Bài giảng Các nguồn năng lượng

Chương 2: Các nguồn năng lượng Vỏ cảnh quan xuất hiện đồng thời với vỏ Trái đất và chúng có sự phân dị theo đai, theo đới địa lý. Nguyên nhân gây ra sự phân dị này là các nguồn năng lượng bên trong và bên ngoài Trái đất bao gồm: 1) nội nhiệt của Trái đất, 2) mặt trời, 3) trọng lực, 4) tác động của các vật thể ngoài Trái đất. Năng lượng chứa bên trong Trái đất liên tục phun lên bề mặt (còn gọi là những lực xây dựng), tùy theo qui mô và thời gian hoạt động các lực này tạo nên các cấp cảnh quan khác nhau: Trong những khoảng thời gian ngắn năng lượng bên trong được tập trung tạo ra núi lửa , động đất tạo nên các thung lũng. Trong những khoảng thời gian địa chất dài hơn, nó tạo ra các lục địa, đại dương, và khí quyển. Ở qui mô hành tinh, dòng phun ra ngoài của nội nhiệt làm cho lục địa trôi dạt, va chạm và tạo nên các dải núi và cao nguyên. Những lực xây dựng lục địa công suất lớn bên trong nói trên bị ngoại lực của mặt trời cộng với trọng lực kháng lại. Khoảng ¼ năng lượng mặt trời đến Trái đất làm bay hơi nước vào khí quyển. Sức hút liên tục của trọng lực giúp mang độ ẩm khí quyển trở lại mặt đất như nước và tuyết. Trọng lực cung cấp năng lượng cho các nhân tố xâm thực – băng hà, các dòng chảy, nước ngầm, sóng đại dương, dòng biển và thời tiết (phong hóa) đã làm xói mòn các lục địa, phân hủy các tàn tích và vận chuyển các mảnh vỡ của chúng vào biển. Một nguồn năng lượng khác đến từ không gian-các thiên thể và sao chổi-tác động đến Vỏ cảnh quan. Mặc dầu các vụ va chạm với các vật thể lớn không thường xuyên, ảnh hưởng của chúng đến sự sống có thể là toàn cầu. Xung đột lâu dài giữa các lực nội sinh xây dựng hình thành và nâng cao khối đất đồng thời các lực ngoại sinh phá hủy xói mòn lục địa và vận chuyển các mảnh vỡ lục địa vào các bồn đại dương. Nếu tất cả các công trình núi và sự nâng lên dừng lại. Lực kết hợp của các nhân tố xâm thực sẽ đủ để hạ thấp lục địa tới mực nước biển chỉ trong 45 triệu năm. Điều này tưởng như thời gian kéo dài vô cùng, nhưng nhớ rằng trong 4.5 tỉ năm tuổi Trái đất, nghĩa là xâm thực đủ mạnh để san phẳng lục địa khoảng 100 lần nếu nội lực không duy trì nâng cao lục địa cổ và bổ sung các khối đất mới. 2.1 Nguồn năng lượng bên trong Để hiểu nguồn gốc và đặc điểm năng lượng bên trong Trái đất, chúng ta cần tìm hiểu lịch sử sơ khai của hành tinh chúng ta. 1) Trái đất là hành tinh động; nó tái sinh các đá và loại bỏ nhiều dữ liệu của lịch sử sơ khai. 2) Các đá càng cổ, thời gian dài hơn càng bị phá hủy nhiều hơn. T.đất xuất hiện lúc đầu như là khối bồi kết của các hạt và khí từ các đám mây quay trong vũ trụ cách ngày nay khoảng 4.5 tỷ năm. Các miếng và mẩu tích tụ ở thời kỳ đầu của Trái đất gồm các hạt giầu kim loại (như các thiên thạch giầu sắt), các đá (các thiên thạch đá), và băng (nước, cacbornic, và các thành phần khác). Khi quả cầu của các hạt kết thành khối tăng lên, lực trọng lực có thể đã hút nhiều mẩu kim loại vào trung tâm, trong khi một số vật liệu nhẹ hơn có thể tập trung ra gần bên ngoài. Trái đất trong thời thơ ấu của nó được xem là các vật liệu tương đối đồng nhất. Trái đất không duy trì sự đồng nhất lâu dài: Các quá trình hình thành hành tinh (Hình 2.1) tạo ra lượng nhiệt rất lớn, đã làm thay đổi cơ bản hành tinh trẻ từ quả cầu gần như đồng nhất thành một