Jorden genererar värme. Ju djupare du går, ju högre temperatur. Vid 25 km ner, temperaturerna stiger så högt som 750°C; i kärnan, det sägs vara 4, 000°C. Människor har använt varma källor så långt tillbaka som antiken, och idag använder vi geotermisk teknik för att värma upp våra lägenheter. Vulkanutbrott, gejsrar och jordbävningar är alla tecken på jordens inre kraftpaket.

Det genomsnittliga värmeflödet från jordens yta är 87mW/m ² - det är, 1/10, 000:e av energin som tas emot från solen, vilket betyder att jorden släpper ut totalt 47 terawatt, motsvarande flera tusen kärnkraftverk. Källan till jordens värme har länge förblivit ett mysterium, men vi vet nu att det mesta är resultatet av radioaktivitet.

Atomers födelse

För att förstå var all denna värme kommer ifrån, vi måste gå tillbaka till födelsen av de atomära elementen.

Big Bang producerade materia i form av protoner, neutroner, elektroner, och neutriner. Det tog cirka 370, 000 år för de första atomerna att bildas - protoner drog till sig elektroner, producerar väte. Övrig, tyngre kärnor, som deuterium och helium, bildas samtidigt, i en process som kallas Big Bang-nukleosyntes.

Skapandet av tunga element var mycket svårare. Först, stjärnor föddes och tunga kärnor bildades via ansamling i deras eldiga degel. Denna process, kallas stjärnnukleosyntes, tog miljarder år. Sedan, när stjärnorna dog, dessa element sprids ut över rymden för att fångas i form av planeter.

Jordens sammansättning är därför mycket komplex. Tur för oss, och vår existens, den innehåller alla naturliga element, från den enklaste atomen, väte, till tunga atomer som uran, och allt däremellan, kol, järn — hela det periodiska systemet. Inuti jordens tarmar finns en hel mängd element, arrangerade i olika lökliknande lager.

Vi vet lite om insidan av vår planet. De djupaste gruvorna når som mest ner 10 km, medan jorden har en radie på 6, 500 km. Vetenskaplig kunskap om djupare nivåer har erhållits genom seismiska mätningar. Med hjälp av denna data, geologen delade upp jordens struktur i olika skikt, med kärnan i mitten, fast på insidan och flytande på utsidan, följt av den nedre och övre manteln och, till sist, skorpan. Jorden består av tunga, instabila grundämnen och är därför radioaktiva, vilket betyder att det finns ett annat sätt att ta reda på dess djup och förstå källan till dess värme.

Vad är radioaktivitet?

Radioaktivitet är ett vanligt och ofrånkomligt naturfenomen. Allt på jorden är radioaktivt – det vill säga, allt producerar spontant elementarpartiklar (människor släpper ut några tusen per sekund). På Marie Curies dag, ingen var rädd för radioaktivitet.

Tvärtom, det sades ha gynnsamma effekter:skönhetskrämer var certifierade som radioaktiva och samtida litteratur hyllade mineralvattens radioaktiva egenskaper. Maurice Leblanc skrev om en termisk källa som räddade hans huvudperson Arsène Lupin under ett av hans äventyr:"Vattnet innehöll sådan energi och kraft att det gjorde det till en veritabel ungdomens källa, egenskaper som härrör från dess otroliga radioaktivitet." (Maurice Leblanc, "La demoiselle aux yeux verts", 1927)

Det finns olika typer av radioaktivitet, var och en involverar spontan frisättning av partiklar och avger energi som kan detekteras i form av värmeavlagringar. Här, vi kommer att prata om "beta"-förfall, där en elektron och en neutrino sänds ut. Elektronen absorberas så snart den produceras, men neutrinon har den överraskande förmågan att penetrera ett brett spektrum av material. Hela jorden är genomskinlig för neutriner, så att upptäcka neutriner som genereras av radioaktivt sönderfall inom jorden borde ge oss en uppfattning om vad som händer på dess djupaste nivåer.

Dessa typer av partiklar kallas geoneutrinos, och de ger ett originellt sätt att undersöka jordens djup. Även om det inte är lätt att upptäcka dem, eftersom neutriner interagerar lite med materia, vissa detektorer är tillräckligt stora för att utföra denna typ av forskning.

Geoneutrinos uppstår huvudsakligen från tunga grundämnen med mycket långa halveringstider, vars egenskaper nu är väl förstått genom laboratoriestudier:främst uran, torium och kalium. Förfallet av en uran-238 kärna, till exempel, släpper i genomsnitt 6 neutriner, och 52 megaelektronvolt energi som bärs av de frigjorda partiklarna som sedan fastnar i materia och avsätter värme. Varje neutrino bär runt två megaelektronvolt energi. Enligt standardiserade mått, en megaelektronvolt motsvarar 1,6 10 ^-13 joule, så det skulle ta ca 10 ²⁵ sönderfaller per sekund för att nå jordens totala värme. Frågan är, kan dessa neutriner upptäckas?

Upptäcka geoneutriner

I praktiken, vi måste ta aggregatmätningar vid detektionsplatsen för flöden som kommer från alla håll. Det är svårt att fastställa den exakta källan till flödena, eftersom vi inte kan mäta deras riktning. Vi måste använda modeller för att skapa datorsimuleringar. Att känna till energispektrumet för varje sönderfallsläge och modellera densiteten och positionen för de olika geologiska skikten som påverkar det slutliga resultatet, vi får ett övergripande spektrum av förväntade neutriner som vi sedan drar av från antalet förutspådda händelser för en given detektor. Denna siffra är alltid mycket låg – bara en handfull händelser per kiloton detektor och år.

Två nya experiment har lagt till forskningen:KamLAND, en detektor som väger 1, 000 metriska ton under ett japanskt berg, och Borexino, som ligger i en tunnel under berget Gran Sasso i Italien och väger 280 ton. Båda använder "vätskescintillatorer". För att upptäcka neutriner från jorden eller kosmos, du behöver en detektionsmetod som är effektiv vid låga energier; det betyder spännande atomer i en glittrande vätska. Neutriner interagerar med protoner, och de resulterande partiklarna som emitteras producerar observerbart ljus.

KamLAND har annonserat mer än 100 evenemang och Borexino ett 20-tal som kan tillskrivas geoneutrinos, med en osäkerhetsfaktor på 20-30%. Vi kan inte fastställa deras källa, men denna övergripande mätning – även om den är ganska grov – är i linje med simuleringarnas förutsägelser, inom gränserna för den låga statistik som erhållits.

Därför, den traditionella hypotesen om en sorts kärnreaktor i jordens centrum, som består av en boll av klyvningsuran som de i kärnkraftverk, har nu uteslutits. Fission är inte en spontan radioaktivitet utan stimuleras av långsamma neutroner i en kedjereaktion.

Det finns nu nya, mer effektiva detektorer utvecklas:Kanadas SNO+, och Kinas Juno, vilket kommer att förbättra vår kunskap om geoneutrinos.

"Långt ifrån att minska det, att lägga till det osynliga till det synliga berikar bara det senare, ger det mening, fullbordar det." (Paul Claudel, "Positions and propositions", 1928)

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.