66°C na dnie kopalni. Gradient geotermiczny nie wybacza

Piekło cztery kilometry pod Johannesburgiem

Mponeng leży niedaleko Carletonville w RPA, około 90 kilometrów od Johannesburga, i jest najgłębszą kopalnią świata. Górnicy pracują tam na głębokości sięgającej ponad 4 kilometrów, a sama podróż windą z powierzchni na dno zajmuje ponad godzinę i odbywa się w dwóch etapach, bo żadna pojedyncza klatka nie udźwignie takiego dystansu naraz.

Na dole nie czeka ich chłód, tylko odwrotność wszystkiego, czego można by się spodziewać po wnętrzu ziemi. Temperatura skał sięga tam 66 stopni Celsjusza, a wilgotność dochodzi do 95 procent. Żeby ludzie w ogóle mogli tam pracować, codziennie pompuje się do szybów tony lodowej zawiesiny zmieszanej z solą, którą rozprowadza rozbudowany system wentylacji, tworząc coś w rodzaju sztucznej pogody pod ziemią.

To zestawienie brzmi paradoksalnie, kiedy w Polsce właśnie mierzymy się z rekordowymi upałami. Pod koniec czerwca w Słubicach padł nowy rekord temperatury w historii pomiarów, bijąc wynik sprzed ponad stu lat. Intuicja podpowiada, że pod ziemią powinno być tym chłodniej, im głębiej wejdziemy. W rzeczywistości działa to tylko do pewnej granicy, a potem trend się odwraca i to gwałtownie.

Stopień geotermiczny, czyli dlaczego w głębi Ziemi jest gorąco

Odpowiedź kryje się w zjawisku, które geolodzy nazywają stopniem geotermicznym. To liczba metrów, o jaką trzeba zejść w głąb skorupy ziemskiej, żeby temperatura wzrosła o 1 stopień Celsjusza. Średnia globalna wartość tego wskaźnika to około 33 metry na stopień, choć w praktyce mocno się waha w zależności od budowy geologicznej danego miejsca.

Odwrotnością stopnia geotermicznego jest gradient geotermiczny, czyli tempo przyrostu temperatury na kilometr głębokości. Tu różnice bywają ogromne: w południowej Afryce gradient wynosi zaledwie około 8,3 stopnia na kilometr, podczas gdy na wulkanicznej Islandii dochodzi do 100 stopni na kilometr. To dlatego w RPA trzeba schodzić tak głęboko, żeby napotkać ekstremalne temperatury, a w Islandii wystarczy stosunkowo płytki odwiert, by trafić na wrzątek albo parę.

Ten sam mechanizm napędza zjawiska, które opisywaliśmy przy okazji włoskiej doliny Larderello, gdzie ziemia buchała parą na długo przed elektrownią, oraz islandzkiego projektu, w którym wiercono dziurę mającą sięgnąć magmy.

Źródłem tego ciepła jest przede wszystkim rozpad pierwiastków promieniotwórczych w skorupie i płaszczu Ziemi, a także szczątkowe ciepło z czasu formowania się planety, które od miliardów lat powoli ucieka ku powierzchni. Im głębiej, tym bliżej tego wewnętrznego pieca, i tym mniej ma znaczenia to, co dzieje się na zewnątrz, choćby nawet trwała tam rekordowa fala upałów czy sroga zima.

Dlaczego piwnica jest chłodna, a kopalnia gorąca

Tu właśnie tkwi sedno pozornego paradoksu. Blisko powierzchni, mniej więcej do kilkunastu metrów w głąb, temperatura gruntu nie zależy od gradientu geotermicznego, tylko od tego, co dzieje się w powietrzu nad nami. Latem grunt się nagrzewa, zimą wychładza, ale z opóźnieniem i coraz słabiej wraz z głębokością, aż w końcu wahania sezonowe zupełnie zanikają.

Poniżej tej strefy zaczyna się obszar, w którym roczne wahania temperatury powietrza już nie docierają. Panuje tam mniej więcej stała temperatura, zbliżona do średniej rocznej danego regionu, i to właśnie ta stabilność sprawia, że latem piwnica czy głęboka studnia wydają się chłodne, a zimą relatywnie ciepłe. Pisaliśmy o tym szerzej przy okazji pytania, dlaczego pod ziemią panuje wieczny chłód w środku najgorętszego lata, oraz historii dawnych lodowni, które chłodziły ciepłem ziemi na długo przed lodówką.

