Ile stopni jest pod Ziemią?

Ile stopni jest pod ziemią: stopień geotermiczny

Zrozumienie, ile stopni jest pod ziemią, pozwala poznać procesy cieplne zachodzące w skorupie ziemskiej. Wiedza ta wyjaśnia zmiany temperatury gruntu i wnętrza globu. Przeczytaj artykuł, aby poznać dokładne wartości i stopień geotermiczny.

Ile stopni jest pod Ziemią na różnych głębokościach?

Odpowiedź na pytanie, ile stopni jest pod Ziemią, zależy całkowicie od głębokości oraz lokalnej budowy geologicznej. Średni stopień geotermiczny na naszej planecie wynosi około 33 m na 1 stopień Celsjusza, co oznacza, że temperatura rośnie z każdym metrem w głąb skorupy ziemskiej, osiągając w centrum globu nawet 6000 stopni Celsjusza.

W praktyce ten wzrost nie jest jednak liniowy od samej powierzchni. Na pierwszych kilkunastu metrach w głąb gruntu rządzi słońce i pogoda, utrzymując tam temperaturę rzędu 8-10 stopni Celsjusza przez cały rok. Dopiero poniżej tak zwanej strefy neutralnej ciepło z wnętrza planety przejmuje kontrolę. W Polsce średni stopień geotermiczny wynosi około 47 m na 1 stopień Celsjusza, ale w Sudetach spada nawet do 20 m na 1 stopień Celsjusza. Istnieje jednak pewna pułapka przy obliczaniu temperatury w głębszych warstwach planety - wyjaśnię ją dokładnie w sekcji o ekstremalnym cieple jądra.

Stopień geotermiczny a gradient geotermiczny - jak to przeliczać?

Stopień geotermiczny oraz gradient geotermiczny to dwa odwrotne wskaźniki opisujące to samo zjawisko - tempo nagrzewania się skał wraz z głębokością. Stopień geotermiczny określa, o ile metrów trzeba zejść w dół, aby temperatura wzrosła o 1 stopień Celsjusza, natomiast gradient geotermiczny pokazuje przyrost temperatury na każde 100 metrów lub 1 kilometr.

W skali globalnej gradient geotermiczny w skorupie ziemskiej wynosi średnio około 3 stopni Celsjusza na 100 metrów (czyli 30 stopni Celsjusza na kilometr). Wskaźnik ten zależy silnie od uwarunkowań geologicznych danego regionu. Zrozumienie relacji między wskaźnikami jest kluczowe: im niższy stopień geotermiczny, tym szybciej rośnie temperatura wraz z głębokością. Na terenach wulkanicznych, takich jak Islandia, gradient potrafi skoczyć do 100 stopni Celsjusza na kilometr, podczas gdy na starych tarczach krystalicznych przyrost jest znacznie wolniejszy.

Prosty wzór na obliczenie temperatury w skorupie ziemskiej

Aby oszacować temperaturę skał na głębokości od kilkudziesięciu metrów do kilku kilometrów, wystarczy użyć prostego wzoru liniowego: temperatura na danej głębokości to suma stałej temperatury strefy neutralnej (w Polsce około 8-10 stopni Celsjusza) oraz ilorazu głębokości i lokalnego stopnia geotermicznego. Pamiętaj jednak, że ten przelicznik działa poprawnie tylko w górnej części skorupy ziemskiej.

Temperatura gruntu na płytkich głębokościach a pompy ciepła

Na głębokości około 2 metrów pod powierzchnią ziemi w polskich warunkach klimatycznych temperatura gruntu jest niemal stała i oscyluje w granicach 8-10 stopni Celsjusza. Ta naturalna akumulacja ciepła słonecznego sprawia, że płytkie warstwy ziemi stanowią stabilne dolne źródło energii dla poziomych kolektorów gruntowych pomp ciepła.

Poniżej głębokości 15-20 metrów wahania pór roku całkowicie zanikają - niezależnie od tego, czy na zewnątrz panuje trzaskający mróz, czy lipcowy upał. Właśnie tam zaczyna się strefa stałej temperatury. Wielu inwestorów myśli, że im głębiej wykopie kolektor poziomy, tym będzie cieplej. W rzeczywistości przy kolektorach poziomych zbyt głębokie ułożenie rur (poniżej 2 metrów) odcina grunt od letniej regeneracji cieplnej przez promienie słoneczne i deszcz. Z kolei odwierty pionowe pod pompy ciepła wykonuje się zwykle na głębokość 100 metrów lub więcej, gdzie przewodnictwo cieplne skał oraz dopływ energii z wnętrza Ziemi gwarantują wysoką wydajność systemu przez dekady.

