Чому ніхто не знає, звідки береться половина тепла в надрах Землі?

Лежачи на сонечку теплим літнім днем, не завжди усвідомлюєш, що значна кількість тепла йде з глибини Землі. Це тепло еквівалентно більш ніж триразового споживання енергії всього світу і рухає важливими геологічними процесами, такими як рух тектонічних плит і перебіг магми в поверхні Землі. Але, незважаючи на це, де саме народжується до половини цього тепла, залишається загадкою.

Вважається, що нейтрино певного типу — частинки з надзвичайно низькою масою — випромінюються радіоактивними процесами в надрах Землі, можуть стати важливим ключем до розв'язання цієї таємниці. Проблема в тому, що їх майже неможливо зловити. Але в новій статті, опублікованій в журналі Nature Communications, вчені виклали спосіб, який може спрацювати.

Відомі джерела тепла в надрах Землі — це радіоактивний розпад і залишкове тепло з тих часів, коли планета тільки сформувалася. Обсяг нагріву від радіоактивності, розрахований на основі вимірювань складу зразків гірських порід, поки не визначений — 25-90% загального потоку тепла.

Невловимі частинки

Атоми радіоактивних матеріалів мають нестабільні ядра, а значить можуть розщеплюватися (розпадатися до стабільного стану) з викидом радіації — частина якої перетворюється в тепло. Ця радіація складається з різних частинок певних енергій — в залежності від того, який матеріал їх віддав — включаючи нейтрино. Коли радіоактивні елементи розпадаються в корі і мантії Землі, вони випускають «геонейтрино». По суті, кожну секунду Земля випускає більше трильйона трильйонів таких частинок в космос. Вимірювання енергії могло б розповісти про те, яку речовину їх виробляє, а значить і про склад надр Землі.

Основними відомими джерелами радіоактивності на Землі є нестабільні типи урану, торію і калію — це ми дізналися, вивчаючи зразки порід на глибині 200 кілометрів під поверхнею. Що ховається нижче цієї глибини, незрозуміло. Ми знаємо, що геонейтрино, що випромінюються при розпаді урану, мають більше енергії, ніж випромінює при розпаді калію. Таким чином, вимірюючи енергію геонейтрино, ми могли б дізнатися, з якого типу радіоактивного матеріалу вони виходять. Фактично це набагато більш простий спосіб з'ясувати, що знаходиться усередині Землі, ніж свердлити десятки кілометрів нижче поверхні планети.

На жаль, геонейтрино надзвичайно складно виявити. Замість того щоб взаємодіяти із звичайною речовиною, таким як те, що всередині детекторів, вони просто пролітають через нього. Саме тому потрібен був гігантський підземний детектор, наповнений 1000 тонн рідини, щоб вперше спостерігати геонейтрино в 2003 році. Такі детектори вимірюють нейтрино, реєструючи їх зіткнення з атомами в рідини.

З тих пір лише один інший експеримент зумів спостерігати геонейтрино, використовуючи аналогічну технологію. Обидва вимірювання вважають, що близько половини земної тепла, викликаного радіоактивністю (20 терават), можна пояснити розпадом урану та торію. Джерело решти 50% залишається невідомим.

Однак вимірювання досі не змогли виміряти внесок розпаду калію — нейтрино, випромінювані в цьому процесі, мають занадто низьку енергію. Може бути так, що інша частина тепла виходить з розпаду калію.

Нові технології

Нові дослідження дозволяють припустити, що вчені можуть скласти карту теплових потоків зсередини Землі, вимірюючи напрямок, в якому приходять геонейтрино, а також їх енергію. Звучить просто, але технологічно це завдання вкрай складне і вимагає нових методів виявлення частинок.

Вчені пропонують використовувати заповнені газом камери з детекторами «тимчасової проекції». Такі детектори створюють тривимірну картину геонейтрино, стикаються з газом усередині камери і выбивающих електрон з атома газу. Рух електрона можна відстежувати з плином часу, щоб відновити один вимір процесу (час). Технології візуалізації з високим дозволом могли б потім реконструювати два просторових вимірювання цього руху електрона. У використовуваних в даний час рідинних детекторах, частинки, які стикаються і розлітаються, проходять невелику дистанцію (тому що знаходяться в рідині), та направлення їх неможливо визначити.

Подібні детектори менших масштабів в даний час використовуються для точного вимірювання нейтринних взаємодій і пошуку темної матерії. Вчені розрахували, що розмір детектора, необхідний для виявлення геонейтрино з радіоактивного калію, складе 20 тонн. Щоб правильно картувати складу мантії з першого разу, він повинен бути в 10 разів масивніше. Прототип такого детектора вже збудовано і ведеться робота над його масштабуванням.

Вимірювання геонейтрино таким чином може допомогти відобразити тепловий потік в надрах Землі. Це допоможе нам зрозуміти еволюцію внутрішнього ядра шляхом оцінки концентрації радіоактивних елементів. Це могло б також допомогти розгадати давню таємницю того джерела тепла, який 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 на Землі від шкідливого випромінювання сонця.

Досить дивно, що ми так мало знаємо про те, що відбувається під землею, але ми продовжуємо досліджувати. Що ще можуть приховувати таємні надра нашої планети?