Οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να μάθουν γιατί είναι ζεστό μέσα στη γη

Πίνακας περιεχομένων:

Οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να μάθουν γιατί είναι ζεστό μέσα στη γη
Οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να μάθουν γιατί είναι ζεστό μέσα στη γη
Anonim

Ο κόσμος χτίζει δύο ανιχνευτές ικανούς να καταγράφουν γεωνετρίνα - σωματίδια που δημιουργούνται από ραδιενεργό σήψη στο εσωτερικό της Γης. Αυτό θα βοηθήσει στην κατανόηση του μηχανισμού σχηματισμού βαθιάς θερμότητας και στο μέλλον - στην πρόβλεψη φυσικών καταστροφών. Perhapsσως τα «επίγεια νετρίνα» να διευκρινίσουν επίσης το ερώτημα πώς ακριβώς σχηματίστηκε ο πλανήτης μας.

Ο Αντινετρίνος ζήτησε λογαριασμό

Τα νετρίνα και τα αντινετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια που θεωρούνται από καιρό άπιαστα. Σχηματίζονται κατά την αποσύνθεση βήτα, ένα είδος πυρηνικής σχάσης. Στη Γη, παράγονται από πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Τα φυσικά νετρίνα προέρχονται από τον Sunλιο ως αποτέλεσμα αυτοσυντηρούμενων θερμοπυρηνικών αντιδράσεων. Γεννιούνται στην ατμόσφαιρα υπό την επίδραση κοσμικών ακτίνων. Στο διάστημα μεταφέρονται λείψανα νετρίνα, τα οποία εμφανίστηκαν στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης. Και, τέλος, η πηγή των νετρίνων είναι ραδιενεργά ισότοπα διάσπαρτα στα σπλάχνα του πλανήτη.

Η ιδέα της χρήσης αντινετρίνων για τον έλεγχο γεωλογικών υποθέσεων ξεκίνησε από τους φυσικούς τη δεκαετία του 1960. Καταγράφηκαν για πρώτη φορά μόνο το 2005 στον υπόγειο ανιχνευτή KamLAND (Ιαπωνία) ως παράπλευρο αποτέλεσμα της μελέτης των ηλιακών νετρίνων. Το 2010, η ύπαρξη σωματιδίων επιβεβαιώθηκε αξιόπιστα στο πείραμα Borexino στην Ιταλία.

Τα χερσαία αντινετρίνα θα βοηθήσουν στην αποκάλυψη των θεμελιωδών μυστηρίων της επιστήμης: πόσα ραδιενεργά στοιχεία υπάρχουν στο εσωτερικό του πλανήτη και πού εντοπίζονται, πόση θερμότητα παράγουν, ποια μοντέλα της δομής και της σύνθεσης της Γης είναι πιο συμβατά με τις παρατηρήσεις Το

Ωστόσο, αυτό δεν είναι τόσο εύκολο να γίνει: η ύλη, σε γενικές γραμμές, είναι διαφανής για τα νετρίνα (που αντικατοπτρίζεται στο όνομα του σωματιδίου). Τα σωματίδια δεν συμμετέχουν σε ηλεκτρομαγνητικές και ισχυρές αλληλεπιδράσεις, σχεδόν δεν αισθάνονται βαρύτητα, ανταποκρίνονται μόνο σε αδύναμες δυνάμεις που δρουν σε κλίμακες μικρότερες από τη διάμετρο ενός πρωτονίου. Ένα νετρίνο μπορεί να πετάξει στο διάστημα για δεκάδες έτη φωτός, τρυπώντας αστέρια, σύννεφα αερίου, πλανήτες, χωρίς να συγκρουστεί ποτέ με κανένα άλλο σωματίδιο.

Σε όλη την περίοδο, το Borexino και το KamLAND έχουν καταγράψει σήματα από περίπου 190 γεωνετρίνα-τα προϊόντα αποσύνθεσης του ουρανίου-238 και του θορίου-232. Από τη μία πλευρά, αυτό είναι απόδειξη ότι είναι δυνατή η άμεση παρατήρηση της ροής των χερσαίων νετρίνων και τα προκαταρκτικά δεδομένα συμφωνούν με τα γενικά αποδεκτά γεωλογικά μοντέλα. Από την άλλη πλευρά, αυτά τα στατιστικά στοιχεία δεν επαρκούν για σαφή επιστημονικά συμπεράσματα. Θα χρειαστούν εκατοντάδες χρόνια για να το συλλέξουμε σε υπάρχοντα πειράματα.

