Gradiente geotérmico

El gradiente geotérmico es la tasa de cambio de temperatura con respecto al aumento de profundidad en el interior de la Tierra . Como regla general, la temperatura de la corteza aumenta con la profundidad debido al flujo de calor del manto mucho más caliente ; lejos de los límites de las placas tectónicas , la temperatura aumenta con la profundidad a una tasa de aproximadamente 25–30 °C/km (72–87 °F/mi) cerca de la superficie en la corteza continental. ^{[ 1 ]} Sin embargo, en algunos casos la temperatura puede disminuir con el aumento de profundidad, especialmente cerca de la superficie, un fenómeno conocido como gradiente geotérmico inverso o negativo . Los efectos del clima y el tiempo son superficiales, alcanzando solo una profundidad de aproximadamente 10–20 m (33–66 ft) .    

Estrictamente hablando, geotérmico se refiere necesariamente a la Tierra, pero el concepto puede aplicarse a otros planetas. En unidades del SI , el gradiente geotérmico se expresa en grados Celsius por kilómetro (°C/km), ^{[ 1 ]} kelvin por kilómetro (K/km), ^{[ 2 ]} o milikelvin por metro (mK/m); ^{[ 3 ]} todos estos son equivalentes.

El calor interno de la Tierra proviene de una combinación de calor residual de la acreción planetaria , calor producido por desintegración radiactiva , calor latente de la cristalización del núcleo y posiblemente calor de otras fuentes. Los principales nucleidos productores de calor en la Tierra son el potasio-40 , el uranio-238 , el uranio-235 y el torio-232 . ^{[ 4 ]} Se cree que el núcleo interno tiene temperaturas en el rango de 4000 a 7000  K, y se cree que la presión en el centro del planeta es de aproximadamente 360 ​​GPa (3,6 millones de atm). ^{[ 5 ]} (El valor exacto depende del perfil de densidad en la Tierra). Debido a que gran parte del calor es proporcionado por la desintegración radiactiva, los científicos creen que al principio de la historia de la Tierra, antes de que se agotaran los nucleidos con vidas medias cortas , la producción de calor de la Tierra habría sido mucho mayor. La producción de calor era el doble que la actual hace aproximadamente 3 mil millones de años, ^{[ 6 ]} lo que resultó en mayores gradientes de temperatura dentro de la Tierra, mayores tasas de convección del manto y tectónica de placas , lo que permitió la producción de rocas ígneas como las komatiitas que ya no se forman. ^{[ 7 ]}   

La parte superior del gradiente geotérmico está influenciada por la temperatura atmosférica . Las capas más superiores del planeta sólido están a la temperatura producida por el clima local, decayendo hasta aproximadamente la temperatura media anual del suelo (MAGT) a una profundidad superficial de unos 10–20 metros (33–66 pies) dependiendo del tipo de suelo, roca, etc.; ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} es esta profundidad la que se utiliza para muchas bombas de calor geotérmicas . ^{[ 13 ]} Los primeros cientos de metros reflejan el cambio climático pasado; ^{[ 14 ]} descendiendo más, el calor aumenta constantemente a medida que las fuentes de calor internas comienzan a predominar. 

La temperatura dentro de la Tierra aumenta con la profundidad. Se encuentran rocas altamente viscosas o parcialmente fundidas a temperaturas entre 650 y 1200 °C (1200 y 2200 °F) en los márgenes de las placas tectónicas, lo que aumenta el gradiente geotérmico en las proximidades, pero se postula que solo el núcleo externo existe en estado fundido o fluido, y la temperatura en el límite entre el núcleo interno y el núcleo externo de la Tierra, a unos 5150 kilómetros (3200 millas) de profundidad, ^{[ 15 ]} se estima en 5650 ± 600 Kelvin . ^{[ 16 ] [ 17 ]} El contenido de calor de la Tierra es de 10 ³¹ julios . ^{[ 1 ]}   

• Gran parte del calor se genera por la desintegración de elementos naturalmente radiactivos. Se estima que entre el 45 y el 90 por ciento del calor que escapa de la Tierra proviene de la desintegración radiactiva de elementos, principalmente ubicados en el manto. ^{[ 6 ] [ 18 ] [ 19 ]}
• Energía potencial gravitatoria , que puede dividirse a su vez en:
  • Liberación durante la acreción de la Tierra.
  • El calor se liberó durante la diferenciación , a medida que los metales pesados ​​abundantes ( hierro , níquel , cobre ) descendieron al núcleo de la Tierra.
• Se libera calor latente a medida que el núcleo externo líquido se cristaliza en el límite del núcleo interno .
• Las fuerzas de marea que actúan sobre la Tierra durante su rotación pueden generar calor (conservación del momento angular). Las mareas terrestres resultantes disipan energía en el interior de la Tierra en forma de calor.