Jak rośnie temperatura w głębi Ziemi - od kopalni po jądro

Im głębiej schodzimy w głąb skorupy ziemskiej, tym bardziej warunki stają się ekstremalne, a praca ludzi bez zaawansowanych systemów chłodzenia jest niemożliwa. W najgłębszej kopalni złota na świecie, Mponeng w Republice Południowej Afryki, na głębokości 4 kilometrów temperatura nagich skał sięga około 66 stopni Celsjusza.

Zjazd windą na dno takiego wyrobiska trwa ponad godzinę, a powietrze bez ciągłego pompowania lodu z powierzchni zabiłoby górników w kilkanaście minut. Tutaj wracamy do pułapki obliczeniowej, o której wspomniałem na początku.

Gdyby temperatura rosła w tempie 3 stopni na 100 metrów aż do samego środka planety, w centrum Ziemi mielibyśmy blisko 200 000 stopni Celsjusza. Absurd. W rzeczywistości tempo wzrostu temperatury wyraźnie zwalnia na głębokości około 100 kilometrów ze względu na potężne ciśnienie oraz zmianę stanu skupienia i składu chemicznego warstw. Ostatecznie w jądrze wewnętrznym, na głębokości ponad 5150 kilometrów, temperatura stabilizuje się na poziomie od 5500 do 6000 stopni Celsjusza - to niemal tyle samo, co na powierzchni Słońca.

Przykładowa temperatura pod Ziemią w zależności od głębokości

Płytki grunt (głębokość 2 m)

• Około 8-10 stopni Celsjusza przez cały rok w klimacie umiarkowanym
• Kolektory poziome gruntowych pomp ciepła oraz gruntowe wymienniki ciepła
• Promieniowanie słoneczne, wody opadowe i temperatura powietrza

Głębokie wyrobiska górnicze (głębokość 1-4 km)

• Od około 40 stopni Celsjusza w polskich kopalniach miedzi do 66 stopni Celsjusza na dnie kopalni Mponeng
• Wydobycie surowców mineralnych oraz pozyskiwanie wód geotermalnych do ciepłownictwa
• Wewnętrzny strumień ciepła Ziemi oraz przewodnictwo cieplne skał

Jądro Ziemi (głębokość 2900-6371 km)

• Od około 4000 stopni Celsjusza na granicy płaszcza do 5500-6000 stopni Celsjusza w jądrze wewnętrznym
• Napędzanie ruchów konwekcyjnych w płaszczu oraz generowanie ziemskiego pola magnetycznego
• Rozpad pierwiastków promieniotwórczych oraz ciepło pierwotne z okresu formowania się planety

Dobór odwiertów pod pompę ciepła na działce pod Wrocławiem

Marek, właściciel nowo budowanego domu jednorodzinnego pod Wrocławiem, postanowił zainstalować gruntową pompę ciepła, aby obniżyć rachunki za ogrzewanie zimą. Ze względu na małą powierzchnię działki nie mógł ułożyć kolektora poziomego na głębokości 2 metrów, więc zdecydował się na pionowe odwierty.

Początkowo chciał zaoszczędzić na pracach wiertniczych i zamówił wykonanie trzech płytkich odwiertów po 30 metrów każdy zamiast jednego głębokiego. Już w pierwszym sezonie grzewczym pojawił się problem - temperatura solanki w instalacji gwałtownie spadała, a pompa musiała często wspomagać się drogą grzałką elektryczną.

Po konsultacji z hydrogeologiem Marek zrozumiał, że górne 20 metrów gruntu podlega silnym wpływom atmosferycznym i zbyt wolno regeneruje ciepło przy dużym poborze energii. Zdecydował się na dowiercenie jednego głębokiego otworu na 110 metrów, wykorzystując korzystny w tym regionie stopień geotermiczny.

Na głębokości ponad 100 metrów temperatura skał wynosiła stabilne 13 stopni Celsjusza, co podniosło współczynnik sprawności pompy o blisko 25 procent i pozwoliło zamknąć sezon grzewczy bez użycia grzałek.