Hvor kommer jordens varme fra?

Jorden genererer varme. Jo dybere du går, jo højere temperatur. 25 km nede, temperaturer stiger så højt som 750°C; i kernen, det siges at være 4, 000°C. Mennesker har gjort brug af varme kilder så langt tilbage som antikken, og i dag bruger vi geotermisk teknologi til at opvarme vores lejligheder. Vulkanudbrud, gejsere og jordskælv er alle tegn på Jordens indre kraftcenter.

Den gennemsnitlige varmestrøm fra jordens overflade er 87mW/m ² - det er, 1/10, 000 af den energi, der modtages fra solen, hvilket betyder at jorden udsender i alt 47 terawatt, svarende til flere tusinde atomkraftværker. Kilden til jordens varme har længe været et mysterium, men vi ved nu, at det meste af det er resultatet af radioaktivitet.

Atomers fødsel

For at forstå, hvor al denne varme kommer fra, vi skal tilbage til fødslen af ​​de atomare elementer.

Big Bang producerede stof i form af protoner, neutroner, elektroner, og neutrinoer. Det tog omkring 370, 000 år for de første atomer at dannes - protoner tiltrak elektroner, producerer brint. Andet, tungere kerner, som deuterium og helium, dannet på samme tid, i en proces kaldet Big Bang nukleosyntese.

Skabelsen af ​​tunge elementer var langt mere besværlig. Først, stjerner blev født, og tunge kerner blev dannet via tilvækst i deres brændende digel. denne proces, kaldet stjernenukleosyntese, tog milliarder af år. Derefter, da stjernerne døde, disse elementer spredt ud over rummet for at blive fanget i form af planeter.

Jordens sammensætning er derfor meget kompleks. Heldigvis for os, og vores eksistens, den indeholder alle de naturlige elementer, fra det enkleste atom, brint, til tunge atomer som uran, og alt derimellem, kulstof, jern - hele det periodiske system. Inde i jordens indvolde er en hel samling af elementer, arrangeret i forskellige løglignende lag.

Vi ved lidt om vores planets indre. De dybeste miner når højst 10 km ned, mens jorden har en radius på 6, 500 km. Videnskabelig viden om dybere niveauer er opnået gennem seismiske målinger. Ved at bruge disse data, geologen opdelte jordens struktur i forskellige lag, med kernen i centrum, fast på indersiden og flydende på ydersiden, efterfulgt af den nedre og øvre kappe og, endelig, skorpen. Jorden består af tunge, ustabile grundstoffer og er derfor radioaktive, hvilket betyder, at der er en anden måde at finde ud af om dens dybder og forstå kilden til dens varme.

Hvad er radioaktivitet?

Radioaktivitet er et almindeligt og uundgåeligt naturfænomen. Alt på jorden er radioaktivt - det vil sige, alt producerer spontant elementarpartikler (mennesker udsender et par tusinde pr. sekund). På Marie Curies tid, ingen var bange for radioaktivitet.

Tværtimod, det siges at have gavnlige virkninger:skønhedscremer var certificeret radioaktive og nutidig litteratur priste mineralvandets radioaktive egenskaber. Maurice Leblanc skrev om en termisk kilde, der reddede hans hovedperson Arsène Lupin under et af hans eventyr:"Vandet indeholdt en sådan energi og kraft, at det gjorde det til en veritabel ungdommens kilde, egenskaber, der stammer fra dens utrolige radioaktivitet." (Maurice Leblanc, "La demoiselle aux yeux verts", 1927)

Der er forskellige former for radioaktivitet, hver involverer spontan frigivelse af partikler og udsender energi, der kan detekteres i form af varmeaflejringer. Her, vi vil tale om "beta" henfald, hvor der udsendes en elektron og en neutrino. Elektronen absorberes, så snart den er produceret, men neutrinoen har den overraskende evne til at trænge igennem en lang række materialer. Hele Jorden er gennemsigtig for neutrinoer, så at opdage neutrinoer genereret af radioaktivt henfald i Jorden burde give os en idé om, hvad der sker på dets dybeste niveauer.

Disse slags partikler kaldes geoneutrinoer, og de giver en original måde at undersøge Jordens dybder på. Selvom det ikke er let at opdage dem, da neutrinoer ikke interagerer meget med stof, nogle detektorer er betydelige nok til at udføre denne form for forskning.

Geoneutrinoer opstår hovedsageligt fra tunge grundstoffer med meget lange halveringstider, hvis egenskaber nu er grundigt forstået gennem laboratorieundersøgelser:hovedsageligt uran, thorium og kalium. Henfaldet af en uran-238 kerne, for eksempel, frigiver i gennemsnit 6 neutrinoer, og 52 megaelektronvolt energi båret af de frigjorte partikler, der derefter sætter sig fast i stoffet og afsætter varme. Hver neutrino bærer omkring to megaelektronvolt energi. Ifølge standardiserede mål, en megaelektronvolt svarer til 1,6 10 ^-13 joule, så det ville tage omkring 10 ²⁵ henfalder i sekundet for at nå jordens samlede varme. Spørgsmålet er, kan disse neutrinoer påvises?

Opdagelse af geoneutrinoer

I praksis, vi er nødt til at tage samlede målinger på detektionsstedet af strømme, der kommer fra alle retninger. Det er svært at fastslå den nøjagtige kilde til strømmene, da vi ikke kan måle deres retning. Vi skal bruge modeller til at lave computersimuleringer. At kende energispektret for hver henfaldstilstand og modellere tætheden og positionen af ​​de forskellige geologiske lag, der påvirker det endelige resultat, vi får et samlet spektrum af forventede neutrinoer, som vi så trækker fra antallet af forudsagte hændelser for en given detektor. Dette tal er altid meget lavt - kun en håndfuld hændelser pr. kiloton detektor pr. år.

To nylige eksperimenter har tilføjet forskningen:KamLAND, en detektor, der vejer 1, 000 tons under et japansk bjerg, og Borexino, som ligger i en tunnel under Gran Sasso-bjerget i Italien og vejer 280 tons. Begge bruger "flydende scintillatorer." For at opdage neutrinoer fra jorden eller kosmos, du har brug for en detektionsmetode, der er effektiv ved lave energier; det betyder spændende atomer i en glitrende væske. Neutrinoer interagerer med protoner, og de resulterende udsendte partikler producerer observerbart lys.

KamLAND har annonceret mere end 100 begivenheder og Borexino omkring 20, der kan tilskrives geoneutrinoer, med en usikkerhedsfaktor på 20-30 %. Vi kan ikke udpege deres kilde, men denne overordnede måling - selv om den er ret grov - er i overensstemmelse med forudsigelserne fra simuleringerne, inden for grænserne af den lave statistik, der opnås.

Derfor, den traditionelle hypotese om en slags atomreaktor i jordens centrum, bestående af en kugle af fissionerende uran som dem i atomkraftværker, er nu udelukket. Fission er ikke en spontan radioaktivitet, men stimuleres af langsomme neutroner i en kædereaktion.

Der er nu nye, mere effektive detektorer under udvikling:Canadas SNO+, og Kinas Juno, som vil forbedre vores viden om geoneutrinoer.

"Langt fra at formindske det, tilføjelse af det usynlige til det synlige beriger kun det sidste, giver det mening, fuldender det." (Paul Claudel, "Positioner og forslag", 1928)

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.