En la corteza continental terrestre, la desintegración de nucleidos radiactivos naturales contribuye significativamente a la producción de calor geotérmico. La corteza continental es rica en minerales de baja densidad, pero también contiene concentraciones importantes de elementos litófilos más pesados , como el uranio. Por ello, alberga el reservorio global más concentrado de elementos radiactivos de la Tierra. ^{[ 20 ]} Los elementos radiactivos naturales se encuentran enriquecidos en las rocas graníticas y basálticas, especialmente en las capas más cercanas a la superficie terrestre. ^{[ 21 ]} Estos altos niveles de elementos radiactivos están en gran medida excluidos del manto terrestre debido a su incapacidad para sustituir a los minerales del manto y al consiguiente enriquecimiento en los fundidos durante los procesos de fusión del manto. El manto está compuesto principalmente por minerales de alta densidad con mayores concentraciones de elementos que tienen radios atómicos relativamente pequeños, como el magnesio (Mg), el titanio (Ti) y el calcio (Ca). ^{[ 20 ]}

El gradiente geotérmico es más pronunciado en la litosfera que en el manto porque el manto transporta el calor principalmente por convección, lo que da lugar a un gradiente geotérmico determinado por la adiabática del manto, en lugar de por los procesos de transferencia de calor por conducción que predominan en la litosfera, la cual actúa como una capa límite térmica del manto en convección.

El calor fluye constantemente desde sus fuentes dentro de la Tierra hacia la superficie. La pérdida total de calor de la Tierra se estima en 44,2  TW ( 4,42 × ^10¹³ vatios ). ^{[ 23 ]} El flujo de calor medio es de 65  mW/m² ^sobre la corteza continental y de 101  mW/m² ^sobre la corteza oceánica . ^{[ 23 ]} Esto es 0,087 vatios/metro cuadrado en promedio (0,03 por ciento de la energía solar absorbida por la Tierra ^{[ 24 ]} ), pero está mucho más concentrado en áreas donde la litosfera es delgada, como a lo largo de las dorsales oceánicas (donde se crea nueva litosfera oceánica) y cerca de plumas del manto . ^{[ 25 ]} La corteza terrestre actúa efectivamente como una manta aislante gruesa que debe ser perforada por conductos de fluidos (de magma, agua u otros) para liberar el calor que se encuentra debajo. Gran parte del calor de la Tierra se pierde a través de la tectónica de placas, por el ascenso del manto asociado a las dorsales oceánicas. Otro modo importante de pérdida de calor es por conducción a través de la litosfera , la cual ocurre principalmente en los océanos debido a que la corteza allí es mucho más delgada y joven que la que se encuentra bajo los continentes. ^{[ 23 ] [ 26 ]}

El calor de la Tierra se repone mediante la desintegración radiactiva a una tasa de 30  TW. ^{[ 27 ]} Los flujos geotérmicos globales son más del doble de la tasa de consumo energético humano de todas las fuentes primarias. La Comisión Internacional de Flujo de Calor (IHFC) de la IASPEI / IUGG recopila y compila datos globales sobre la densidad del flujo de calor . ^{[ 28 ]}

El calor del interior de la Tierra puede utilizarse como fuente de energía, conocida como energía geotérmica . El gradiente geotérmico se ha utilizado para calefacción y baños desde la época de la antigua Roma, y ​​más recientemente para generar electricidad. A medida que la población humana sigue creciendo, también lo hace el consumo de energía y los impactos ambientales correspondientes, propios de las fuentes de energía primarias globales. Esto ha generado un creciente interés en encontrar fuentes de energía renovables que reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero. En zonas de alta densidad de energía geotérmica, la tecnología actual permite la generación de energía eléctrica debido a las altas temperaturas. La generación de energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos no requiere combustible y proporciona energía de base con una fiabilidad que supera constantemente el 90 %. ^{[ 20 ]} Para extraer energía geotérmica, es necesario transferir eficientemente el calor de un yacimiento geotérmico a una central eléctrica, donde se convierte la energía eléctrica a partir del calor mediante el paso de vapor a través de una turbina conectada a un generador. ^{[ 20 ]} La eficiencia de convertir el calor geotérmico en electricidad depende de la diferencia de temperatura entre el fluido calentado (agua o vapor) y la temperatura ambiente, por lo que es ventajoso utilizar fuentes de calor profundas y de alta temperatura. A escala mundial, el calor almacenado en el interior de la Tierra proporciona una energía que todavía se considera una fuente exótica. Aproximadamente 10  GW de capacidad eléctrica geotérmica estaban instalados en todo el mundo a partir de 2007, generando el 0,3 % de la demanda mundial de electricidad. Otros 28 GW de capacidad de calefacción geotérmica directa están instalados para calefacción urbana, calefacción de espacios, balnearios, procesos industriales, desalinización y aplicaciones agrícolas. ^{[ 1 ]}

El gradiente geotérmico varía según la ubicación y generalmente se mide determinando la temperatura en el fondo del pozo tras la perforación. Sin embargo, los registros de temperatura obtenidos inmediatamente después de la perforación se ven afectados por la circulación del fluido de perforación. Para obtener estimaciones precisas de la temperatura en el fondo del pozo, es necesario que este alcance una temperatura estable. Esto no siempre es posible por razones prácticas.

