini ve mantonun dinamiklerini ve yapısını çözmeyi zorlaştırmaktadır.[21] Tektonik plakalar süreçlerinin 3,2 milyar yıldan önce Dünya'da aktif olmadığına dair kanıtlar vardır ve erken Dünya'nın iç ısı kaybına ısı borusu volkanizmi yoluyla adveksiyon hakim olabilir.[24] Daha düşük ısı akılarına sahip karasal cisimler, Ay ve Mars gibi, iç ısılarını tek bir litosferik plaka aracılığıyla iletirken, Jüpiter'in uydusu Io gibi daha yüksek ısı akıları, gelişmiş volkanizma yoluyla advektif ısı transferi ile sonuçlanır; Dünya'nın aktif levha tektoniği ise orta düzeyde bir ısı akışı ve konvektif bir manto ile gerçekleşir.[24]

Ayrıca bakınız

[düzenle]

Jeotermal enerji

Jeotermal gradyan

Gezegensel farklılaşma

Dünya'nın termal tarihi

Antropojenik ısı

Wikimedia Commons'ta Dünya'nın iç ısısı bütçesi ile ilgili medya