Når du ligger i solen på en varm sommerdag, skjønner du ikke alltid at en betydelig mengde varme kommer fra jordens dyp. Denne varmen tilsvarer mer enn tre ganger verdens energiforbruk og driver viktige geologiske prosesser som bevegelse av tektoniske plater og magstrøm nær jordoverflaten. Men til tross for dette, er nøyaktig halvparten av denne varmen født et mysterium.
Det antas at en bestemt type nøytrino - partikler med ekstremt lav masse - som sendes ut av radioaktive prosesser i det indre av jorden, kan være en viktig nøkkel for å løse dette mysteriet. Problemet er at de er nesten umulige å fange. Men i en ny artikkel, publisert i tidsskriftet Nature Communications, har forskere skissert en måte som kan fungere.
De kjente varmekildene i det indre av jorden er radioaktivt forfall og gjenværende varme fra dagene da planeten nettopp ble dannet. Oppvarmingsvolumet fra radioaktivitet, beregnet på grunnlag av målinger av sammensetningen av bergprøver, er ennå ikke bestemt - 25-90% av den totale varmestrømmen.
Gripende partikler
Atomer av radioaktive materialer har ustabile kjerner, noe som betyr at de kan spaltes (forfall til en stabil tilstand) med frigjøring av stråling - hvorav noen omdannes til varme. Denne strålingen består av forskjellige partikler av spesifikke energier - avhengig av hvilket materiale som sendes ut - inkludert nøytrinoer. Når radioaktive elementer forfaller i jordskorpen og kappen, avgir de "geoneutrinos". Faktisk sender hvert sekund jorden ut mer enn en billion billioner av disse partiklene til rommet. Måling av energien deres kan fortelle om hvilket stoff som produserer dem, og dermed om sammensetningen av jordens indre.
De viktigste kjente kildene til radioaktivitet på jorden er ustabile typer uran, thorium og kalium - vi lærte dette ved å studere steinprøver 200 kilometer under overflaten. Hva som er skjult under denne dybden er ikke klart. Vi vet at geoneutrinoer som slippes ut av uranråter har mer energi enn de som slippes ut fra kaliumråte. Dermed, ved å måle energien til geoneutrinos, kunne vi finne ut hvilken type radioaktivt materiale de kommer fra. Faktisk er det en mye enklere måte å finne ut hva som er inni jorden enn å bore titalls kilometer under planetens overflate.
Dessverre er geoneutrinos ekstremt vanskelige å oppdage. I stedet for å samhandle med vanlig materie, som det som er inni detektorene, flyr de bare gjennom det. Det var derfor det tok en gigantisk underjordisk detektor fylt med 1000 tonn væske for å observere geoneutrinos for første gang i 2003. Disse detektorene måler nøytrinoer ved å registrere sine kollisjoner med atomer i en væske.
Kampanjevideo:
Siden den gang har bare ett annet eksperiment klart å observere geoneutrinos ved hjelp av lignende teknologi. Begge målingene antyder at omtrent halvparten av jordens varme forårsaket av radioaktivitet (20 teravatt) kan forklares med forfallet av uran og thorium. Kilden til de resterende 50% er fortsatt ukjent.
Imidlertid har målinger så langt ikke vært i stand til å måle bidraget fra kaliumforfall - nøytrinoene som sendes ut i denne prosessen har for lav energi. Det kan være at resten av varmen kommer fra forfallet av kalium.
Ny teknologi
Ny forskning antyder at forskere kan kartlegge varmestrømmer fra jorden ved å måle retningen geoneutrinos kommer, så vel som deres energi. Det høres enkelt ut, men teknologisk er denne oppgaven ekstremt vanskelig og krever nye metoder for å oppdage partikler.
Forskere foreslår at du bruker gassfylte kamre med "tidsprojeksjon" -detektorer. Slike detektorer skaper et tredimensjonalt bilde av geoneutrinos som kolliderer med gassen inne i kammeret og slår et elektron ut av gassatomet. Bevegelsen til dette elektronet kan spores over tid for å rekonstruere en dimensjon av prosessen (tid). Bildebehandlingsteknologi med høy oppløsning kan da rekonstruere de to romlige dimensjonene til denne elektronens bevegelse. I nåværende brukte væskedetektorer beveger partikler som kolliderer og sprer seg en kort avstand (fordi de er i væsken) og deres retning kan ikke bestemmes.
Mindre detektorer av denne typen brukes for tiden til å måle nøytrino-interaksjoner nøyaktig og søke etter mørk materie. Forskere har beregnet at størrelsen på detektoren som kreves for å oppdage geoneutrinos fra radioaktivt kalium, vil være 20 tonn. For å kartlegge mantelsammensetningen riktig første gang, må den være 10 ganger mer massiv. En prototype av en slik detektor er allerede bygget, og det arbeides med å skalere den opp.
Å måle geoneutrinos på denne måten kan bidra til å kartlegge varmestrømmen i jordens indre. Dette vil hjelpe oss å forstå utviklingen av den indre kjernen ved å vurdere konsentrasjonen av radioaktive elementer. Det kan også bidra til å løse det langvarige mysteriet til varmekilden som driver konveksjon (varmeoverføring ved bevegelse av væsker) i den ytre kjernen, som genererer jordens geomagnetiske felt. Dette feltet er viktig for å bevare atmosfæren vår, som beskytter livet på jorden mot skadelig stråling fra solen.
Merkelig nok vet vi så lite om hva som skjer under jorden, men vi fortsetter å utforske. Hva mer kan de hemmelige tarmene på planeten skjule?
Ilya Khel