Image
Image

Η διάσπαση βήτα μετατρέπει ένα νετρόνιο σε έναν ατομικό πυρήνα σε πρωτόνιο. Αυτό συνοδεύεται από την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου και ενός αντινετρίνου. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια και το αντινετρίνο, χωρίς να αλληλεπιδρά με τίποτα, μεταφέρεται στο διάστημα

Γιγαντιαίοι ανιχνευτές στην υπηρεσία των γεωφυσικών

Οι ανιχνευτές Borexino και KamLAND είναι τεράστιες δεξαμενές γεμάτες υγρούς υδρογονάνθρακες που λειτουργούν ως σπινθηριστής. Όταν αλληλεπιδρούν με νετρίνα, εκπέμπουν φωτόνια, τα οποία καταχωρούνται από φωτοπολλαπλασιαστές. Οι εγκαταστάσεις τοποθετούνται σε ορυχεία βαθιά υπόγεια για να μειώσουν τις επιπτώσεις των κοσμικών ακτίνων.

Οι ανιχνευτές υπό κατασκευή θα λειτουργούν με τις ίδιες αρχές με τους σημερινούς. Για την εγγραφή περισσότερων γεγονότων, η μάζα του σπινθηριστή θα αυξηθεί σημαντικά και το ίδιο το υγρό θα καθαριστεί από ραδιενεργές ακαθαρσίες (άνθρακας-14, ραδόνιο) που δημιουργούν θόρυβο. Επιπλέον, είναι σημαντικό να εντοπίζουμε ανιχνευτές όσο το δυνατόν πιο μακριά από τη λειτουργία πυρηνικών αντιδραστήρων.

Μία από τις εγκαταστάσεις, η SNO +, είναι υπό κατασκευή στο παρατηρητήριο Sudbury Neutrino στον Καναδά. Έχει ήδη αρχίσει να γεμίζει με υγρό σπινθηριστή. Ο μεγαλύτερος ανιχνευτής 20 κιλοτόνων στον κόσμο που σχεδιάστηκε, μεταξύ άλλων, για τη μελέτη χερσαίων νετρίνων - JUNO - χτίζεται στη νότια Κίνα. Θα ξεκινήσει τη συλλογή στατιστικών μέχρι το 2021.

Συζητείται η ανάπτυξη ενός μεγάλου ανιχνευτή σπινθηρισμού με μάζα στόχου δέκα κιλοτόνων στο Παρατηρητήριο Baksan Neutrino του INR RAS στο Βόρειο Καύκασο.

Όπως γράφουν οι συντάκτες του έργου, τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της θέσης του παρατηρητηρίου καθιστούν δυνατή την σημαντική καταστολή του υποβάθρου που σχετίζεται με τις ροές αντινετρίνων από τους αντιδραστήρες πυρηνικών σταθμών και την καταγραφή αντινετρινικών ροών που μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με τη δομή του φλοιός της γης σε αυτήν την περιοχή ».

Image
Image

SNO + ανιχνευτής νετρίνων στον Καναδά

Αυτό που θερμαίνει τα σπλάχνα του πλανήτη

34 μακρόβια ισότοπα είναι υπεύθυνα για τη φυσική ραδιενέργεια της Γης, η μεγαλύτερη συμβολή γίνεται μόνο από τρία: ουράνιο-238, θόριο-232 και κάλιο-40. Σύμφωνα με το γενικά αποδεκτό μοντέλο της Γης - πυριτικό (Bulk Silicate Earth) - τα περισσότερα ραδιονουκλίδια περιέχονται στο πάνω κέλυφος της Γης - τη λιθόσφαιρα, περίπου τα μισά από αυτά είναι διάσπαρτα στο μανδύα και ουσιαστικά κανένα στον πυρήνα Το

Αυτή η κατανομή ραδιονουκλιδίων ήταν συνέπεια του σχηματισμού του πλανήτη. Αμέσως μετά τη γέννηση από ένα πυκνό σύννεφο αερίων και σκόνης, η Γη ήταν μια λιωμένη μπάλα. Αυτό διευκολύνθηκε από δύο συνθήκες: πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε ραδιονουκλίδια (συγκεκριμένα, τότε υπήρχε διπλάσιο ουράνιο-238, ο χρόνος ημίσειας ζωής του ισούται με τη ζωή της Γης-4,5 δισεκατομμύρια χρόνια) και έντονος βομβαρδισμός από μετεωρίτες.

Καθώς ψύχθηκε, η ύλη του πλανήτη άρχισε να στρωματοποιείται. Ο σίδηρος και το νικέλιο βυθίστηκαν στο εσωτερικό, σχηματίζοντας έναν πυρήνα, ένα πυριτικό τήγμα που συσσωρεύτηκε στην κορυφή, το οποίο απορρόφησε λιθοφιλικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου του καλίου, θορίου και ουρανίου.

Κατά τη διάρκεια της διάσπασης βήτα, η ενέργεια που μεταφέρεται από τα ηλεκτρόνια μετατρέπεται σε θερμότητα και τα αντινετρίνα μεταφέρουν το μέρος της ενέργειας στο διάστημα. Εάν γνωρίζετε τις παραμέτρους τους, μπορείτε να υπολογίσετε τη συγκέντρωση των γονικών ραδιονουκλιδίων στον φλοιό και τον μανδύα και να διευκρινίσετε πόση θερμότητα παράγουν.

