Чому ніхто не знає, звідки береться половина тепла у надрах Землі
Лежачи на сонечку теплим літнім днем, не завжди усвідомлюєш, що значна кількість тепла виходить із глибини Землі. Це тепло еквівалентно більш ніж триразовому споживанню енергії всього світу і рухає важливими геологічними процесами, такими як рух тектонічних плит та перебіг магми біля Землі. Але незважаючи на це, де саме народжується до половини цього тепла, залишається загадкою.
Відомі джерела тепла в надрах Землі - це радіоактивний розпад і залишкове тепло з тих часів, коли планета тільки-но сформувалася. Обсяг нагріву від радіоактивності, розрахований на основі вимірювань складу зразків гірських порід, поки що не визначено – 25-90% загального потоку тепла.Невловимі частки
Атоми радіоактивних матеріалів мають нестабільні ядра, а значить можуть розщеплюватися (розпадатися до стабільного стану) з викидом радіації - частина якої перетворюється на тепло. Ця радіація складається з різних частинок певних енергій - залежно від того, який матеріал їх випустив - включаючи нейтрино. Коли радіоактивні елементи розпадаються в корі та мантії Землі, вони випускають геонейтрино. По суті, кожну секунду Земля випускає понад трильйони трильйонів таких частинок у космос. Вимір їх енергії міг би розповісти про те, яка речовина їх виробляє, а значить і про склад надр Землі.
Основними відомими джерелами радіоактивності на Землі є нестабільні типи урану, торію та калію – це ми дізналися, вивчаючи зразки порід на глибині 200 кілометрів під поверхнею. Що ховається нижче за цю глибину, незрозуміло. Ми знаємо, що геонейтрино, що випромінюються при розпаді урану, мають більше енергії, ніж випромінювані при розпаді калію. Таким чином,Вимірюючи енергію геонейтрино, ми могли б дізнатися, з якого типу радіоактивного матеріалу вони виходять. Фактично це набагато простіший спосіб з'ясувати, що знаходиться всередині Землі, ніж свердлити десятки кілометрів нижче поверхні планети.
На жаль, геонейтрино дуже важко знайти. Замість взаємодіяти зі звичайною речовиною, такою як те, що всередині детекторів, вони просто пролітають через неї. Саме тому був потрібний гігантський підземний детектор, наповнений 1000 тонн рідини, щоб уперше спостерігати геонейтрино у 2003 році. Такі детектори вимірюють нейтрино, реєструючи їх зіткнення з атомами рідини.
З того часу лише один інший експеримент зумів спостерігати геонейтрино, використовуючи аналогічну технологію. Обидва виміри вважають, що близько половини земного тепла, викликаного радіоактивністю (20 терават), можна пояснити розпадом урану і торію. Джерело 50%, що залишилися, залишається невідомим.
Проте виміри досі не змогли виміряти внесок розпаду калію — нейтрино, що випромінюється у цьому процесі, мають надто низьку енергію. Можливо так, що решта тепла виходить із розпаду калію.
Нові дослідження дозволяють припустити, що вчені можуть скласти карту теплових потоків зсередини Землі, вимірюючи напрямок, у якому приходять геонейтрино, а також їхню енергію. Звучить просто, але технологічно це завдання вкрай складне і вимагає нових методів виявлення частинок.
Вчені пропонують використовувати заповнені газом камери із детекторами «тимчасової проекції». Такі детектори створюють тривимірну картину геонейтрино, що стикаються з газом усередині камери і електрон, що вибивають з атома газу. Рух цього електрона можна відстежувати з часом, щобвідновити один вимір процесу (час). Технології візуалізації з високою роздільною здатністю могли б потім реконструювати два просторові виміри руху цього електрона. У рідинних детекторах, що використовуються в даний час, частинки, які стикаються і розлітаються, проходять невелику дистанцію (бо знаходяться в рідині), і напрямок їх неможливо визначити.
Подібні детектори менших масштабів нині використовуються для точного виміру нейтринних взаємодій та пошуку темної матерії. Вчені розрахували, що розмір детектора, необхідний виявлення геонейтрино з радіоактивного калію, складе 20 тонн. Щоб правильно картувати склад мантії з першого разу, він має бути в 10 разів масивнішим. Прототип такого детектора вже збудовано і ведеться робота над його масштабуванням.
Вимірювання геонейтрино таким чином може допомогти відобразити тепловий потік у надрах Землі. Це допоможе зрозуміти еволюцію внутрішнього ядра шляхом оцінки концентрації радіоактивних елементів. Це могло б також допомогти розгадати давню таємницю джерела тепла, яке забезпечує конвекцію (перенесення тепла рухом рідин) у зовнішньому ядрі, яке генерує геомагнітне поле Землі. Це поле має життєво важливе значення для збереження нашої атмосфери, яка захищає життя Землі від шкідливого випромінювання сонця.
Досить дивно, що ми так мало знаємо про те, що відбувається під землею, але продовжуємо досліджувати. Що ще можуть приховувати таємні надра нашої планети?