khối phân tầng theo tỷ trọng với các vật liệu nặng hơn ở tâm và các vật liệu nhẹ hơn dần ra phía ngoài. Nhiệt làm biến đổi Trái đất do: 1) năng lượng va chạm, 2) năng lượng trọng lực và 3) sự phân rã các nguyên tố phóng xạ. Hình 2.1 Các quá trình sinh nhiệt trong nhiều năm hình thành Trái đất gồm: 1) va chạm của các tiểu hành tinh, 2) phân rã các nguyên tố phóng xạ, 3) sự co trọng lực 2.1.1 Năng lượng va chạm Năng lượng va chạm của các hạt đập vào nhau khi Trái đất lớn dần đã tạo ra nhiệt. Số lượng rất lớn các các thiên thể lớn nhỏ, thiên thạch và sao chổi dụng vào trái đất, với năng lượng di chuyển của nó chuyển thành nhiệt trong tác động. 2.1.2 Năng lượng trọng lực Năng lượng trọng lực được giải phóng khi Trái đất sơ khai bị hút thành một khối đậm đặc tăng lên. Sự chôn vùi sâu hơn của vật liệu khi khối Trái đất lớn dần gây ra sức hút trọng lực gia tăng nhiều hơn rồi được nén vào bên trong. Năng lượng trọng lực này đã được chuyển thành nhiệt mà không thoát ra được một cách dễ dàng do sự dẫn nhiệt rất chậm qua các đá. Nhiệt độ bên trong Trái đất quá 1,000oC, vượt qua điểm nóng chảy của sắt tại các độ sâu khác nhau. Sắt hình thành khoảng 1/3 khối lượng Trái đất, mặc dầu nó có tỷ trọng lớn hơn nhiều các đá thông thường, nhưng nó chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Sự tích lũy nhiệt làm cho các khối thiên thạch giầu sắt nóng chảy. Sắt lỏng tỷ trọng cao bị hút bởi trọng lực vào tâm Trái đất. Khi các khối lượng sắt lỏng khổng lồ này di chuyển vào trong để tạo thành Nhân Trái đất, chúng giải phóng một khối lượng năng lượng trọng lực mà được chuyển thành nhiệt và nâng nhiệt độ bên trong Trái đất tới 2000oC. Sự giải phóng khối lượng lớn nhiệt này sẽ tạo ra sự nóng chảy tràn lan làm cho các vật liệu tỉ trọng thấp nổi lên cao và hình thành: 1) Vỏ nguyên thủy của các đá tỉ trọng thấp ở bề mặt của Trái đất 2) Các đại dương lớn 3) Khí quyển. Sự hình thành nhân giầu sắt là sự kiện duy nhất trong lịch sử Trái đất. 2.1.3 Năng lượng từ các nguyên tố phóng xạ Năng lượng được giải phóng từ các nguyên tố phóng xạ khi các nguyên tử mẹ phóng xạ không bền vững ném ra các hạt dưới nguyên tử, giảm kích thước của chúng và trở nên nhỏ hơn, các nguyên tử con không phóng xạ Các nguyên tử phóng xạ phát ra: 1) Các hạt alpha gồm hai proton và hai neutron (hạt nhân của nguyên tử helium); 2) Các hạt beta là các điện tử được giải phóng trong lúc phân chia neutron và 3) Bức xạ gamma tương tự như các tia X nhưng với bước sóng ngắn hơn. Vì các hạt bật ra nhanh bị chậm lại và bị hấp thu bởi vật chất bao quanh, năng lượng di động của chúng được chuyển đổi thành nhiệt. Quá trình phân rã được đo bằng chu kỳ bán phân rã (half life), là khoảng thời gian cần thiết để một nửa khối lượng nguyên tố phóng xạ mẹ (parent) phân rã thành sản phẩm phân rã Như vậy: Tổng năng lượng bên trong từ các va chạm, trọng lực, và các nguyên tố phóng xạ, cộng với năng lượng bổ sung tạo bởi ma sát thủy triều là rất lớn. Một lượng lớn hơn của các nguyên tố phóng xạ tại lúc khởi đầu của trái đất được kết hợp với lực hấp dẫn sơ khai và các tác động thiên thạch xảy ra thường xuyên hơn để nâng cao nhiệt độ bên trong Trái đất trong suốt thời kỳ tiền sử của nó. Chú ý rằng sự tích lũy nhiệt bên trong trái đất đã đạt cực đại ngay thời kỳ đầu của lịch sử trái đất và sau đó giảm đáng kể. Tuy nhiên, ngày nay dòng nhiệt bên trong hướng lên mặt Trái đất thì vẫn đủ lớn để cung cấp năng lượng cho các lục địa trôi dạt, các núi lửa phún xuất và động đất rung chuyển. 