Kilden til op til halvdelen af ​​Jordens indre varme er fuldstændig ukendt - her er hvordan man jagter den

Det er måske ikke indlysende, mens du ligger i solen på en varm sommerdag, men en betydelig mængde varme kommer også nedefra dig - der kommer dybt inde i Jorden. Denne varme svarer til mere end tre gange det samlede strømforbrug i hele verden og driver vigtige geologiske processer, såsom bevægelse af tektoniske plader og strømmen af ​​magma nær jordens overflade. Men trods dette, hvor præcis op til halvdelen af ​​denne varme faktisk kommer fra, er et mysterium.

Det menes, at en type neutrinoer - partikler med ekstremt lav masse - udsendt af radioaktive processer i Jordens indre kan give vigtige spor til at løse dette mysterium. Problemet er, at de er næsten umulige at fange. Men i et nyt papir, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , vi har angivet en måde at gøre netop det på.

De kendte varmekilder fra Jordens indre er radioaktive henfald, og restvarme fra da vores planet først blev dannet. Mængden af ​​opvarmning fra radioaktivitet, estimeret på grundlag af målinger af stenprøvernes sammensætning er meget usikker-tegner sig for alt fra 25-90% af den samlede varmestrøm.

Undvigelige partikler

Atomer i radioaktive materialer har ustabile kerner, hvilket betyder, at de kan dele sig (henfalde til en stabil tilstand) ved at afgive atomstråling - hvoraf nogle bliver omdannet til varme. Denne stråling består af forskellige partikler med specifikke energier - afhængigt af hvilket materiale der udsendte dem - herunder neutrinoer. Når de radioaktive elementer forfalder inden for jordskorpen og kappen, de udsender "geo-neutrinoer". Faktisk, hvert sekund, Jorden udstråler mere end en billion billioner sådanne partikler til rummet. Måling af deres energi kan fortælle forskere om, hvilket materiale der producerede dem og derfor sammensætningen af ​​Jordens skjulte indre.

De vigtigste kendte kilder til radioaktivitet i Jorden er ustabile typer af uran, thorium og kalium - noget vi kender baseret på prøver af sten op til 200 km under overfladen. Hvad der lurer under denne dybde er usikkert. Vi ved, at geo-neutrinoerne udsendes, når uran henfalder, har mere energi end dem, der udsendes, når kalium deler sig. Så ved at måle energien fra geo-neutrinoer, vi kan vide, hvilken type radioaktivt materiale de kommer fra. Faktisk, dette er en meget lettere måde at finde ud af, hvad der er inde i Jorden end at bore snesevis af kilometer ned under overfladen.

Desværre, geo-neutrinoer er notorisk vanskelige at opdage. I stedet for at interagere med almindeligt stof som det inde i detektorer, de har en tendens til bare at suse lige igennem dem. Derfor tog det en enorm underjordisk detektor fyldt med omkring 1, 000 tons væske til at foretage den første observation af geo-neutrinoer, i 2003. Disse detektorer måler neutrinoer ved at registrere deres kollision med atomer i væsken.

Siden da, kun et andet eksperiment har formået at observere geo-neutrinoer, ved hjælp af en lignende teknologi. Begge målinger indebærer, at cirka halvdelen af ​​Jordens varme forårsaget af radioaktivitet (20 terawatts) kan forklares med forfald af uran og thorium. Kilden til de resterende 50% er et åbent spørgsmål.

Imidlertid, målinger hidtil har været ude af stand til at måle bidraget fra kaliumforfald - neutrinoerne, der udsendes i denne proces, har for lav energi. Så det kan være, at resten af ​​varmen kommer fra kaliumforfald.

Ny teknologi

Vores nye forskning tyder på, at vi kan lave et kort over varmestrømmen inde fra jorden ved at måle den retning, geo-neutrinoen kommer fra, såvel som dens energi. Det lyder enkelt, men den teknologiske udfordring er formidabel, kræver ny partikeldetekteringsteknologi.

Vi foreslår at bruge gasfyldte "tidsprojektionskammerdetektorer". Sådanne detektorer virker ved at lave et 3D-billede af en geo-neutrino, der kolliderer med gassen inde i den-banker en elektron fra et gasatom. Bevægelsen af ​​denne elektron kan derefter spores over tid for at rekonstruere en dimension af processen (tid). Højopløsnings billedteknologi kan derefter rekonstruere de to rumlige dimensioner af dens bevægelse. I de flydende detektorer, der aktuelt bruges, partiklerne, der bliver slået af ved kollisioner, kører så kort (fordi de er i en væske), at retningen er umulig at løse.

Lignende detektorer, i mindre skala, bruges i øjeblikket til at foretage præcisionsmålinger af neutrino -interaktioner, og for at søge efter mørkt stof. Vi beregnede, at størrelsen af ​​detektoren, der var nødvendig for at opdage geo-neutrinoerne fra radioaktivt kalium, ville være 20 tons. For at kortlægge kappeens sammensætning for første gang, det skulle være 10 gange mere massivt. Vi har bygget en prototype til sådan en detektor, og arbejder på at skalere op.

Måling af geo-neutrinoer på denne måde kan hjælpe med at kortlægge varmestrømmen i Jordens indre. Dette ville hjælpe os til at forstå udviklingen af ​​den indre kerne ved at vurdere koncentrationen af ​​radioaktive elementer. Det kan også hjælpe med at opklare det mangeårige mysterium om, hvilken varmekilde der driver konvektionen (overførsel af varme ved bevægelse af væsker) i den ydre kerne, der genererer Jordens geomagnetiske felt. Dette felt er afgørende for at bevare vores atmosfære, som beskytter livet på Jorden mod solens skadelige stråling.

Det er mærkeligt, at vi ved så lidt om, hvad der foregår under jorden, som vi går på. Det gør det spændende at tænke på, hvordan disse målinger endelig kunne tillade banebrydende udforskning af Jordens tilslørede indre virke.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.