Ale ta strefa stałej temperatury nie trwa wiecznie. Głębiej niż kilkadziesiąt czy kilkaset metrów przestaje mieć znaczenie pogoda, a zaczyna dominować ciepło płynące z wnętrza planety. Od tego momentu każdy kolejny metr w dół to więcej stopni na termometrze, nie mniej. Właśnie dlatego w kopalniach złota w RPA, gdzie akurat gradient geotermiczny jest niski, trzeba zejść aż 4 kilometry, żeby trafić na piekielne 66 stopni, a w miejscach o wysokim gradiencie wystarczy dużo mniej.

Polskie kopalnie i rekordowy odwiert kolski

Dla porównania, najgłębszy szyb w Europie, GG-1 należący do KGHM Polska Miedź, sięga 1348 metrów. To ułamek głębokości Mponeng, ale w polskich kopalniach węgla na Górnym Śląsku temperatura i tak przekracza 30 stopni, co wymaga chłodzenia wyrobisk. Najgłębsza polska kopalnia węgla, Budryk, sięga 1320 metrów, i to właśnie rosnąca temperatura wraz z głębokością jest jednym z powodów, dla których eksploatacja na takich poziomach jest coraz droższa.

Granice tego, jak głęboko da się w ogóle zejść, pokazał wspomniany wcześniej odwiert kolski na Półwyspie Kolskim, najgłębszy odwiert wykonany ręką człowieka. Miał osiągnąć 15 kilometrów, ale projekt zatrzymał się na 12 262 metrach, między innymi dlatego, że temperatura skał na tej głębokości okazała się dużo wyższa, niż zakładano. Całą historię tego przedsięwzięcia opisaliśmy w tekście o odwiercie kolskim i dwunastu kilometrach do piekła.

Te liczby dobrze pokazują, że wnętrze Ziemi nie jest jednorodnym rezerwuarem chłodu, do którego można sięgać bez ograniczeń. Im głębiej, tym trudniej technicznie, drożej finansowo i cieplej fizycznie. To fundamentalne ograniczenie dotyczy każdego odwiertu, od kopalni złota po znacznie skromniejsze wiercenia wykonywane na działkach pod domami.

Co to ma wspólnego z odwiertem pod pompę ciepła

Gruntowe pompy ciepła korzystają dokładnie z tej strefy stałej temperatury, o której była mowa wcześniej, a nie z gorąca panującego kilometry niżej. Odwierty pod sondy pionowe sięgają zwykle od 70 do 150 metrów, rzadziej do 200, bo już na tych głębokościach temperatura gruntu jest stabilna przez cały rok i wynosi orientacyjnie kilkanaście stopni Celsjusza, niezależnie od tego, czy na zewnątrz jest -20 czy +35.

Nie trzeba, ani nie opłaca się, wiercić głębiej. Odwierty powyżej 100 metrów podlegają dodatkowym formalnościom związanym z nadzorem górniczym, co wydłuża i podraża inwestycję, a przyrost temperatury na kolejnych metrach w tej płytkiej strefie jest niewielki w porównaniu z kosztem wiercenia. Dobór głębokości i liczby odwiertów to zawsze kalkulacja dopasowana do zapotrzebowania budynku i warunków geologicznych działki, nie do rekordów rodem z Mponeng. Rząd wielkości i wstępne koszty dla konkretnego metrażu można sprawdzić w kalkulatorze wyceny gruntowej pompy ciepła.

Ten sam grunt latem oddaje chłód, bo jego temperatura jest niższa niż powietrze na zewnątrz, o czym pisaliśmy przy okazji tego, jak upały ładują grunt przed sezonem zimowym. Zimą oddaje ciepło z tego samego powodu, tyle że w drugą stronę. To wygodny, przewidywalny mechanizm, o ile nie próbuje się go przenieść na skalę kilometrów, bo tam prawa fizyki przestają sprzyjać komukolwiek, kto szuka chłodu.

Sezon na wiercenie i montaż trwa właśnie teraz. Kto chce zdążyć przed startem ogrzewania, ma jeszcze kilka miesięcy, zanim terminarze wiertniczych ekip zaczną się zapełniać na dobre, o czym więcej piszemy w tekście o ostatnim dzwonku na odwierty przed sezonem grzewczym 2026/2027.

Źródła: Temperatura Ziemi - Jedna Ziemia - Państwowy Instytut Geologiczny, Zróżnicowanie wielkości stopnia geotermicznego na Ziemi - zpe.gov.pl, Górnicze „naj” w Księdze Guinnessa | netTG.pl, Stopień geotermiczny – Wikipedia, Nowy rekord temperatury w Polsce 2026 | National Geographic