2.2 Tuối và các sự kiện của lịch sử Trái đất 2.2.1 Tuổi của Trái đất Trái đất có tuổi 4.55 tỉ nămđược đo bằng các nguyên tố phóng xạ và các sản phẩm phân rã của nó thu thập từ các đá Mặt trăng và thiên thạch (meteorite). Đá trái đất cổ nhất tìm thấy ở tây bắc Canađa được định tuổi là 3.96 tỉ năm và 3.9 tỉ năm ở Greenland. Các đá này thuộc thành phần vỏ, nghĩa là chúng được tái sinh và được hình thành từ các đá cổ hơn (tuổi cổ nhất thu được trên các vật liệu Trái đất là 4.2 tỉ năm, đo được trên các hạt cát zircon từ đá cát kết 3.1 tỉ năm ở Tây Úc). Tuổi khoảng 4.55 tỉ năm dựa vào giả thiết nguồn gốc phổ biến đối với Trái đất, Mặt trăng, các thiên thạch và phần còn lại của Hệ Mặt trời. Tuổi 4.55 tỉ năm đo được từ các đá Mặt trăng và các thiên thạch được sử dụng tuổi cho tất cả. Như thế, chúng ta có thể kết luận từ bằng chứng trực tiếp rằng Trái đất có tuổi từ 4 đến 4.2 tỉ năm cộng với khoảng 0.35 đến 0.55 khi xem trái đất có tuổi tương đương với mặt trăng và các thiên thạch. 2.2.2 Lịch sử Trái đất Hiểu biết của chúng ta hiện nay về nguồn gốc Trái đất là khối bụi bồi kết và các hạt lớn hơn di chuyển theo qũy đạo Mặt Trời cách nay trên 4.5 tỉ năm. Nhiệt bên trong đã lên cao trong suốt vài trăm triệu năm đầu sau khi bồi dần các hạt này do các va chạm của thiên thạch, sự co rút hấp dẫn, và phân rã các nguyên tố phóng xạ. Trong suốt thời gian này, Trái đất giống như bình nước sôi (simmering pot). Nhiệt độ đã liên tục tăng cho tới khi đạt được nhiệt độ tới hạn, tại nhiệt độ này sắt bị nóng chảy. Sau đó trọng lực đã đẩy sắt lỏng vào trong để tạo ra nhân sắt. Quá trình hình thành nhân sắt đã giải phóng năng lượng hấp dẫn và nhiệt độ, đã gây ra sự nóng chảy tràn lan. Các vật liệu mật độ thấp (magma, nước và khí) giải phóng do nóng chảy tăng lên và được tích tụ ở mặt ngoài Trái đất như các lục địa, các đại dương, và khí quyển. Các đại dương lớn và các lục địa nhỏ tồn tại cách nay 3.9 tỉ năm, sự sống hiện diện là các vi khuẩn quang hợp cách nay 3.5 tỉ năm, Các lục địa lớn hiện diện cách nay 2.5 tỉ năm, và các lớp ngoài cùng của trái đất là các lớp hoạt động trong quá trình kiến tạo mảng cách nay ít nhất là 1.5 tỉ năm. 2.3 Trái đất phân lớp Ngày nay Trái đất là sản phẩm của 4.5 tỉ năm phân dị thành các lớp có tỷ trọng khác nhau. Nhiều vật liệu tỷ trọng lớn nhất bị hút vào trung tâm, và một số chất tỷ trọng nhỏ nhất thoát ra bề mặt (Hình 2.3). Hình 1.5 Phân tầng tỷ trọng trong trái đất, nghĩa là các vật liệu tỷ trọng thấp hơn nổi trên các vật liệu tỷ trọng cao hơn. Áp suất và nhiệt độ gia tăng từ bề mặt tới tâm Trái đất Trái đất được chia thành bốn lớp chính: nhân trong, nhân ngoài, mantle và vỏ. The crust and uppermost part of mantle forms lithosphere (approximatly 35 to 60 km). Asthenosphere lies in the depth of 100 to 700 km 1) 0 to 35 km - Crust (locally varies 5-70 km) 2) 35 to 2890 km - Mantle 3) 2890 to 5100 km - Outer core 4) 5100 to 6378 km - Inner core Vì Nhân Trong quá nóng nên nó bức xạ các dòng nhiệt lên các lớp trên. Các dòng này được gọi là các dòng đối lưu. Các dòng đối lưu này làm cho các mảng kiến tạo của bề mặt Trái Đất di chuyển. Sự di