Meleg nyári napon a napon fekve nem mindig veszi észre, hogy jelentős mennyiségű hő származik a Föld mélyéből. Ez a hő megegyezik a világ energiafogyasztásának több mint háromszorosával, és olyan fontos geológiai folyamatokat hajt végre, mint a tektonikus lemezek és a magma áramlása a Föld felszíne közelében. De ennek ellenére rejtély marad, ahol ennek a melegnek pontosan a fele születik.
Úgy gondolják, hogy a föld belsejében radioaktív folyamatok által kibocsátott bizonyos típusú neutrino - rendkívül alacsony tömegű részecskék - fontos kulcsot jelenthetnek e rejtély megoldásához. A probléma az, hogy szinte lehetetlen elkapni őket. De a Nature Communications folyóiratban megjelent új cikkben a tudósok felvázolták a működési módot.
Az ismert hőforrások a Föld belsejében a radioaktív bomlás és a maradék hő attól az időponttól kezdve, amikor a bolygó éppen kialakult. A kőzetminták összetételének mérése alapján kiszámított radioaktivitásból származó hőmennyiséget még nem határozták meg - a teljes hőáram 25-90% -a.
Kitörő részecskék
A radioaktív anyagok atomjainak instabil magjai vannak, ami azt jelenti, hogy a sugárzás felszabadulásával képesek hasadni (stabil állapotba bomlani) - amelyek egy része hővé alakul. Ez a sugárzás különféle energiák különböző részecskéiből áll - attól függően, hogy milyen anyag bocsátotta ki őket - beleértve a neutrínókat is. Amikor a radioaktív elemek a földkéregben és a köpenyben elbomlanak, "geoneutrinókat" bocsátanak ki. Valójában minden második másodpercben a Föld több mint billió billió ilyen részecskét bocsát ki az űrbe. Az energiájuk mérése elmondhatná, hogy milyen anyag termeli őket, és így a Föld belsejének összetételéről.
A Földön a radioaktivitás legfőbb ismert forrásai az instabil urán-, tórium- és káliumtípusok - ezt a felszín alatt 200 kilométerrel lévő kőzetminták tanulmányozásával tudtuk meg. Ami e mélység alatt rejtőzik, nem világos. Tudjuk, hogy az urán bomlásából kibocsátott geoneutrinosok energiája több, mint a kálium bomlásából. Így a geoneutrinok energiájának mérésével megtudhatnánk, hogy milyen típusú radioaktív anyagból származnak. Valójában sokkal könnyebb kideríteni, mi van a Földön, mint a bolygó felszíne alatt több tíz kilométeres fúrás.
Sajnos a geoneutrinosokat rendkívül nehéz felismerni. Ahelyett, hogy kölcsönhatásba lépnének a hétköznapi anyagokkal, például azzal, ami a detektorokban van, csak átrepülnek rajta. Ezért kellett egy óriási, 1000 tonna folyadékkal töltött földalatti detektor, hogy 2003-ban először megfigyelje a geoneutrinosokat. Ezek a detektorok úgy mérik a neutrínókat, hogy egy folyadékban regisztrálják az atomokkal való ütközésüket.
Promóciós videó:
Azóta csak egy másik kísérletben sikerült megfigyelni a geoneutrinókat hasonló technológiával. Mindkét mérés azt sugallja, hogy a radioaktivitás által okozott Föld hőjének mintegy fele (20 terawatt) az urán és a tórium bomlásával magyarázható. A fennmaradó 50% forrása ismeretlen.
Az eddigi mérések azonban nem tudták mérni a kálium bomlásának hozzájárulását - az ebben a folyamatban kibocsátott neutrínók túl alacsony energiával rendelkeznek. Előfordulhat, hogy a többi hő a kálium bomlásából származik.
Új technológiák
Új kutatások szerint a tudósok feltérképezhetik a Föld belsejéből érkező hőáramokat azáltal, hogy megmérik a geoneutrinosok érkezési irányát, valamint az energiájukat. Ez egyszerűen hangzik, de technológiailag ez a feladat rendkívül nehéz, és új módszereket igényel a részecskék detektálására.
A tudósok azt javasolják, hogy gázzal töltött kamrákat használjanak "idővetítés" detektorokkal. Az ilyen detektorok háromdimenziós képet hoznak létre a geoneutrinókról, amelyek ütköznek a kamrában lévő gázzal, és elektront ütnek ki a gázatomból. Ennek az elektronnak a mozgása idővel követhető nyomon a folyamat egyik dimenziójának (idő) rekonstruálásához. A nagy felbontású képalkotó technológiák ekkor rekonstruálhatják az elektron mozgásának két térbeli dimenzióját. A jelenleg használt folyadékdetektorokban az ütköző és szétszóródó részecskék kis távolságot tesznek meg (mivel a folyadékban vannak), és irányuk nem határozható meg.
Az ilyen típusú kisebb méretű detektorokat jelenleg a neutrino kölcsönhatások pontos mérésére és a sötét anyag keresésére használják. A tudósok kiszámították, hogy a geoneutrinos radioaktív káliumból történő kimutatásához szükséges detektor mérete 20 tonna lesz. A köpeny összetételének első megfelelő feltérképezéséhez 10-szer nagyobb tömegűnek kell lennie. Az ilyen detektor prototípusa már elkészült, és a nagyítás érdekében dolgoznak.
A geoneutrinos ilyen módon történő mérése segíthet a Föld belsejében található hőáram feltérképezésében. Ez segít megérteni a belső mag evolúcióját a radioaktív elemek koncentrációjának felmérésével. Ez segíthet a hőmag forrásának régóta fennálló rejtélyének megfejtésében is, amely a konvekciót (a hőátadás folyadékok mozgása révén) hajtja a külső magban, ami a Föld geomágneses terét generálja. Ez a mező létfontosságú légkörünk megőrzéséhez, amely megvédi a Föld életét a nap káros sugárzásától.
Furcsa módon ilyen keveset tudunk arról, mi zajlik a föld alatt, de továbbra is feltárjuk. Mit rejthet még bolygónk titkos bélje?
Ilya Khel