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Lexikon der Geowissenschaften: Wärmestromdichte

Wärmestromdichte, Wärmeflußdichte, die je Zeiteinheit durch die Flächeneinheit hindurchgehende Wärmemenge mit der Einheit W/m2, im praktischen Gebrauch mW/m2. In der Geothermik (Wärmeleitungsgleichung) wird unter Wärmestromdichte stets die z-Komponente der Wärmestromdichte verstanden. Entsprechend der Wärmeleitungsgleichung ergibt sich die Wärmestromdichte q0 an der Erdoberfläche aus der Vertikalkomponente der Wärmeleitfähigkeit λzz und dem geothermischen Gradienten dT/dz=Γ zu:

qo=qz=λzzdT/dz=λzzΓ.

Die Wärmestromdichte wird durch Messung dieser beiden Parameter bestimmt (Temperaturmessung). Verläßliche Werte für die Wärmestromdichte werden erst für Tiefen ab 200 m erhalten. Die Temperaturmessungen zur Wärmestromdichtebestimmung werden auf den Kontinenten fast ausschließlich in Bohrungen unter Verwendung von Berührungsthermometern durchgeführt. In Ozeanen und Seen wird der geothermische Gradient mit Sonden gemessen, die sich unter ihrem Eigengewicht in das Bodensediment eindrücken. Die Interpretation der Wärmestromdichtewerte erfolgt unter der Annahme stationärer Bedingungen in der Erde. Werte, die in der Nähe der Erdoberfläche bestimmt wurden, werden damit als repräsentativ für größere Tiefen interpretiert. Untersuchungen in tiefen Bohrungen (Kola SG-3, Kontinentale Tiefbohrung KTB) zeigen allerdings, daß z.T. sprunghafte Änderungen der Wärmestromdichte mit der Tiefe auftreten ( Abb.). Ursache hierfür können Klimaschwankungen in der Vergangenheit oder ein advektiver Wärmetransport (Advektion) sein. Der Paläoklimaeffekt kann zwar rechnerisch korrigiert werden, eine Trennung von Einflüssen eines advektiven Wärmetransportes, der bis in Tiefen von 10 km reichen kann, ist meist nicht möglich. Bei der Interpretation der Wärmestromdichte sind weiterhin topographische Effekte und der Einfluß von Krustenhebung (verbunden mit Erosion) und Krustensenkung (verbunden mit einer Sedimentation) zu berücksichtigen. Die in der Nähe der Erdoberfläche gemessene Wärmestromdichte wird überwiegend durch die radioaktive Wärmeproduktion in der Erdkruste erzeugt. Mehr als 35%, z.T. bis zu 80% der Wärmestromdichte haben ihren Ursprung in der Erdkruste. Der Rest stammt aus dem tiefen Erdinnern (Temperatur im Erdinnern, Geothermik). Wärmeleitfähigkeitsinhomogenitäten können zu einer Verzerrung der Wärmestromdichte führen. Typisch sind Wärmestromdichteanomalien über Salzstöcken und Aufragungen von kristallinen Gesteinen. Für die globale Analyse der Wärmestromdichte werden die Daten in einer Global Heat Flow Data Bank zusammengefaßt ( Tab.). Die erste globale Zusammenstellung im Jahre 1954 basierte auf 54 Werten, jetzt liegen über 20.000 Werte vor. Die Wärmestromdichte beträgt für die Kontinente ca. 65 mW/m2 und für die Ozeane ca. 101 mW/m2. Der globale Mittelwert beträgt 87±2 mW/m2, die Erde gibt eine Wärmemenge von 44,2±1,0·1012 W an die Atmosphäre ab. In der globalen Darstellung treten die Mittelozeanen Rücken (Riftsysteme) durch hohe Wärmestromdichtewerte hervor. [EH]

Literatur: [1] Chapman D.S. und Pollack, H.N. (1975): Global heat flow: A new look. – In: Earth Planet.Sci.Lett. 28, 23-32. [2] Kozlovsky, Y.A. (1987): The Superdeep Well of the Kola Peninsula. – Springer-Verlag. [3] Pollack, H.N., Hurter, S.J. und Johnson, J.R. (1993): Heat flow from the earth's interior: analysis of the global data set. – Rev. Geophys. 31, 267-280.


Wärmestromdichte: Veränderung der Wärmestromdichte mit der Tiefe in der Bohrung Kola SG-3. Wärmestromdichte:

Wärmestromdichte (Tab.): Entwicklung der Kenntnisse über die globale Wärmestromdichte (Anzahl der Werte). Wärmestromdichte (Tab.):
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