Земля, как известно, выделяет тепло. Чем глубже вы спуститесь, тем выше будет температура. На глубине 25 км температура достигает 750 ° C; в ядре она, как говорят, составляет 4000 ° C. Извержения вулканов, гейзеры и землетрясения - все это признаки внутренней электростанции Земли.
Средний тепловой поток поверхности планеты составляет 87 мВт / м2, то есть 1/10 000 энергии, получаемой от Солнца. Это означает, что Земля излучает в общей сложности 47 тераватт , что эквивалентно нескольким тысячам атомных электростанций. Источник тепла Земли в свое время оставался загадкой, но теперь мы знаем, что большая его часть является результатом радиоактивности.
В результате Большого взрыва образовалась материя в форме протонов, нейтронов, электронов и нейтрино . Для образования первых атомов потребовалось около 370 000 лет - протоны притягивали электроны, производя водород. Дейтерий и гелий образовались в процессе, называемом нуклеосинтезом Большого взрыва. К счастью для нас состав Земли включает в себя все природные элементы, от простейшего атома водорода до тяжелых атомов, таких как уран, углерод, железо - всю таблицу Менделеева. Внутри земных недр находится целый комплекс элементов, расположенных внутри различных слоев. Но все это теория и мы мало знаем о внутренней части нашей планеты. Самые глубокие шахты достигают глубины не более 10 км, в то время как радиус земли составляет 6500 км. Научные знания были получены посредством сейсмических измерений. Используя эти данные, геологи разделили структуру Земли на несколько слоев, с ядром в центре, твердым внутри и жидким снаружи, за которым следуют нижняя и верхняя мантия и, наконец, кора. Земля состоит из тяжелых, нестабильных элементов и поэтому радиоактивна, а это означает, что есть еще один способ узнать о ее глубинах и понять источник ее тепла.
Несколько слов о радиоактивности - это обычное и неизбежное природное явление. Все на Земле радиоактивно, то есть все производит элементарные частицы (человек испускает несколько тысяч в секунду). Во времена Марии Кюри никто не боялся радиоактивности. Более того, считалось, что это оказывает благотворное влияние: кремы для красоты были сертифицированы как радиоактивные, а литература тех дней превозносила радиоактивные свойства минеральной воды. Морис Леблан писал о термальном источнике, спасшем его главного героя Арсена Люпена во время одного из приключений: «Вода содержала такую энергию и мощь, что делала ее настоящим фонтаном молодости, свойства которой проистекают из ее невероятной радиоактивности». (Морис Леблан, "La demoiselle aux yeux verts" , 1927)
Существуют различные виды радиоактивности, каждый из которых связан с высвобождением частиц и излучением энергии. Сейчас мы говорим о «бета-распаде», когда испускаются нейтрино. Электрон поглощается, как только он образуется, но нейтрино обладает удивительной способностью проникать через широкий спектр материалов. Вся Земля прозрачна для нейтрино, поэтому обнаружение нейтрино, порожденных радиоактивным распадом внутри Земли, должно дать нам представление о том, что происходит на ее самых глубоких уровнях.
Такие частицы называются геонейтрино , и они предоставляют оригинальный способ исследования глубин Земли. Хотя их обнаружение непростая задача, поскольку нейтрино мало взаимодействуют с веществом. Но некоторые детекторы способны осуществлять такого рода исследования.
Геонейтрино в основном возникают из тяжелых элементов с очень длительным периодом полураспада, свойства которых теперь полностью изучены в результате лабораторных исследований: в основном это уран, торий и калий. Например, при распаде одного ядра урана-238 высвобождается в среднем 6 нейтрино и 52 мегаэлектронвольта энергии, переносимых высвобождаемыми частицами, которые затем оседают в веществе и выделяют тепло.
На практике необходимо проводить совокупные измерения в месте обнаружения потоков. К исследованиям добавились два недавних эксперимента: с детектором KamLAND, весом 1000 тонн под японской горой, и детектором Borexino , который расположен в туннеле под горой Гран-Сассо в Италии и весит 280 тонн. Чтобы обнаружить нейтрино с Земли или космоса, нужен метод обнаружения, эффективный при низких энергиях. Нейтрино взаимодействуют с протонами, и полученные частицы излучают наблюдаемый свет.
KamLAND зафиксировал более 100 случаев, а Borexino - около 20, которые можно отнести к обнаружению геонейтрино, с коэффициентом неопределенности 20-30%. Нельзя точно определить их источник, но это общее измерение, хотя и довольно грубое, соответствует предсказаниям моделирования в пределах полученной низкой статистики.
Поэтому традиционная гипотеза о некоем ядерном реакторе в центре Земли , состоящем из шара делящегося урана, как на атомных электростанциях, теперь исключена. Деление не является спонтанной радиоактивностью, а стимулируется медленными нейтронами в цепной реакции.
В настоящее время разрабатываются новые, более эффективные детекторы: канадский SNO + и китайский Juno , которые улучшат наши знания о геонейтрино.
«Отнюдь не уменьшая его, добавление невидимого к видимому только обогащает последнее, придает ему смысл, завершает его». (Поль Клодель, «Позиции и предложения» , 1928 г.)
Подготовлено по материалам Phys.org
