Учените са намерили начин да разберат защо е топло в земята

Съдържание:

Учените са намерили начин да разберат защо е топло в земята
Учените са намерили начин да разберат защо е топло в земята
Anonim

Светът изгражда два детектора, способни да регистрират геонеутрино - частици, генерирани от радиоактивен разпад във вътрешността на Земята. Това ще помогне да се разбере механизмът на образуване на дълбока топлина, а в бъдеще - да се предскажат природни бедствия. Може би "земните неутрино" също ще изяснят въпроса как точно е формирана нашата планета.

Антинеутрино са привлечени към отговорност

Неутрино и антинейтрино са елементарни частици, които отдавна се смятат за неуловими. Те се образуват по време на бета разпад, вид ядрено делене. На Земята те се произвеждат от ядрени реактори.

Естествените неутрино идват от Слънцето в резултат на самоподдържащи се термоядрени реакции. Те се раждат в атмосферата под въздействието на космическите лъчи. В космоса се носят реликтни неутрино, които се появяват в първите моменти от Големия взрив. И накрая, източникът на неутрино са радиоактивни изотопи, разпръснати в недрата на планетата.

Идеята за използване на антинейтрино за тестване на геоложки хипотези възниква от физиците през 60 -те години. Те са регистрирани за първи път едва през 2005 г. в подземния детектор KamLAND (Япония) като страничен резултат от изследването на слънчеви неутрино. През 2010 г. съществуването на частици беше надеждно потвърдено в експеримента Borexino в Италия.

Наземните антинейтрино ще помогнат да се разкрият основните мистерии на науката: колко радиоактивни елементи има във вътрешността на планетата и къде са локализирани, колко топлина генерират, кои модели на структурата и състава на Земята са по -съгласувани с наблюденията.

Това обаче не е толкова лесно да се направи: материята като цяло е прозрачна за неутрино (което се отразява в името на частицата). Частиците не участват в електромагнитни и силни взаимодействия, те почти не усещат гравитацията, те реагират само на слаби сили, действащи върху скали, по -малки от диаметъра на протона. Неутрино може да лети в космоса в продължение на десетки светлинни години, пробивайки звезди, облаци от газ, планети, като никога не се сблъска с никоя друга частица.

През целия период Borexino и KamLAND са регистрирали сигнали от около 190 геонеутрино-продукти на разпадане на уран-238 и торий-232. От една страна, това е доказателство, че е възможно директно наблюдение на потока от земни неутрино и предварителните данни са в съгласие с общоприетите геоложки модели; от друга страна, тази статистика не е достатъчна за еднозначни научни заключения. Ще са необходими стотици години, за да се събере в съществуващите експерименти.

Image
Image

Бета разпадът превръща неутрон в атомно ядро в протон. Това е придружено от излъчване на електрон и антинейтрино. Енергията на електрона се превръща в топлинна енергия и антинейтриното, без да взаимодейства с нищо, се пренася в космоса

Гигантски детектори в услуга на геофизиците

Детекторите Borexino и KamLAND са огромни резервоари, пълни с течни въглеводороди, които действат като сцинтилатор. При взаимодействие с неутрино те излъчват фотони, които се регистрират от фотоумножители. Инсталациите са поставени в мини дълбоко под земята, за да се намали въздействието на космическите лъчи.

Строителните детектори ще работят на същите принципи като сегашните. За да се регистрират повече събития, масата на сцинтилатора ще бъде значително увеличена, а самата течност ще бъде почистена от радиоактивни примеси (въглерод-14, радон), които създават шум. Освен това е важно детекторите да бъдат разположени възможно най -далеч от работещите ядрени реактори.

Едно от съоръженията, SNO +, се строи в обсерваторията на Съдбъри Неутрино в Канада. Той вече е започнал да се пълни с течен сцинтилатор. Най -големият 20 -килотонен детектор в света, проектиран, наред с други неща, за изследване на земни неутрино - JUNO - се изгражда в Южен Китай. Той ще започне да събира статистика до 2021 г.

Обсъжда се разработването на голям сцинтилационен детектор с прицелна маса от десет килотона в обсерваторията Baksan Neutrino на INR RAS в Северен Кавказ.