Image
Image

Πηγές εσωτερικής θερμότητας του πλανήτη. Το γενικά αποδεκτό μοντέλο της Γης δηλώνει ότι τα ραδιονουκλίδια είναι διάσπαρτα στον φλοιό και τον μανδύα της γης και απουσιάζουν στον πυρήνα.

Οι τρέχουσες εκτιμήσεις της συνολικής ροής θερμότητας της Γης και το μερίδιο κάθε μιας από τις πηγές ποικίλλουν σημαντικά ανάλογα με τη μέθοδο υπολογισμού. Κατά μέσο όρο, η συμβολή της ακτινογόνου θερμότητας είναι περίπου 20 τοις εκατό. Τα υπόλοιπα οφείλονται στην κοσμική ψύξη του μανδύα (ο οποίος είχε αρχικά λιώσει και ψύχεται από τότε) και στη θερμότητα του πυρήνα του πλανήτη.

Λόγω των εσωτερικών πηγών θερμότητας, συμβαίνει ανάμειξη (μεταφορά) του μανδύα, σχηματίζονται λοφία και, ως αποτέλεσμα, η τεκτονική δραστηριότητα εκδηλώνεται στην επιφάνεια του πλανήτη: η κίνηση των πλακών στον φλοιό της γης, ο σχηματισμός μεγάλων ρηγμάτων και βουνών συστήματα, σεισμοί και ηφαιστειολογία.

Ένα άλλο θεμελιώδες καθήκον είναι να καθοριστεί η αναλογία των ισοτόπων του θορίου και του ουρανίου. Η ανάλυση μετεωριτών χονδρίτη και η σύγκριση δειγμάτων που ελήφθησαν στο φλοιό της γης κατέστησαν δυνατό να υπολογιστεί ότι το θόριο-232 είναι 3, 9 φορές περισσότερο από το ουράνιο-238. Για να κατανοήσουμε την πρώιμη εξέλιξη της Γης, απαιτείται μια ακριβής εκτίμηση, η οποία μπορεί να ληφθεί με τη μελέτη των γεωνετρίνων.

Ωστόσο, η προκαταρκτική υπολογισμένη μάζα θορίου και ουρανίου στον φλοιό και τον μανδύα δεν εξηγεί ολόκληρη τη ραδιογενή ροή θερμότητας. Από αυτή την άποψη, στη δεκαετία του 1990, εμφανίστηκε μια υπόθεση ότι στο αρχικό στάδιο του σχηματισμού της Γης, μέρος των ραδιονουκλιδίων εισήλθε στον πυρήνα. Αυτός ο φυσικός γεωαντιδραστήρας είναι η πηγή ενέργειας για τα μανδύα και το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη. Ο ανιχνευτής JUNO θα βοηθήσει στην επαλήθευση αυτής της υπόθεσης.

Πού πήγε το κάλιο-40;

Στους υπολογισμούς της ροής θερμότητας του πλανήτη, η συνεισφορά από τη διάσπαση του καλίου-40 συνήθως δεν λαμβάνεται υπόψη. Πιστεύεται ότι είναι μια τάξη μεγέθους μικρότερη από το ουράνιο-238 και το θόριο-232 και είναι όλα συγκεντρωμένα στον φλοιό της γης. Ωστόσο, αυτές οι παραδοχές μπορεί να αποδειχθούν εσφαλμένες, σύμφωνα με τους επιστήμονες από το INR RAS και το INEOS RAS.

Χρησιμοποιούν ένα εναλλακτικό, που απορρίφθηκε από την επιστημονική κοινότητα, το μοντέλο μιας αρχικά υδριδικής Γης, με βάση το γεγονός ότι η σύνθεση των πλανητών επηρεάζεται από την απόσταση τους από τον Sunλιο. Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ αυτού του μοντέλου και του γενικά αποδεκτού είναι ότι επιτρέπει την περιεκτικότητα σε ραδιονουκλίδια στον πυρήνα και η μάζα του καλίου-40 είναι δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τις μάζες ουρανίου και θορίου. Λόγω αυτού, η συνολική ροή θερμότητας αποδεικνύεται τεράστια - περίπου 304 τεραβάτ έναντι 47 τεραβάτ που υπολογίστηκαν από μετρήσεις σε υπερβαθεία πηγάδια.

Σύμφωνα με τους συντάκτες του άρθρου, οι παρατηρήσεις γεωνετρίνων μπορούν να επιλύσουν αυτό το παράδοξο και να ελέγξουν το μοντέλο της αρχικά υδριδικής Γης. Επιπλέον, είναι εξαιρετικά σημαντικό να απομονωθεί το σήμα από τη διάσπαση του καλίου-40. Ωστόσο, μέχρι στιγμής οι υπάρχουσες τεχνολογίες δεν επιτρέπουν κάτι τέτοιο.

Συνιστάται: