Jordskorpans ostörda temperatur
Det allra yttersta skiktet av den fasta markytan följer i stort sett variationerna i den vanliga dygnstemperaturen. Bl a jord, sten, berg och betong är termiskt tröga (dvs det krävs både värme och tid för att få temperaturtransport genom dem). En ökad tjocklek på tak och väggar av dessa material innebär att temperaturvariationerna blir allt mindre och långsammare.
Dygnsvariationerna i temperatur är i det närmaste försvunna vid c:a 50 cm markdjup. På c:a 15 m markdjup (i större delen av Europa) blir även temperaturvariationerna under året försumbara och temperaturen stabiliseras kring platsens årsmedelvärde (se kartan till höger från SMHI som visar årsmedeltemperaturen i Sverige under perioden 1991 – 2020). Vid ytterligare ökat markdjup kommer temperaturen att öka (se ”Geotermisk gradient” nedan).
Det ovanstående gäller i ostört underjordiskt utrymme. Eventuella faktorer som vattenflöden, luftväxling, komfortvärme/kyla, lagrat innehåll, antal närvarande människor, förlustvärme från maskiner och utrustningar, .. etc påverkar temperaturen i det underjordiska utrymmet.
Litosfären – jordklotets yttersta skal
Alla de underjordiska utrymmen som människan har besökt och i framtiden kommer att besöka finns i jordens yttersta del, litosfären (= ”stensfären”). Litosfären är c:a 100 km tjock och består av jordskorpan (eng. ”crust”) och mantelns översta stela del. Jordskorpan är det yttersta tunna skiktet av litosfären som ungefär motsvarar skalet på ett äpple. Jordskorpan är tunnast under oceanerna (c:a 5 – 10 km) och tjockast under kontinenterna (upp till c:a 70 km under de högsta bergkedjorna). I Sverige är jordskorpan relativt tjock (30 – 50 km).
Jorden (radie c:a 6 370 km) består av följande huvudlager (inifrån): inre fast kärna (c:a 0 – 1 230 km ut från centrum), yttre flytande kärna (c:a 2 250 km tjock), mantel (c:a 2 900 km) och jordskorpa (c:a 5 – 70 km). Temperaturen avtar, mer eller mindre snabbt beroende på bl a varierande värmeledningsförmåga, inifrån och ut. Den inre fasta kärnan beräknas ha en temperatur på c:a +6 000 °C.
Geotermisk gradient
I litosfären ökar temperaturen någorlunda linjärt med djupet enligt en s k geotermisk gradient, TGrad (temperaturökning per djupenhet, vanligen uttryckt i °C/km) som varierar med lokala geologiska förhållanden. Om TMark är årsmedeltemperaturen i °C på marknivå och D är djupet i meter från marknivån brukar den ostörda temperaturen i marken/berggrunden (TO i °C) uppskattas med nedanstående formel:
TO = TMark + (D · TGrad / 1000)
Exempel: Om årsmedeltemperaturen på marknivå TMark = +7 °C, bergrummet ligger på djupet D = 250 m och den termiska gradienten i marken/berggrunden är TGrad = 19 °C/km blir (den ostörda) temperaturen i bergrummet:
TO = 7 + (250 · 19 / 1000) = 7 + 4,75 = 11,75 °C ≈ +12 °C
Några praktiska exempel
1. Jordkällare hade p g a sten- och jordlagren inga dygnsvariationer i temperaturen. Tjocka väggar och tak medförde att årstidsvariationerna i temperatur blev begränsade och fördröjda. En bra jordkällare med ingången mot norr höll c:a 4 – 6 °C på vintern och c:a 10 – 12 °C på sommaren (allt plusgrader). På grund av den relativt grunda placeringen saknade den geotermiska gradienten betydelse för temperaturen i jordkällarna.
2. I ett oinklätt gammalt bergskyddsrum med ingång från norr och minst c:a 5 m väggar och tak sker en temperaturvariation kring årsmedeltemperaturen (här c:a +8 °C). Vid stängd dörr kan temperaturen förväntas att under året ungefär variera ±3 °C (dvs mellan c:a +5 °C och +11 °C). Den termiska gradienten har ingen inverkan på detta djup.
3. En HC (huvudcentral, civil ledningscentral) i berg från kalla kriget med minst c:a 15 m väggar och tak ligger för fäfot utan nämnvärd luftväxling sedan några år. Temperaturen i anläggningen sjunker sakta men säkert mot en konstant temperatur lika med den rådande årsmedeltemperaturen dvs c:a +8 °C. Den termiska gradienten saknar praktisk betydelse på detta djup.
4. Några andra exempel:
- I Sverige dominerar urberget (= berggrund äldre än c:a 545 miljoner år, vanligen granit, gnejs och varianter av dessa). I världens största underjordiska järnmalmsgruva, Kirunagruvan, uppger gruvbolaget att temperaturgradienten är c:a 10 ºC/km. Den djupaste delen av Kirunagruvan ligger för närvarande på 1 600 m djup. Mätobservationer i borrhål ned till 1 000 m i Forsmark indikerar en gradient på 12 °C/km, observationer i Simpevarp en gradient kring 15 °C/km och temperaturmätningar i borrhålet Gravberg-1 (Siljanområdet) gav temperaturgradienten 16 °C/km. Urbergmassans temperatur på 5 km djup kan alltså på dessa platser förväntas ligga mellan +50 °C och +80 °C.
- I sydvästra Skåne och på Gotland förekommer tjocka lager med sedimentär berggrund (lägre värmeledningsförmåga och TGrad är 30 – 35 °C/km) på urberget. Därför är temperaturen i den sedimentära berggrunden i Malmöområdet c:a +60 °C på två kilometers djup, medan den på samma djup i t ex Dalarnas urberg endast är c:a +35 °C.
- I relativt ytligt liggande kalkstensgrottor som den svenska Lummelundagrottan och grottan i belgiska Han-sur-Lesse ligger temperaturerna konstant på +8 °C respektive +9 °C (dvs på årsmedeltemperaturen).
- Mponengs guldgruva i Sydafrika är känd som världens djupaste gruva och når nära 4 km under mark med en bergtemperatur på +66 °C (för att kunna arbeta där kyls luften till strax under +30 °C).
- Världen djupaste borrhål (”The Kola Superdeep Borehole”, Murmansk Ryssland) nådde ner till 12 262 m. På detta djup var temperaturen +180 °C (förväntat var +100 °C). I tyska Bayern (”Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik”) har ett 9 101 m djupt hål borrats. På detta djup var bergtemperaturen +260 °C.
- Kring sekelskiftet 1800/1900-talet byggdes några historiska alptunnlar i Schweiz (S:t Gotthardstunneln, Simplontunneln och Lötschbergstunneln). De geotermiska gradienterna bestämdes till c:a 20 – 22 °C/km. Arbetena var krävande och bl a såväl vattenförekomst som temperaturer var försvårande faktorer. Vid den största bergtäckningen i Simplontunneln uppmättes den maximala bergtemperaturen +56 °C. Vid samma tunnelbygge på ett annat ställe stötte man till stor förvåning på en källåder med vatten vars temperatur var +60 °C och några fåtal meter därifrån fanns en annan källåder med vattentemperaturen +15 °C.
Källor
The Earth Sciences (2nd ed), Arthur N. Strahler, 1971.Geomorphology from the Earth, Karl W. Butzer, 1976.
Geology: Principles & Methods, Jean Dercourt, Jacques Paquet, 1985.
Berg och jord i Sverige (5:e uppl), Per H. Lundegårdh, Jan Lundqvist, Maurits Lindström, 1978.
Termiska egenskaper i jord och berg, Jan Sundberg, 1991.
Våra vanligaste stenar i urval – Sveriges berggrund, Karl-Erik Perhans, 2011.
Endogena processer och landformer, Karl-Erik Perhans, 2003.
Exogena processer och landformer, Karl-Erik Perhans, 2004.
Sex tusen år under jorden, Gösta E. Sandström, 1964.
Trafori alpini storici in Svizzera, K. Kovári, R. Fechtig, 2000.
Bergbyggnad, Ulf Lindblom, 2011.
Background: Kola Superdeep EarthDate.org Fact Sheet: Episode ED 216, Juli Hennings, Harry Lynch, 2021.
Jordkällare – Historik och användning i Jämtland och Tröndelag, Boel Melin, Anna Berglund, Kjersti Monsen, 2010.
Webbsidor: www.sgu.se , www.skb.se , www.lkab.com , www.smhi.se , www.geozentrum-ktb.de