Както пишат авторите на проекта, „географските особености на местоположението на обсерваторията позволяват значително да се потисне фона, свързан с потоците антинейтрино от работещи реактори на атомни електроцентрали, и да се регистрират потоци от антинейтрино, които носят информация за структурата на обсерваторията земната кора в този регион."

Image
Image

SNO + неутринен детектор в Канада

Какво загрява недрата на планетата

34 дълготрайни изотопа са отговорни за естествената радиоактивност на Земята, като най-голям принос имат само три: уран-238, торий-232 и калий-40. Според общоприетия модел на Земята - силикат (Bulk Silicate Earth) - повечето радионуклиди се съдържат в горната обвивка на Земята - литосферата, около половината от тях са разпръснати в мантията, а практически няма в ядрото.

Това разпределение на радионуклиди е следствие от формирането на планетата. Веднага след раждането от плътен облак газ и прах, Земята представляваше разтопена топка. Това беше улеснено от две условия: много високо съдържание на радионуклиди (по-специално тогава имаше два пъти повече уран-238, периодът му на полуразпад е равен на живота на Земята-4,5 милиарда години) и интензивна бомбардировка от метеорити.

Когато се охлади, материята на планетата започна да се разслоява. Желязото и никелът потънаха вътре, образувайки сърцевина, силикатна стопилка, натрупана отгоре, която абсорбира литофилни елементи, включително калий, торий и уран.

По време на бета разпадането енергията, пренасяна от електроните, се превръща в топлина, а антинейтрино носят своята част от енергията в космоса. Ако знаете техните параметри, можете да изчислите концентрацията на родителските радионуклиди в кората и мантията и да изясните колко топлина генерират.

Image
Image

Източници на вътрешна топлина на планетата. Общоприетият модел на Земята гласи, че радионуклидите са разпръснати в земната кора и мантията и отсъстват в ядрото.

Текущите оценки на общия топлинен поток на Земята и делът на всеки от източниците варират значително в зависимост от метода на изчисление. Средно приносът на радиогенната топлина е около 20 процента. Останалото се дължи на светското охлаждане на мантията (която първоначално беше стопена и оттогава се охлажда) и топлината на ядрото на планетата.

Поради вътрешни източници на топлина се получава смесване (конвекция) на мантията, образуват се перушини и в резултат на това тектонската активност се проявява на повърхността на планетата: движението на плочите в земната кора, образуването на големи разломи и планина системи, земетресения и вулканизъм.

Друга фундаментална задача е да се установи съотношението на изотопите на торий и уран. Анализът на хондритните метеорити и сравнението на пробите, взети в земната кора, позволиха да се изчисли, че торий-232 е 3, 9 пъти повече от уран-238. За да се разбере ранната еволюция на Земята, е необходима точна оценка, която може да бъде получена чрез изучаване на геонеутрино.

Предварително изчислената маса на торий и уран в кората и мантията не обяснява целия радиогенен топлинен поток. В тази връзка през 90 -те години на миналия век се появи хипотеза, че в началния етап на образуването на Земята част от радионуклидите са влезли в ядрото. Този естествен геореактор е източник на енергия за мантийните струи и магнитното поле на планетата. Детекторът JUNO ще помогне да се провери това предположение.

Къде отиде калий-40?

При изчисленията на топлинния поток на планетата приносът от разпадането на калий-40 обикновено не се взема предвид. Смята се, че той е с порядък по-малък от уран-238 и торий-232 и целият е концентриран в земната кора. Тези предположения обаче могат да се окажат погрешни, според учени от INR RAS и INEOS RAS.

Те използват алтернатива, отхвърлена от научната общност, модела на първоначално хидридна Земя, основан на факта, че съставът на планетите се влияе от разстоянието им от Слънцето. Основната разлика между този модел и общоприетия е, че той позволява съдържанието на радионуклиди в ядрото, а масата на калий-40 е с два порядъка по-голяма от масата на уран и торий. Поради това общият топлинен поток се оказва огромен - около 304 теравата срещу 47 теравата, изчислени от измервания в свръх дълбоки кладенци.

Според авторите на статията наблюденията на геонетрини могат да разрешат този парадокс и да проверят модела на първоначално хидридната Земя. Освен това е изключително важно да се изолира сигналът от разпадането на калий-40. Досега съществуващите технологии обаче не позволяват това да се направи.

Препоръчано: