Erdős Attila, egyéni vállalkozó, okl. hidrogeológus mérnök weblapja


További geotermikus megfontolások Az elgondolásomat, hogy a földi hőteret vízáramlás nélkül, majd vízáramlással modellezve többlet információhoz juthatunk, hasznos összehasonlítani a tapasztalatokkal. Pl. az Alföldön a megmért, vagyis tapasztalt hőmérsékletek mélység függése milyen? Völgyi (1979) feldolgozta a geotermikus gradiens mélység szerinti változását nagyalföldi mélyfúrásokban. Az átlagos gradiensváltozás kiolvasott értékeiből szerkesztett mélység, átlaghőmérséklet függvény értékei (10°C felszíni átlaghőmérséklettel számolva) a következők: mélys. hőmérséklet (m) (°C) 0-20 10 250 27,25 500 42,5 1000 70 1500 94 2000 114 2500 132,5 3000 148 3500 164 4000 182 4500 194,5 5000 210 Nagyobb méretben 37k
Mit jelent a fenti táblázat és ábra? Azt, hogy a mélység növekedtével a hőmérséklet növekedés sebessége lassul. A felszín közeli, kis mélységekben átlagosan 15 m-t kell a mélység felé haladni ahhoz hogy átlagosan 1 °C-ot emelkedjen a hőmérséklet. 1000 m-es mélységben már 18 m-t, 1800 m-es mélységben 25 m-t kell lefelé haladni az 1 °C-os hőmérséklet emelkedés kedvéért. A Föld a felszínének a közelében átlagosan gyorsabban, azaz jobban hűl, mint mélyebben. Mi lehet az oka? Első ötletem, legyen az áramló felszin alatti víz. Más nem lehet? Az a biztos, ami biztos, keressünk előbb hő anomáliát okozó, vagy okozható jelenségeket. Időjárás A számunkra és a felszín közeli kőzetek számára legfontosabb hő anomáliát a napszakos és évszakos hőmérséklet ingadozás okozza. Az egy napon belüli hőmérséklet ingás maximum 80 cm-re hatol a talajban a felszín alá. Évi hőmérséklet ingadozás 20 m-re hatol a talajban a felszín alá. A hőmérséklet maximum 800 cm-es mélységben decemberben van, tehát nyáron a talaj, felszínközeli kőzetek hőt tárolnak be, télen leadják azt a felszín felé. Ez a folyamat egy négyzetméter felületre vetítve kereken 2 W hőteljesítménynek felel meg. A hőszivattyús talajszondák ezt a betárolt talaj- és talajvíz hőt csapolják meg télen fűtési céllal. Sok ez? Vagy kevés? A föld mélyéből fakadó hőáramnak az egész Földre számolt átlaga kereken 0,06 W/m2. A biomassza a mi égövünkön 1-2 W/m2 évi átlag teljesítményt eredményez. A szél függőleges és a széliránnyal szembeni 1 m2-en (nem belemenve abba, hogy milyen magasan és az ország mely részén) kereken 10 W/m2 évi átlag áramlási teljesítményt jelent. Míg a napenergia, a direkt és diffúz sugárzása révén (a meteorológusok globáls sugárzásnak nevezik) kereken 160 W/m2 éves átlagos hőteljesítményt ad le vízszintes felületre. Mi következik ebből? Annyi mindenképpen, hogy a felső 10-20 m vastag talaj-kőzetréteg hőmérsékleti viszonyaira leginkább a napsugárzás illetve az időjárás hat, természetesen a szivárgó talajvíz hatásán túl. Ez egyben azt is jelenti, hogy az itthon is egyre népszerűbb hőszivattyús talaj, vagy talajvíz szondák valójában nem is a Föld belső hőjét használják elsősorban, hanem a Nap sugárzás, és a meleg légtömegek nyáron betárolt hőjét veszik ki a talajból mint "akkumulátorból". Beszivárgás Hazánk felszín alatti vízkészleteinek a legintenzívebb utánpótlódása a nyílt karsztos területeken történik. Itt a karsztba szivárgás intenzitása átlagosan 200 mm/év körüli (az egyéb területek beszivárgása ennek a fele de inkább kevesebb). Az is tudott, hogy a nyilt karsztos beszivárgási területek alatt a beszivárgó víz hatására a mélység felé haladva a hőmérséklet lassabban nő. Ez a jelentősebb mennyiségű téli félévi, hideg víz hűtő hatásának tulajdonítható. Ennek a kérdésnek jelentős irodalma van, ezért azt nem is részletezem, csak pár linket adok. Az első a Babér 2001. Bt. weblapján található, mely a hidegen beszivárgó és lassan a mélyben felmelegedő karsztvíz útját ábrázolja (4. ábra), egyben megadja a hegységperemi langyos források működésének elvét (szerző: Dr. Lorberer Árpád). A második a hazai hideg