Тектонічна активність Землі повністю визначається тільки розвиваються в її мантії енергетичними процесами. Впливом ж на тектонічну активність сонячної радіації або розпаду радіоактивних елементів в континентальній корі, можна знехтувати, оскільки виділяється при цьому тепло переходить в теплове випромінювання Землі і розсіюється в космосі. Тому енергетичний баланс Землі, керуючий після її утворення тектонічної активністю, визначається простим співвідношенням: глибинні тепловтрати Землі рівні сумарної швидкості генерації в мантії гравітаційної, радіогенної і приливної енергії за вирахуванням швидкості зміни теплового запасу Землі . У разі теплового рівноваги теплозапасов Землі залишається постійним і швидкість його зміни дорівнює нулю; при розігріві Землі її теплозапасов зростає, а при охолодженні, навпаки, знижується. В цьому випадку енергетичний баланс Землі можна висловити простими співвідношеннями: в інтегральної формі
Формула 18. Енергетичний баланс Землі
де W0 - початковий теплозапасов Землі.
Сучасне значення глибинного теплового потоку легко знайти, віднявши від сумарних тепловтрат Землі (4,3 × 10 20 ерг / с) швидкість генерації радіогенної енергії в континентальній корі (0,91 × 10 20 ерг / с). Отже, сучасні втрати глибинного тепла рівні Q = 3,39 × 10 20 ерг / с. Вони складаються з сумарною генерації в мантії гравітаційної, радіогенної і приливної енергії E і можливої добавки за рахунок зміни теплозапасов Землі W, тобто що відбувається зараз додаткового розігріву або, навпаки, охолодження земних надр. Можлива поправка за зміну теплозапасов Землі невелика, і в першому наближенні можна покласти її рівною нулю. Однак, з огляду на наведені вище значення гравітаційної, радіогенної і приливної енергії, що виділилася в мантії до теперішнього часу (Е = 16,85 × 10 37 + 3,11 × 10 37 + 2,24 × 10 37 = 22,2 × 10 37 ерг ), а також сумарний глибинний тепловий потік E = 3,39 × 10 20 ерг / с, вдається визначити, що поправка за сучасне зміна теплозапасов Землі дорівнює E = -0,27 × 10 20 ерг / с. Це означає, що після архейского перегріву верхньої мантії, про що вже говорилося вище, Земля все ще продовжувала слабо остигати. З огляду на це, тепер можна визначити і сумарну генерацію енергії в глибинних надрах - вона досягає E = 3,12 × 10 20 ерг / с.
З трьох головних енергетичних процесів, розглянутих вище, два (розпад радіоактивних елементів і приливні взаємодії з Місяцем) дозволяють в рамках прийнятих моделей безпосередньо визначати їх внесок в енергетику Землі як по сумарній енергії, так і по швидкості її генерації протягом всієї історії розвитку Землі ( рис. 53). Сучасні значення швидкості генерації в мантії радіогенної і приливної енергії, відповідно рівні 0,34 × 10 20 і 0,02 × 10 20 ерг / с. Тоді за умовою енергетичного балансу знаходимо, що генерація енергії гравітаційної диференціації Землі, в перерахунку на тепло приблизно дорівнює 2,76 × 10 20 ерг / с.
Малюнок 53. Швидкість виділення енергії в Землі:
1 - гравітаційної; 2 - радіогенної; 3 - приливної; 4 - сумарній енергії Е (пік швидкості виділення енергії на часі 2,6 млрд років тому відповідає моменту утворення земного ядра).
Крім диференціального умови енергетичного балансу Землі можна сформулювати і її інтегральну форму: сумарні тепловтрати Землі рівні сумарної генерації енергії в її надрах за вирахуванням повного збільшення теплозапасов Землі від моменту її утворення (18). Розрахувати виділення енергії в Землі за прийнятими моделям її генерації нескладно. За відділами щільності і температури в молодій Землі (див. Табл. 4) можна визначити початковий теплозапасов первинної Землі. Він виявився рівним 7,12 × 10 37 ерг. З огляду на тепер генерацію радіогенної і приливної енергії в Гадейський Еон, вдається також розрахувати теплозапасов Землі на рубежі катархея і архею - 9,29 × 10 37 ерг. За відділами щільності в Землі в кінці архею (див. Рис. 41) з урахуванням сумарної ендогенної енергії, що виділилася в археї, можливо також визначити, що до рубежу архею і протерозою теплозапасов Землі виріс до 16,74 × 10 37 ерг. Теплозапасов сучасної Землі, судячи з даних, наведених в табл. 2, виявився дещо меншим - 15,9 × 10 37 ерг, оскільки Земля, як уже зазначалося вище, все ще продовжує остигати після архейского перегріву мантії, пов'язаного з катастрофічною подією формування земного ядра.
Формула 18. Енергетичний баланс Землі
Таблиця 4. Розподілу щільності, температури, тиску і прискорення сили тяжіння в молодій Землі
При розрахунку розподілів щільності, прискорення сили тяжіння і тиску використовувалося значення маси Землі М = 5,977 × 10 27 г, при цьому безрозмірний момент інерції сферичної Землі J виявився рівним 0,374.