chuyển các mảng kiến tạo gây ra phún xuất núi lửa, động đất và tạo núi. Xem hinh 3_2; 3_5;3_1 2.4 Đẳng tĩnh Khái niệm đẳng tĩnh đã được phát triển trong thế kỷ trước. Nó áp dụng nguyên lý buoyancy cho các lục địa tỷ trọng thấp và các dẫy núi trôi trên mantle tỷ trọng lớn hơn nằm dưới. Như thế lục địa trôi lềnh bềnh phía trên đồng thời có “rễ” dày phía dưới nó (Hình 1.6). ` Hình 2.4 Các lớp trên của Trái đất được nhận dạng 1) về thành phần, vỏ tỷ trọng thấp tách khỏi mantle tỷ trọng cao hơn nằm dưới, hoặc 2) trên cơ sở độ bền, như thạch quyển cứng nổi trên đỉnh quyển mềm “dẻo”. Hình 2.6 Minh họa sự cân bằng đẳng tĩnh. Các khối gỗ có độ nổi thay đổi trên mặt nước. Mỗi khối gỗ chìm xuống nước khác nhau, khối lượng nổi tỉ lệ với khối lượng chìm. 2.5 Các nguồn năng lượng bên ngoài Mặt trời Trọng lực Va chạm 2.5.1 Mặt trời Công việc tái tạo vỏ Trái đất và sự hình thành vỏ địa lý nói riêng được thực hiện bởi năng lượng bên trong Trái đất rất vĩ đại, vậy mà lượng nhiệt đi lên bề mặt nhỏ hơn nhiều so với lượng nhiệt nhận được từ mặt trời. Chỉ 1% phút của năng lượng bức xạ mặt trời tới Trái đất đã lớn hơn 5.300 lần so với lượng nhiệt đến từ trong lòng Trái đất (Bảng 2.2). Bảng 2.2 Dòng năng lượng đến và từ Trái đất 2.5.2 Trọng lực Định luật trọng lực phát biểu (Isaac Newton) rằng hai vật thể hút nhau với một lực tỷ lệ thuận với tích số khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Trọng lực (g) = G × mass1 × mass2 distance × distance Ở đây G = hằng số vũ trụ. Hệ thống trọng lực của Trái đất, Mặt trăng, Mặt trời và những tương tác của chúng phát sinh năng lượng thủy triều. Các tính toán chỉ ra rằng ảnh hưởng trọng lực của mặt Trời đối với Trái đất chỉ mạnh bằng 46% lực hút từ mặt Trăng; Như thế lực hút Mặt trăng đối với Trái đất lớn hơn hai lần lực hút của Mặt Trời. Những ưu thế hấp dẫn trọng lực mà chúng ta gọi là thủy triều ảnh hưởng đến mặt đất, nước và không khí có thể thấy được như sự nâng cao và hạ xuống của mặt đại dương hàng ngày. 2.5.3 Các va chạm Nguồn năng lượng khác của Trái đất nằm trong sự vận động quay và quĩ đạo của Trái đất. Sự vận động của Trái đất gồm: 1) sự quay hàng ngày của Trái đất quanh trục của nó; 2) sự quay hàng tháng của Trái đất-Mặt Trăng quanh tâm trọng lực chung nằm vào khoảng 4,680 km cách tâm Trái đất về phía Mặt Trăng; 3) Sự vận động qũi đạo hàng năm quanh Mặt Trời-tốc độ qũy đạo vượt 108,000 km/h. Năng lượng kinetic của vận động qũy đạo khoảng 2.7 ×1033 joule. Nếu số năng lượng khổng lồ này bị thu hút vào sự va chạm với một thiên thể lớn hoặc sao chổi với tốc độ 150,000 km/h, những ảnh hưởng sẽ là thảm họa toàn cầu. Đề tài chuẩn bị theo nhóm 1) Qui luật địa đới và phi địa đới trong sự hình thành hoang mạc 2) Chứng minh qui luật phi địa đới là qui luật phổ biến 3) Chứng minh qui luật địa đới và đai cao là các qui luật phổ biến 4) El Nino và các qui luật cảnh quan liên quan 5) Laterit và qui luật địa đới 6) Qui luật tuần hoàn vật chất và năng lượng 7) Cảnh quan ở vòng đai lạnh 8) Cảnh quan ở vòng đai ôn hòa 9) Cảnh quan vòng đai nóng (cận nhiệt đới và nhiệt đới) Yêu cầu các nhóm: Chuẩn bị nội dung ngắn gọn, hình ảnh sinh động Mỗi nhóm cử đại diện trình bày trong 45’. Bài trình bày chuẩn bị trong PowerPoint, Đề tài đóng quyển nộp lại cho thày Nhóm đầu tiên trình bày vào thứ bảy ngày 14/04/2008