A Föld lakói vagyunk, bolygónk belső szerkezetéről, az ott uralkodó fizikai és kémiai viszonyokról mégis csak hézagos ismereteink vannak. Amit tudunk, azt a földrengéshullámok terjedésének, visszaverődésének módjából, a Föld átlagos sűrűségének és a földkéreg hozzáférhető kőzetei sűrűségének az összehasonlításából, a vulkáni jelenségek és a földmágnesség értékeléséből szűrhettük le.
A Föld belseje nehezen tárja fel titkait, sokkal nehezebben, mint a világűr. A mélyrehatolás egyik legnagyobb akadálya: a hőmérsékletnek a Föld középpontja felé való emelkedése.
A FÖLD BELSŐ MELEGE
A vulkáni kitörések által a felszínre kerülő magas hőmérsékletű anyagok, valamint a meleg források vize arra utal, hogy bolygónk belsejében nagy hőmérsékletek uralkodnak. A geológiában a mélységgel változó hőmérsékletnövekedést a geotermikus gradiens fogalmával fejezik ki. Ezt méterben adják meg: azt a mélységet jelenti, mellyel lennebb hatolva a hőmérséklet 1 C°-kal nő. A Földre vonatkoztatott átlagos geotermikus gradiens értéke 33 m/C°, ami azt jelenti, hogy 100 méterenként a hőmérséklet 3 C°-kal növekszik. A számítást a neutrális zónától szokták kezdeni, attól a szinttől, amely alatt az évszakok változása által előidézett hőmérsékletingadozás már nem észlelhető. Ez a szint Közép-Európában 20-30 méter között van.
A földkéreg hozzáférhető mélységeiben mért átlagos gradiensértéket mai felfogásunk szerint nem érvényesíthetjük bolygónk belső részére. Az ásványok olvadási pontja és olvadási hője, valamint más meggondolások alapján a geofizikusok úgy vélik, hogy nagyobb mélységekben a geotermikus gradiens értéke egyre nő, előbb 50, majd 66 és végül 75 m/C° vagy ennél is nagyobb. Ennek alapján a földmag (Nife) hőmérséklete 5-6000 C° lehet, nem haladja meg tehát a Nap felületének hőmérsékletét. De ez is elegendő arra, hogy egy „forró bolygó” lakóinak tekintsük magunkat.
A HŐÁRAM VIZSGÁLATA
Ismeretes, hogy bármely test, melynek hőmérséklete nagyobb a környezeténél, hőt ad át egészen addig, amíg a különbség ki nem egyenlítődik. Ez érvényes bolygónkra is. Igaz, hogy a Föld belső, forró részét a kéreg elszigeteli, de mégis – már a 20-as években – feltételezték, hogy a Föld hőt sugároz ki. A harmincas évektől kezdve a mérési módszerek tökéletesedése lehetővé tette a hőveszteség mérését és az úgynevezett hőáram megállapítását. A méréseket – ultraérzékeny kaloriméterekkel – előbb a kontinenseken végezték el, majd az ötvenes évektől kezdődően az óceáni medencék hőáramának vizsgálata került sorra. A hőkisugárzás nagyságát kis eltérésekkel egyformának találták: 1.5 mikrokalória négyzetcentiméterenként és másodpercenként. Úgy tűnhet, hogy ez rendkívül csekély (például Földünk éghajlatát valóban nem befolyásolja). Mégis – sok kicsi sokra megy – a hőáram által vesztett energia többszörösen felülmúlja a földrengések által felszabadult energiát. A Föld felületére vonatkoztatva a hőveszteség oly nagy, hogy amennyiben a kéregben lévő radioaktív elemek alakulásából származó hő nem pótolná a veszteséget, a Földnek már rég ki kellett volna hűlnie.
A radioaktivitásnak mai felfogásunk szerint döntő szerepe van a Föld hőháztartásában. Az uránium (4,5 milliárd év felezési idejével), a tórium (13,9 milliárd év felezési idejével) és a többi radioaktív elem évmilliárdokig fenntarthatja a Föld belső melegét, még akkor is, ha ezek, mennyisége egy tonnányi kőzetben csak néhány gramm. (Egész bolygónkra vonatkoztatva az uránium százszor nagyobb mennyiségben fordul elő, mint az arany. A legtöbb radioaktív elemet a magmatikus kőzetek tartalmazzák, éppen azok, melyek részesedése a földkéreg felépítésében a legjelentősebb, és amelyeknek a mennyisége a mélységgel nő.) A radioaktivitás szolgáltatta hőmennyiség a felszínen vagy a felszínhez közel észrevétlenül távozik, a mélyben azonban, mivel a rétegek jól elszigeteltek, a keletkezett hő a földtörténet évmilliárdjai alatt annyira felhalmozódott, hogy a kőzet megolvadt.
Ismeretes, hogy az óceáni medencék területén a földkéreg igen vékony, feltételezzük, hogy mindössze 4-10 km. Ezért okozott meglepetést az itt észlelt hőáramérték, amely egyenlő a vastag szárazföldi kéreg által kibocsátottal. Ebből arra következtetnek, hogy az óceáni kéreg alatt magasabb a hőmérséklet, mint a kontinensek alatt. Ennek a jelenségnek az okát még nem ismerjük, a feltételezések szerint az óceáni kéreg alatti hőmérséklet növelésében a mélyáramlások játszanak szerepet.
A KONTINENSEK MOZGÁSA
A századunk elején megjelent, a kontinenstömbök vándorlását hirdető Wegener-elmélet, több mint félszázados viták után, polgárjogot nyert a geológiában. A pontos mérési adatok szerint Amerika évenként három centiméterrel távolodik Európától és Afrikától, aminek következtében az Atlanti-óceán tágulóban (neo-óceán), a Csendes-óceán zsugorodásban (paleo-óceán) van. A néhány centiméteres évenkénti távolodás a földtörténeti idő keretébe helyezve nem is jelentéktelen, ha arra gondolunk, hogy 100 millió év alatt Amerika 3000 kilométert távolodott az őskontinens, Gondwana más irányba sodródott darabjaitól.
Wegener óta a geológia számos adat birtokába jutott. A kutatások kiterjesztése a földfelület 71 százalékát alkotó óceáni kéregre lehetővé tette a Föld egészének tektonikai értelmezését, az úgynevezett globális vagy lemeztektonikai elmélet megjelenését. E szerint Földünk szilárd kérge – beleértve az óceáni kérget is – hat elmozduló lemezre osztható, ezeken belül számos kisebb lemezt különböztetnek meg. Ez az elmélet a Wegener-féle úszási elmélet továbbfejlesztésének tekinthető. J. Tuzo Wilson kanadai geofizikus és J. Morgan amerikai óceanográfus érdeme, hogy a vízszintes elmozdulást az óceáni kéreg esetében is kimutatták, sőt mi több, ennek elsődlegességét hangsúlyozzák. Az eredeti (Wegener-féle) felfogástól eltérően, mely csak a szárazulatok elmozdulását hirdette, az új elmélet az egy lemezhez tartozó kontinentális és óceáni kéregrész együttes elmozdulását tételezi fel. E szerint a kontinensek éppen azért vándorolnak, mert egyes óceáni medencék (Atlanti- és Indiai-óceán) tágulóban vannak és vízszintes irányban elnyomják a kontinenseket, miközben a megnövekedett óceáni litoszféra (kéreg) az úgynevezett szubdukciós zónában a kontinensek alá csúszik. A mélybe csúszó óceáni kéreg létrehozza a kéreg hosszanti, a kontinenstömbök széleivel párhuzamos bemélyedéseit, a mélytengeri árkokat, ugyanakkor a kéreg erős mechanikai igénybevétele következtében ezekben az övezetekben intenzív szeizmikus és vulkanikus tevékenység bontakozik ki.
Az óceáni medencék tágulása a közép-óceáni hátságok vidékéről indul ki az asztenoszférában ható mélyáramlások hatására. Az ilyen aktív hátságok hossza eléri a 60 000 kilométert, így az egész Földet körülölelik. A hátságok ezúttal a kéreglemezek széleit jelölik, ezek a Föld „forró pontjai”. Itt is erős a tenger alatti vulkáni tevékenység, főleg lávaömlésekkel, s az átlagosnál jóval nagyobb hőáramlásérték észlelhető a magmatikus anyagtöbblet megjelenésének hatására.
A globális tektonika kidolgozóinak érdeme, hogy egy egységes és konkrét észlelési tényanyagon alapuló elmélet keretében meg tudják magyarázni a kéreglemezek vízszintes elmozdulását egyes óceáni medencék tágulása körülményei között, kielégítően indokolni tudják a közép-óceáni hátságok, mély tengeri árkok, vulkáni és szeizmikus övezetek kialakulásának mechanizmusát.
A globális tektonika által összegezett geotektonikai folyamatok mozgató erői – a geofizikusok többségének véleménye szerint – más számottevő erők hiányában a magmaáramlások. Ezek a Föld belső melegének következtében olvadt állapotban lévő, a köpeny anyagállományában létrejövő konvekciós áramlások. Kialakulásuk hőmérsékleti különbségekhez kötött. A magma nagy viszkozitása következtében a mélyáramlások sebessége csekély, mégis elég nagy ahhoz, hogy a kéreglemezeket a félig olvadt állapotban lévő asztenoszférán elmozdítsa. Az elmozdulás mindössze évenkénti néhány centiméterre becsülhető. A kontinensek alá ferde sík mentén betolódó és a mélyben beolvadó óceáni kéreg a köpeny és a litoszféra közötti állandó anyagkörforgást is biztosítja. Egyes szerzők szerint a mélyáramlások beolvasztó hatásuk következtében hozzájárulhatnak a szilárd kéreg elvékonyodásához, ami a hőáram növekedésében és a geotermikus gradiens csökkenésében nyilvánul meg.