Щільність, г / см 3
Малюнок 41. Розподіл щільності в Землі:
1 - в первинній Землі; 2 - в пізньому археї безпосередньо перед утворенням земного ядра; 3 - після утворення ядра в самому кінці архею; 4 - в сучасній Землі.
У першому наближенні можна прийняти, що в процесі розігрівання Землі в Гадейський Еон і археї збільшення її теплозапасов відбувалося пропорційно кількості виділяється в земних надрах енергії, а при її охолодженні після архею - за експоненціальним законом охолодження нагрітих тел. В цьому випадку тепловтрати Землі легко знаходяться відніманням повного збільшення її теплозапасов з значень сумарної енергії, що виділилася в земних надрах до даного моменту часу. Результати такого розрахунку наведено на рис. 54, а на рис. 55 зображені криві диференціальної форми енергетичного балансу Землі.
Малюнок 54. Інтегральна форма енергетичного балансу Землі:
1 - сумарна енергія, що виділилася в Землі (без урахування приливної енергії, розсіяною в морях і океанах Землі); 2 - сумарна енергія, що виділилася в земній мантії E; 3 - тепловий запас Землі W; 4 - сумарні тепловтрати Землі; 5 - тепловтрати мантії Q. Різниця між кривими 1 і 2, а також 4 і 5 визначає величину радіогенної енергії, що виділилася в континентальній земній корі.
Малюнок 55. Диференціальна форма енергетичного балансу Землі:
1 - сумарна швидкість виділення ендогенної енергії в мантії Землі E m; 2 - сумарне значення глибинного (мантійного) теплового потоку Q m; 3 - швидкість зміни теплового запасу Землі W ; (Пік сумарної швидкості виділення ендогенної енергії на часі 2,6 млрд років тому відповідає моменту утворення земного ядра).
Як видно з наведених графіків, на ранніх етапах існування Землі в її енергетиці явно домінувала приливна енергія, а починаючи з архею - тільки гравітаційна. Радіогенний ж енергія, особливо розсіюється в мантії, всупереч широко поширеній думці, практично ніколи не визначала енергетичного режиму розвитку Землі. Це дуже важливий висновок теоретичної геології, і з ним тепер не рахуватися вже не можна. Сумарна генерація енергії в Гадейський Еон приблизно дорівнювала 3,2 × 10 37 ерг, тепловтрати Землі в цей же час були порівняно низькими - близько 1,03 × 10 37 ерг, тоді як теплозапасов Землі за Гадейський Еон зріс на 2,17 × 10 37 ерг ( з 7,12 × 10 37 ерг при утворенні Землі до 9,29 × 10 37 ерг, близько 4,0 млрд років тому).
В архейську еру найбільшої тектонічної активності Землі в її мантії виділилося близько 14,15 × 10 37 ерг теплової енергії. З цієї енергії дещо більша частина 7,45 × 10 37 ерг пішла на додатковий розігрів Землі, а 6,7 × 10 37 ерг випромінюючи в космічний простір. До кінця архею теплозапасов Землі збільшився до 16,74 × 10 37 ерг. При цьому найбільш інтенсивно енергетичні процеси розвивалися в пізньому археї, коли екваторіальний кільцевий пояс тектонічної активності Землі вже розширився до помірних і навіть до високих широт. Генерація ендогенної енергії з максимальною швидкістю, що досягала 88,85 × 10 20 ерг / с і перевищувала майже в 28,5 рази сучасний рівень генерації цієї енергії, відбувалася близько 2,6 млрд років тому, коли завершувався процес утворення земного ядра. Відзначимо тут же, що сплеск припливно-місячної енергії на початку архею в основному розсіювався в мілководних раннеархейскіх морських басейнах і тому він слабо впливав на ендогенне енерговиділення. Випромінювання глибинного тепла Землею в кінці архею близько 2,7 млрд років тому досягло 48,33 × 10 2 ерг / с, що більш ніж в 14 разів перевищувало сумарний глибинний тепловий потік, що надходить на поверхню із сучасної мантії: 3,39 × 10 20 ерг / с.
У протерозої і фанерозое ендогенні енергетичні процеси протікали вже істотно більш спокійно. Так, за весь цей час, починаючи з 2,6 × 10 9 років тому і до наших днів, в надрах Землі (без урахування радіогенної енергії, генерувати в континентальній корі) виділилося близько 4,85 × 10 37 ерг тепла від основних джерел глибинної енергії і близько 0,84 × 10 37 ерг за рахунок додаткового послеархейского охолодження Землі, а всього 5,69 × 10 37 ерг. Вся ця енергія була втрачена з тепловим випромінюванням Землі, яке на початку раннього протерозою досягало 10,33 × 10 20 ерг / с, тобто більш ніж в три рази перевищувало сучасний рівень (3,39 × 10 20 ерг / с).