és termális karsztrendszerek térképi megjelenítését adja meg, a Magyar Állami Földtani Intézet weblapján (karsztot jobb oldalon bekapcsolni, majd a térkép frissítését kell kérni). De mi a helyzet a nem karsztos beszivárgással? Erre jó adatsort találtam a Pécsen 2006. július 5-6-án megtartott XXIV. Országos Vándorgyűlésen elhangzott egyik előadásban. Az előadást Szalai József (VITUKI Környezetvédelmi és Vízgazdálkodási Intézet Kht.) és Nagy György (Alsó-Duna völgyi Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság) munkatársai tartották, címe: Az utóbbi évtized időjárási eseményeinek hatása a talajvízszintek alakulására a Duna-Tisza közén. Az előadás 4.2. fejezetében (13. oldal), A 001356 törzszámú Tass 734 talajvíz észlelőkútba elhelyezett, 4 óránkénti adatrögzítésű talajvíz hőmérséklet és talajvízszint mérő szonda adatait mutatták be. A jobb áttekinthetőség érdekében az előadás 17. és 18. ábráját összevontam. A 17. ábra a talajvz szintjét, a 18. a talajvíz hőmérsékletét adja meg (mely mélységben?), 2004-12-01 és 2006-02-26 között. Az erre az időszakra vonatkozó napi csapadék adatokat a legközelebbi, Adonyban lévő csapadékmérő állomásról szereztem be. A talajvíz észlelő kút a Duna hajdani árterén, a Dunától kb 5 km távolságban, azaz a Duna vízszintjétől nagyrészt független helyzetben van, közeli vízkivételek feltehetőleg vízjárását nem befolyásolják. A talajvíz észlelő kút ún. "hidrogeológiai megcsapolási" területen van, ahol is a talajvíz szintje alóli párolgás (evaporáció) és növényi párologtatás (transpiráció) az éves beszivárgásnál átlagosan jelentékenyen nagyobb. Az ábrán a talajvíz hőmérséklete piros (bal tengely), a talajvíz szintje kék (jobb tengely), az Adonyban mért csapadék fekete (mm/nap) színben látható. Nagyobb méretben 280k
Az ábrán jól látható pár jelenség. Ha csak a csapadékokat és talajvíz szinteket nézzük, jól kivehető, nem minden csapadék, emeli a talajvíz szintjét. Az is jól kivehető, legalább 6 nagy csapadék után a talajvíz hőmérséklete jelentősen megváltozott, négyszer 1-5 °C talajvíz hűlés, kétszer 4-6 °C talajvíz melegedés történt. Az is jól látható, a talajvíz hőmérséklete a 1-2 hét alatt "visszaáll", belesimul az évszakos trendbe. A 2005-07 havi két hőmérséklet-kiugrás arra is figyelmeztet, a klasszikus beszivárgás modellek pontatlanul írják le a valós folyamatokat (beszivárgással csak a téli félévben szokás számolni). Ez arra figyelmeztet, hogy a Dr. Böcker Tivadar által a karsztos beszivárgásra kidolgozott "határcsapadék módszer"-t a porózus talajvíztartókban is alkalmazni lenne célszerű, nyilván megfelelő paraméterezéssel. A hőmérséklet idősorokat alaposabban nézegetve kivehető mintegy 0,2-0,4 °C-os maradvány (eltolódás) a nagy, a hőmérsékletet is befolyásoló beszivárgás után. Elvileg amennyiben a csapadékból beszivárgó víz hőmérséklete és a talajvíz hőmérséklete azonos, vagy közel azonos, a mégoly nagy beszivárgás sem okoz talajvíz hőmérséklet változást (pl. 2005-07 eleje). A nyári félévi erősen korlátozott beszivárgásra utal a 2005-06 elején tapasztalható, összesen 60 mm-t meghaladó csapadék, ami a talajvíz szintjében talán csak a csökkenés sebességének időszakos visszaesésére volt elegendő. Részletesebb értékelést azért felesleges végezni, mert a talajvíz rendszer közelebbről általam nem ismert, illetve az Adony és Tass közötti 15 km távolság miatt a Tasson lehullott csapadékok mennyisége inkább csak első közelítés. Összegzésül annyi talán megállapítható, hogy a nyílt karsztos területek hőmérsékleti viszonyait nagyban, a porózus talajvíz tartók hőmérsékleteit kevésbé folyásolja be a beszivárgó víz hőmérséklete. Ez utóbbi megállapításhoz annyi kiegészítést teszek, hogy szerintem a három fázisú zónában lezajló hőterjedési folyamatokban a talajvízből származó vízgőznek komoly szerepe lehet. Vagyis az ábrán látható, éves periódus idejű, 3 °C amplitúdójú trend kialakulásában a hő