Dazu gehören alle geothermischen Beiträge aus Eigengravitation, radioaktivem Zerfall, Vulkanismus, kosmischen Einschläge und – natürlich – Sonneneinstrahlung.
Heißer Dampf aus dem Erdinnern, Krater des Vulkans Poás, Costa Rica
© Wikipedia: MongeNajera, 2013
|
|
| Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme (thermische Energie), sie kann aus dem Erdinneren stammen oder durch Niederschläge oder Schmelzwässer eingebracht worden sein und zählt zu den regenerativen Energien, die durch Erdwärmeübertrager entzogen und genutzt werden kann. Geothermie bezeichnet sowohl die geowissenschaftliche Untersuchung der thermischen Situation als auch die ingenieurtechnische Nutzung der Erdwärme. Heiße Quellen waren den Menschen schon in prähistorischer Zeit bekannt und wurden immer wieder zu verschiedenen Zwecken genutzt. Als im 19. Jahrhundert geologische Erkenntnisse ein erhebliches Alter der Erde immer wahrscheinlicher erscheinen ließen, wurde die Frage nach der Herkunft der – scheinbar unerschöpflichen – Erdwärme (und der Energie der Sonne) immer akuter. Erst die Entdeckung der Radioaktivität konnte schließlich eine Antwort liefern. Die bei ihrer Entstehung glutflüssige Erde ist innerhalb weniger Millionen Jahre erstarrt. Seit über vier Milliarden Jahren ist der radiale Temperaturverlauf im Erdmantel nur wenig steiler als die Adiabate. Dieser Temperaturgradient ist viel zu klein, als dass Wärmeleitung einen wesentlichen Beitrag zum Wärmetransport leisten könnte. Vielmehr treibt der über die Adiabate hinausgehende Betrag des Temperaturgradienten die Mantelkonvektion an. Die im Vergleich zum Erdalter sehr rasche Konvektion – die ozeanische Kruste wurde und wird selten älter als 100 Millionen Jahre – wäre ohne aktive Wärmequellen im Erdinneren bald zum Erliegen gekommen. Das heißt, dass thermische Energie, die noch aus der Zeit der Entstehung der Erde stammt, am heutigen Wärmestrom kaum beteiligt ist. Der zeitliche Temperaturverlauf war zunächst von der Kinetik des radioaktiven Zerfalls dominiert. Kurzlebige Nuklide sorgten für ein Maximum der Manteltemperatur im mittleren Archaikum. Seit früher Zeit trägt auch Kristallisationsenthalpie von der Grenze des langsam wachsenden, festen inneren Erdkerns und gravitative Bindungsenergie aus der damit verbundenen Schrumpfung des ganzen Kerns zur Mantelkonvektion bei. Heute stammt immer noch der größere Teil der Wärmeleistung aus dem radioaktiven Zerfall der langlebigeren Nuklide im Mantel. Der Beitrag jedes Nuklids wird berechnet aus der Zerfallsenergie und der Zerfallsrate; diese wiederum aus der Halbwertszeit und der Konzentration. Konzentrationen im Mantel sind der Messung nicht zugänglich, sondern werden aus Modellen der Gesteinsbildung geschätzt. Seit kurzem werden Zerfallsraten mittels Neutrinodetektoren auch direkt gemessen, in Übereinstimmung mit dem bekannten Ergebnis. Angesichts der Langlebigkeit von Uran-238 und Thorium-232 ist auch auf geologischen Zeitskalen nicht mit einem „Versiegen“ dieser Quelle der Erdwärme zu rechnen. Der vertikale Wärmetransport durch Mantelkonvektion (also Wärmeströmung) endet unter der Erdkruste. Von dort wird Wärme zunächst zum größten Teil durch Wärmeleitung transportiert, was einen viel höheren Temperaturgradienten in kontinentaler Kruste als im Mantel erfordert (geothermische Tiefenstufe). Zusammen mit der Wärmeleitfähigkeit ergibt sich die lokale Wärmestromdichte. Die daraus resultierende „global integrierte Wärmeleistung“ ist nur etwa das Doppelte des Weltenergiebedarfs, was bedeutet, dass Erdwärmenutzung im großen Stil immer auf eine lokale Abkühlung des Gesteins hinausläuft. Aufgrund der Wärmekapazität des Gesteines und der damit verbundenen Menge der gespeicherten Wärme kann aber bei ausreichend großem Volumen die