Защо никой не знае откъде идва половината топлина в недрата на Земята
Лежейки на слънце в топлия летен ден, не винаги осъзнавате, че значително количество топлина идва от дълбините на Земята. Тази топлина е еквивалентна на повече от три пъти световната консумация на енергия и задвижва важни геоложки процеси като движението на тектонски плочи и потока на магмата на повърхността на Земята. Но въпреки това къде точно се ражда половината от тази топлина остава загадка.
Известните източници на топлина във вътрешността на Земята са радиоактивно разпадане и остатъчна топлина от времето, когато планетата току-що се е формирала. Обемът на нагряване от радиоактивност, изчислен въз основа на измервания на състава на скалните проби, все още не е определен - 25-90% от общия топлинен поток.
Неуловими частици
Атомите на радиоактивните материали имат нестабилни ядра, което означава, че те могат да се делят (да се разпадат до стабилно състояние) с отделянето на радиация - част от които се превръща в топлина. Това излъчване се състои от различни частици със специфични енергии - в зависимост от това какъв материал ги излъчва - включително неутрино. Когато радиоактивните елементи се разпадат в земната кора и мантията, те излъчват „геонетрино“. Всъщност всяка секунда Земята излъчва в космоса повече от трилион трилиона от тези частици. Измерването на енергията им може да разкаже за това какво вещество ги произвежда и следователно за състава на вътрешността на Земята.
Основните известни източници на радиоактивност на Земята са нестабилните видове уран, торий и калий - научихме това, като изследвахме проби от скали на 200 километра под повърхността. Какво се крие под тази дълбочина не е ясно. Знаем, че геонеутрините, излъчвани от разпадането на уран, имат повече енергия от тези, излъчвани от разпадането на калия. По този начин, измервайки енергията на геонетрино, бихме могли да разберем от какъв тип радиоактивен материал те идват. Всъщност това е много по-лесен начин да разберете какво е вътре в Земята, отколкото да пробивате десетки километри под повърхността на планетата.
За съжаление, геонеутрините са изключително трудни за откриване. Вместо да взаимодействат с обикновена материя, като това, което е вътре в детекторите, те просто летят през нея. Ето защо беше необходим гигантски подземен детектор, пълен с 1000 тона течност, за да наблюдава геонетрино за първи път през 2003 г. Такива детектори измерват неутрино, като регистрират сблъсъците им с атоми в течност.
Оттогава само един друг експеримент е успял да наблюдава геонетрино, използвайки подобна технология. И двете измервания предполагат, че около половината от топлината на Земята, причинена от радиоактивност (20 теравата), може да се обясни с разпадането на уран и торий. Източникът на останалите 50% остава неизвестен.
Досега обаче измерванията не са успели да измерват приноса на калиевия разпад - излъчваните в този процес неутрино имат твърде ниска енергия. Може да е, че останалата част от топлината идва от разграждането на калий.
Ново изследване предполага, че учените могат да картографират топлинните потоци от Земята, като измерват посоката, в която пристигат геонеутрините, както и тяхната енергия. Звучи просто, но технологично тази задача е изключително трудна и изисква нови методи за откриване на частици.
Учените предлагат да се използват пълни с газ камери с детектори за „проекция на времето“. Такива детектори създават триизмерна картина на геонетрини, които се сблъскват с газа в камерата и избиват електрон от газовия атом. Движението на този електрон може да бъде проследено с течение на времето, за да се възстанови едно измерение на процеса (времето). Тогава технологиите за изображения с висока разделителна способност биха могли да реконструират двете пространствени измерения на движението на този електрон. В използваните в момента детектори за течности частиците, които се сблъскват и разпръскват, изминават малко разстояние (тъй като са в течността) и посоката им не може да бъде определена.
Понастоящем се използват по-малки детектори от този вид за точно измерване на взаимодействията на неутрино и търсене на тъмна материя. Учените са изчислили, че размерът на детектора, необходим за откриване на геонетрино от радиоактивен калий, ще бъде 20 тона. За да се направи правилен състав на мантията за първи път, той трябва да бъде 10 пъти по-масивен. Вече е изграден прототип на такъв детектор и се работи по неговото мащабиране.
Измерването на геонеутрино по този начин може да помогне за картографиране на топлинния поток във вътрешността на Земята. Това ще ни помогне да разберем еволюцията на вътрешното ядро чрез оценка на концентрацията на радиоактивни елементи. Също така би могло да помогне за разгадаването на дългогодишната загадка на източника на топлина, който задвижва конвекцията (пренос на топлина чрез движение на течности) във външното ядро, което генерира геомагнитното поле на Земята. Това поле е жизненоважно за запазването на нашата атмосфера, която предпазва живота на Земята от вредното лъчение на слънцето.
Колкото и да е странно, знаем толкова малко за случващото се под земята, но продължаваме да изследваме. Какво друго могат да скрият тайните недра на нашата планета?