En áreas tectónicas estables en los trópicos , un gráfico de temperatura-profundidad convergerá a la temperatura superficial promedio anual. Sin embargo, en áreas donde se desarrolló permafrost profundo durante el Pleistoceno , se puede observar una anomalía de baja temperatura que persiste hasta varios cientos de metros. ^{[ 29 ]} La anomalía fría de Suwałki en Polonia ha llevado al reconocimiento de que perturbaciones térmicas similares relacionadas con los cambios climáticos del Pleistoceno- Holoceno se registran en pozos de toda Polonia, así como en Alaska , el norte de Canadá y Siberia .

En las zonas de elevación y erosión del Holoceno (Fig. 1), la pendiente superficial será alta hasta alcanzar un punto (denominado "Punto de inflexión" en la figura) donde se estabiliza el régimen de flujo de calor. Si se proyecta la pendiente del régimen estabilizado por encima de este punto hasta su intersección con la temperatura media anual actual, la altura de esta intersección sobre el nivel de la superficie actual proporciona una medida de la extensión de la elevación y erosión del Holoceno. En las zonas de subsidencia y sedimentación del Holoceno (Fig. 2), la pendiente inicial será inferior a la media hasta alcanzar un punto donde se une al régimen de flujo de calor estabilizado.

Las variaciones en la temperatura superficial, ya sean diarias, estacionales o inducidas por cambios climáticos y el ciclo de Milankovitch , penetran bajo la superficie terrestre y producen una oscilación en el gradiente geotérmico con periodos que varían de un día a decenas de miles de años, y una amplitud que disminuye con la profundidad. Las variaciones de periodo más largo tienen una escala de profundidad de varios kilómetros. ^{[ 30 ] [ 31 ]} El agua de deshielo de los casquetes polares que fluye a lo largo de los fondos oceánicos tiende a mantener un gradiente geotérmico constante en toda la superficie terrestre. ^{[ 30 ]}

Si la tasa de aumento de temperatura con la profundidad observada en perforaciones poco profundas persistiera a mayores profundidades, las temperaturas en el interior de la Tierra pronto alcanzarían el punto en que las rocas se fundirían. Sin embargo, sabemos que el manto terrestre es sólido debido a la transmisión de ondas S. El gradiente de temperatura disminuye drásticamente con la profundidad por dos razones. Primero, el mecanismo de transporte térmico cambia de conducción , como dentro de las placas tectónicas rígidas, a convección , en la porción del manto terrestre que convec. A pesar de su solidez , la mayor parte del manto terrestre se comporta en escalas de tiempo largas como un fluido , y el calor se transporta por advección , o transporte de material. Segundo, la producción de calor radiactivo se concentra dentro de la corteza terrestre, y particularmente dentro de la parte superior de la corteza, ya que las concentraciones de uranio , torio y potasio son más altas allí: estos tres elementos son los principales productores de calor radiactivo dentro de la Tierra. Así, el gradiente geotérmico dentro de la mayor parte del manto terrestre es del orden de 0,5 kelvin por kilómetro, y está determinado por el gradiente adiabático asociado con el material del manto ( peridotita en el manto superior). ^{[ 32 ]}

Los gradientes geotérmicos negativos se producen cuando la temperatura disminuye con la profundidad. Esto ocurre en los primeros cientos de metros cerca de la superficie. Debido a la baja difusividad térmica de las rocas, las temperaturas subterráneas profundas apenas se ven afectadas por las variaciones diurnas o incluso anuales de la temperatura superficial. Por lo tanto, a profundidades de pocos metros, las temperaturas subterráneas son similares a la temperatura superficial media anual. A mayores profundidades, las temperaturas subterráneas reflejan un promedio a largo plazo del clima pasado, de modo que las temperaturas a profundidades de decenas a cientos de metros contienen información sobre el clima de los últimos cientos o miles de años. Dependiendo de la ubicación, estas pueden ser más frías que las temperaturas actuales debido al clima más frío cercano a la última edad de hielo o debido a un cambio climático más reciente. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 14 ]}

También pueden producirse gradientes geotérmicos negativos debido a acuíferos profundos , donde la transferencia de calor desde el agua profunda por convección y advección da como resultado que el agua en niveles menos profundos caliente las rocas adyacentes a una temperatura más alta que las rocas en un nivel algo más profundo. ^{[ 35 ]}

También se encuentran gradientes geotérmicos negativos a gran escala en las zonas de subducción. ^{[ 36 ]} Una zona de subducción es un límite de placa tectónica donde la corteza oceánica se hunde en el manto debido a la alta densidad de la placa oceánica en relación con el manto subyacente. Dado que la placa que se hunde entra en el manto a una velocidad de unos pocos centímetros por año, la conducción de calor no puede calentar la placa tan rápidamente como se hunde. Por lo tanto, la placa que se hunde tiene una temperatura más baja que el manto circundante, lo que resulta en un gradiente geotérmico negativo. ^{[ 36 ]}

• Gradiente de temperatura
• Balance térmico interno de la Tierra
• Energía geotérmica
• Circulación hidrotermal

• Conjunto de datos de la base de datos global de flujo de calor PANGAEA con gradientes geotérmicos para un gran número de sitios en todo el mundo.