vezetésnek is és a háromfázisú zóna vízgőzének, annak lecsapódásának, vagy elpárolgásának látens hője is részt vesz. Azért is lehet a pórustérben lévő gőznek komoly szerepe, mert a talajvíz napszaki járása (precíz méréssel) kimutatható, azaz a talajvíz "lélegzik". Radioaktív izotópok hőtermelése Steiner szerint a Föld bolygó teljes évi hővesztesége 1e+21 J, ami 10-szerese a tengerek árapály súrlódási energia elnyelésének, és 1000-szerese a földrengések kipattanásában elemésztődő energiamennyiségnek. A hőáram értékek a lemeztektonikailag eltérő tulajdonságú területekkel korrelálnak, pl. óceánközépi hátságoknál magasak, szubdukciós zónáknál alacsonyabbak. A földi hőáram mérések szerint, az óceáni és kontinentális kéreg átlagos hőárama hozzávetőlegesen azonos 60 mW/m2, igaz, az óceáni kéreg hőáramai nagyobb szórásúak, ami az óceánközépi hátságok és szubdukciós zónák eltérő hőháztartása miatt érthető is. Az azonosság azonban feltehetőleg csak véletlen egybeesés. Az óceáni kéreg alatti hőáram 90%-a köpeny eredetű, a szárazföldi kéregben mért 50%-ban kéreg, 50%-ban köpeny eredetű. Egyszerű számolással valószínűsíthetjük is ezt a feltevést: A kéregbeli hő forrása (a vulkáni és tektonikai tevékenységen kívül) a természetes radioaktív bomlás. Természetes radioaktív bomlást az U, Th, és a K elemek mutatnak. Ebből - eltekintve az urán és thórium természetes dúsulásaitól, a kálium 40-es izotóp adja a természetes rádioaktivitás nagy részét. Ennek az izotópnak a felezési ideje 1,28 e+9 év. A kálium a földkéregben 2,41 tömeg % gyakoriságú. A K40-es izotóp káliumon belüli gyakorisága 0,0119% (koncentráció adatok forrása: középiskolai függvény táblázat). A K40-es izotóp természetes radioaktív bomlása során 10,7% -ban Ar40-é (energiakibocsátás 1,46 MeV), és 89,3%-ban Ca40-é (energiakibocsátás 1,35 MeV) alakul, átlagosan 1,36 MeV energiakibocsátással (1 eV = 1,602e-19 J, 1 MeV=1,6e-13 J). Az energia adatok forrása: középiskolai függvény táblázat. Durva számtan a Földkéreg természetes radiokativitásának a hőtermelésére: Föld felülete: 5 e+14 m2 Földkéreg átlag vastagsága: 2 e+4 m Földkéreg térfogata: 1 e+19 m3 Földkéreg tömege: 3 e+19 t = 3 e+22 kg Kálium tömege: 7,23 e+20 kg Kálium 40-es izotóp tömege: 8,6e+16 kg 1,28 e+9 év alatt megmarad 4,3e+16 kg K40 izotóp, a másik fele átalakulva hőt - energiát ad le. 6e+23 db K40 = 1 mol K40 = 40 g 25*6e+23 db K40 = 25 mol K40 = 1000 g = 1 kg Energiatermelés 1,28e+9 év alatt: 25 * 6e+23 * 4,3e+16 * 1,35 * 1,6e-13 = 1,393e+29 J egy év alatt: 1,1e+20 J, ami kilencede a Föld hőveszteségének, igencsak durva becsléssel (a radioaktív bomlás nem lineáris folyamat, de a többi paraméter SiAl öv [szárazföldi kéreg] átlag vastagsága, SiMa övben (óceáni kéreg) is van kevés K amivel nem számoltam, a K %-os Földkéregbeli aránya, mind valamekkora bizonytalansággal terhelt). Tekintve, hogy a káliumot egyenletesen osztottam el a Föld felszínén (holott nem így oszlik meg, hiszen túlnyomó hányada a szárazföldi kéregben van), a szárazföldi kéreg kereken 20 %-os felület aránya alapján durván és kereken csak a szárazföldi kéregre adódik szűk ötszörös hőtermelés, az óceánira meg szinte semmi. Eszerint az egyszerű és pontatlan becslés alapján a szárazföldi kéreg hőáramának fele a kéreg aljáról, másik fele magából a kéregből származik. Itt jegyzem meg, van olyan irodalom is, mely szerint a szárazföldi kéregből csak a földi hőáram 20%-a származik. Mi következik ebből? A diffúz hőforrású szárazföldi kéreg hőáramlása a hőmérsékleti teret, a hőmérséklet mélység függését tendenciájában olyan alakúvá teszi, mint amit tapasztaltunk. Így a szivárgó víz mellé újabb jelöltünk van az általános hőmérsékleti profil nagyobb mélységeinek a magyarázatára. Befejező megjegyzésem, arról eddig egy szót sem szóltam, mi a Föld kéreg alsó határoló felületére a mélyből, a köpenyből érkező hőáramnak az oka? (Folyt. köv.)
Kezdőlap Következő