Elmondhatjuk, hogy a Föld belső melegének a lemeztektonika tükrében sokkal nagyobb jelentősége van, mint ahogy azt eddig gondoltuk. Úgy látszik, hogy a földfelszín általános képe, a szárazföldek és az óceáni medencék térbeli eloszlása és jövőbeni fejlődése a Föld belső melegére vezethetők vissza.
GEOTERMIKUS ENERGIA – ÓRIÁSI TARTALÉK
Napjainkban, amikor az emberiség a hagyományos energiaforrások fokozatos kimerülése előtt áll, egyre nagyobb jelentősége van az újfajta energiaforrások felkutatásának és hasznosításának. Ilyen a Föld belső melegéből származó geotermikus energia is. Bolygónk belső hőkészletei óriásiak, de egyelőre ennek hasznosítása a kezdet kezdetén van. Bár a Föld belső melegének energetikai célokra való felhasználása már századunk elején megindult, s ma több országban működnek geotermikus erőművek, a termelt energia világviszonylatban még nem számottevő.
Nem véletlen, hogy az első geotermikus erőmű – századunk elején – Olaszországban épült fel, amely szénben és kőolajban szegény, de a mélyből több vidékén forró gázok és gőzök törnek fel. 1904-ben javasolták, hogy a feltörő forró gőzöket turbogenerátorok hajtására használják fel. E javaslatra épült fel a világ első geotermikus erőműve Larderelloban. A sikeres fúrások eredményeképpen az erőmű állandóan fejlődött; ma már több mint hárommillió kilowattóra energiát termel évenként. Hasonló erőművek működnek Új-Zélandban, Kaliforniában a Salten-tó mellett, Kamcsatkában (Szovjetunió) és Hokkaido szigetén (Japán.) Az ilyen erőművek által termelt energia minden más energiánál olcsóbb, mert nincs szükség gőztermelő kazánok építésére, semmiféle fűtőanyagra; a nagy nyomású gőzt a turbina közvetlenül kapja szondától csővezetéken. A legtöbb esetben a feltörő gőzök nagy mennyiségű ásványi anyagot is tartalmaznak, amelyek növelik a kitermelt gőz gazdasági hatékonyságát.
Vulkáni kitörések alkalmával óriási hőmennyiség szabadul fel. mely az emberiség energiagazdálkodása számára elvész. Ha a kitörő gőz- és gázmennyiségnek csak egy részét is be lehetne fogni energiatermelésre, akkor a geotermikus energia hozzájárulása a világ energiatermeléséhez számottevőbb lenne. A Vezúv energiájának felhasználására Ettore Cardani professzor dolgozott ki tervet. Eszerint mélyfúrásokkal lehetne megcsapolni a vulkán közelében fekvő nagy nyomású gőztároló rétegeket. Így 2000 köbméter 600 C° hő mérsékletű gőzt lehetne kapni másodpercenként. A számítások szerint ezzel egy egymillió kilowattos erőművet lehetne üzemben tartani.
A Szovjetunióban – mint ahogy arról a sajtó a közelmúltban beszámolt – a kamcsatka-félszigeti Avacsinszkája tűzhányó energiájának az értékesítésére dolgoztak ki merész tervet. Az erőmű „kazánját” több mint három kilométer mélységben robbantással fogják kialakítani a tűzhányótól négy km távolságban, melybe folyóvizet injektálnak. A fejlődő 600 C° hőmérsékletű gőzt szondákkal termelik majd ki és az erőmű turbináihoz vezetik. Ha a terv megvalósul, Kamcsatkában fog működni a világ első, vulkáni erőműve.
A geotermikus energia értékesítésének másik formája a hőforrások vizének balneológiai célokra, valamint lakóházak, melegházak, üzemcsarnokok fűtésére való felhasználása. Ebben a vonatkozásban hazánk termálvizeinek egyre sokoldalúbb felhasználásáról számolhatunk be, főleg Nagyváradon és környékén.
A világ energiaigénye kielégítésének jövőbeni módozatait még nem ismerjük, de lehetséges, hogy a geotermikus energia egyre nagyobb szerepet fog betölteni az emberiség energiaszükségletének a kielégítésében.
Megjelent A Hét V. évfolyama 22. számában, 1974. május 31-én.