Почему никто не знает, откуда берется половина тепла в недрах Земли

Мало кто знает, что солидная часть тепла испускается не только Солнцем, но и земными глубинами. Если сравнить количество тепла из недр с потреблением энергии во всем мире, окажется, что первое превышает второе в три раза. Многие геологические процессы происходят благодаря такому источнику тепла, например, движения тектоники и течение магмы под Землей. Тем не менее, ученые не могут понять, что является источником этой половины тепла.

Разрешить эту загадку, как полагают специалисты, могут нейтрино, обладающие крайне небольшой массой, которые излучаются вследствие радиоактивных процессов недр планет. Сложность состоит в практической невозможности их поимки. Журнал Nature Communications опубликовал статью, где изложен новый способ, у которого есть все шансы поймать частицу.

Неуловимые частицы

Радиоактивным материалам присущи атомы с нестабильными ядрами, которые способны расщепиться, выбрасывая радиацию, частично преобразующуюся в тепло. Состав радиации может быть различен в зависимости от вида излучающего ее материала, в том числе нейтрино. При распаде в земной коре и мантии радиоактивные частицы порождают «геонейтрино». Ежесекундно наша планета испускает многочисленные триллионы этих частиц в космическое пространство. Измерив их энергию, можно больше узнать об их производящем веществе, а следовательно, о том, что находится в земных недрах.

Уран, торий и калий — основные нестабильные источники радиоактивности на нашей планете. Это стало известно благодаря исследованию образцов пород на глубине Земли в 200 км. Что находится ниже этого уровня — узнать невозможно, просто уровень технического прогресса не позволяет. Известно, что, распадаясь, уран излучает геонейтрино, которым присуще большое количество энергии. Это значит, что, измерив энергию этой загадочной частицы, ученые смогут определить из какого материала они образовались. Согласитесь, это проще, чем просверлить сотни километров вглубь Земли.

Как уже было сказано, геонейтрино найти практически нереально. Все потому, что взаимодействие с обычными веществами у него отсутствует, частица просто пролетает через них. Впервые данная частица была зафиксирована в 2003 году, и сделано это было с помощью гигантского подземного детектора, наполненного 1 тыс. тонн жидкости. Детектор измеряет нейтрино путем регистрации их столкновения с атомами в жидкости.

С той поры эта неуловимая частица наблюдалась лишь единожды с применением аналогичной технологии. Из обоих измерений можно сделать вывод, что лишь половина тепла Земли, образованного радиоактивностью, получается вследствие распада урана и тория. Что приводит к излучению оставшейся части тепла — неясно.

Новые технологии

Эксперты предположили, что тепловые потоки земных внутренностей можно положить на карту, измерив направления прохождения геонейтрино и х энергии. Это достижимо, если вложить большое количество сил и создать новые методы обнаружения частиц.

Специалисты склоняются в сторону газовых камер с детекторами «временной проекции», строящими трехмерные изображения геонейтрино, которые сталкиваются с газами внутри камеры и выбивают электроны из газовых атомов. Тем временем можно было бы следить за перемещениями электрона, дабы воссоздать одно измерение процесса (время). Рекострукция двух пространственных измерений перемещения электрона возможна благодаря технологии визуализации. Сейчас применяются такие жидкостные детекторы, где сталкивающиеся и разлетающиеся частицы проделывают небольшой путь из-за нахождения в жидкостной среде, что не позволяет отследить их направление.

Более компактные версии таких детекторов нашли применение в измерении нейтринных взаимодействий и поиске темной материи. Эксперты вычислили, что обнаружить геонейтрино из калия можно при помощи детектора весом в 20 тонн. Картирование состава мантии с первого раза возможно лишь в том случае, если он будет весить в 10 раз больше. Строительство образца подобного детектора уже завершено, сейчас ученые ведут работы по его масштабированию.

Измерив геонейтрино, можно получить отображение теплового потока в земных недрах. Оценка содержания радиоактивных элементов поспособствует пониманию эволюционных процессов ядра. Кроме того, это можно использовать при разгадке тайны теплового источника, обеспечивающего конвекционные процессы во внешнем ядре, которое является источником геомагнитного поля планеты. Понимание процессов поля важно для защиты атмосферных слоев Земли, оберегающих организмы от воздействия губительного солнечного излучения.