Abkühlung innerhalb der Nutzungsdauer gering bleiben und die Erdwärmenutzung somit nachhaltig sein. Der Weltenergiebedarf ist verglichen mit der in der Kruste gespeicherten Wärme klein. Diese lokale Abkühlung ihrerseits bewirkt dann eine Vergrößerung des Zuflussbereichs. Bei vorhandenen Grundwasserleitern (Gesteinskörper mit Hohlräumen) kann das effektiv genutzte Volumen von vornherein größer sein, da hier neben den Temperaturgradienten auch die Druckgradienten eine Rolle spielen. Diese finden sich beispielsweise in Grabenbrüchen oder in tiefen Sedimentbecken. Im oberflächennahen Grundwasser und in den oberflächennahen Gesteinsschichten wächst mit geringer werdenden Tiefen der Anteil an der Erdwärme, der letztlich aus der Sonneneinstrahlung stammt. Die Geothermie ist global gesehen eine langfristig nutzbare Energiequelle. Mit den Vorräten, die in den oberen drei Kilometern der Erdkruste gespeichert sind, könnte im Prinzip rechnerisch und theoretisch der derzeitige weltweite Energiebedarf für über 100.000 Jahre gedeckt werden. Allerdings ist nur ein kleiner Teil dieser Energie technisch nutzbar und die Auswirkungen auf die Erdkruste bei umfangreichem Wärmeabbau sind noch unklar. [1] |
| Als Wärmeinhalt der Ozeane wird die Abweichung der im Meer oder auch Teilen desselben gespeicherten thermischen Energie (der Wärmemenge) gegenüber einem Referenzwert bezeichnet. Wasser hat eine höhere Wärmekapazität als Luft und die Gesamtmasse der Atmosphäre entspricht einer knapp 3 m dicken Meerwasserschicht, während die Ozeane im Schnitt 3.680 m tief sind; daher ist der Wärmeinhalt der Ozeane höher als der der Atmosphäre. Vor allem infolge steigender Treibhausgaskonzentrationen erwärmt sich gegenwärtig die Erde. Nur etwa 2% der zusätzlichen Energie wird in der Atmosphäre gespeichert, etwa 90% in den Ozeanen; ihr zunehmender Wärmeinhalt ist wesentlicher Indikator der globalen Erwärmung. Von 2013 bis 2018 veröffentlichte Schätzungen deuten darauf hin, dass sich die Meereserwärmung seit 1991 beschleunigt hat und stärker ausfällt als zuvor angegeben (also die Ozeane zwischen 1971 und 2010 etwa 93% der zusätzlichen Energie gespeichert hätten). Wegen der Wärmeausdehnung von Wasser trägt die Erwärmung der Ozeane signifikant zum Meeresspiegelanstieg bei. Bei der Bestimmung des Wärmeinhalts der Ozeane wird oft aus historischen Gründen zwischen den ersten 700 m der Wasseroberfläche und den darunter liegenden Wassermassen, der Tiefsee, unterschieden. Die anthropogene globale Erwärmung zeigt sich in der Zunahme der Temperaturen und des Wärmeinhalts aller Wasserschichten. Oberflächennahe Wasserschichten erwärmen sich dabei wesentlich rascher als tiefe. Der ozeanische Wärmeinhalt nimmt am deutlichsten im Atlantischen Ozean und im Südlichen Ozean zu; letzterer hat zwischen 1970 und 2017 in Tiefen von 0 bis 2.000 m um die 40% der zusätzlichen Wärmeenergie aufgenommen. Die Zunahme ging mit einem zunehmenden Wärmetransport über den Äquator einher. Für Ökosysteme und Fischerei bedrohliche marine Hitzewellen ereignen sich häufig in Meeresregionen, die sich besonders stark erwärmen. Der Wärmeinhalt der Ozeane wird seit 1881 als erneuerbare Energieform erforscht. Diese Form der Energiegewinnung erwies sich als bislang nicht praktikabel. Bis auf einige Versuchsanlagen wurde kein solches Kraftwerk in Betrieb genommen. [2] |
|
[1] Wikipedia (de): Geothermie [2] Wikipedia (de): Wärmeinhalt der Ozeane |
Wikipedia (en): Geothermal energy Wikipedia (en): Ocean heat content |
|
|
| Daten |
|
Erfasst werden Parameter zur Erdwärme, die ... Anzahl: etwa ... Datensätze. |
| (1) ... |
| (2) ... |
|
|
| Quellen und Material |
| [xxx] ... |
| [xxx] ... |
|
|
| Wikipedia (de) – Listen |
| ... |
| ... |
|
|
| Wikipedia (en) – Listen |
| ... |
| ... |
|
|