Ležiac na slnku v teplý letný deň si nie vždy uvedomíte, že značné množstvo tepla pochádza z hlbín Zeme. Toto teplo je ekvivalentné viac ako trojnásobku svetovej spotreby energie a poháňa dôležité geologické procesy, ako je pohyb tektonických dosiek a prúdenie magmy v blízkosti zemského povrchu. Ale napriek tomu, kde sa rodí presne polovica tohto tepla, zostáva záhadou.
Existuje názor, že určitý typ neutrín - častíc s extrémne nízkou hmotnosťou - emitovaných rádioaktívnymi procesmi vo vnútri Zeme, by mohol byť dôležitým kľúčom k vyriešeniu tejto záhady. Problém je, že je takmer nemožné ich chytiť. V novom článku publikovanom v časopise Nature Communications však vedci načrtli spôsob, ktorý by mohol fungovať.
Známymi zdrojmi tepla vo vnútri Zeme sú rádioaktívny rozpad a zvyškové teplo z doby, keď sa planéta iba formovala. Objem ohrevu z rádioaktivity, vypočítaný na základe meraní zloženia vzoriek hornín, ešte nebol stanovený - 25-90% z celkového tepelného toku.
Nepolapiteľné častice
Atómy rádioaktívnych materiálov majú nestabilné jadrá, čo znamená, že môžu štiepiť (rozpadať sa do stabilného stavu) pri uvoľňovaní žiarenia - niektoré z nich sa premieňajú na teplo. Toto žiarenie je tvorené rôznymi časticami špecifických energií - podľa toho, aký materiál ich emitoval - vrátane neutrín. Keď sa rádioaktívne prvky rozpadajú v zemskej kôre a plášti, emitujú „geoneutrína“. V skutočnosti každá sekunda Zem emituje do vesmíru viac ako bilión biliónov týchto častíc. Meranie ich energie by mohlo vypovedať o tom, aká látka ich produkuje, a teda o zložení vnútra Zeme.
Hlavnými známymi zdrojmi rádioaktivity na Zemi sú nestabilné typy uránu, tória a draslíka - dozvedeli sme sa to štúdiom vzoriek hornín 200 kilometrov pod povrchom. Čo sa skrýva pod touto hĺbkou, nie je jasné. Vieme, že geoneutrína emitované z rozpadu uránu majú viac energie ako tie, ktoré sú emitované z rozpadu draslíka. Meraním energie geoneutrín sme teda mohli zistiť, z akého typu rádioaktívneho materiálu pochádzajú. V skutočnosti je to oveľa ľahší spôsob, ako zistiť, čo je vo vnútri Zeme, ako vŕtať desiatky kilometrov pod povrchom planéty.
Geoneutrína sa bohužiaľ dajú odhaliť mimoriadne ťažko. Namiesto toho, aby interagovali s bežnou hmotou, napríklad s tým, čo je vo vnútri detektorov, jednoducho cez ňu preletia. Preto bolo v roku 2003 potrebné na pozorovanie geoneutrín prvýkrát obrovský podzemný detektor naplnený 1 000 tonami kvapaliny. Tieto detektory merajú neutrína registráciou ich zrážok s atómami v kvapaline.
Propagačné video:
Odvtedy sa iba jednému ďalšiemu experimentu podarilo pozorovať geoneutrína pomocou podobnej technológie. Obe merania naznačujú, že asi polovicu tepla Zeme spôsobeného rádioaktivitou (20 terawattov) možno vysvetliť rozpadom uránu a tória. Zdroj zvyšných 50% zostáva neznámy.
Doterajšie merania však nedokázali zmerať príspevok rozpadu draslíka - neutrína emitované v tomto procese majú príliš nízku energiu. Môže sa stať, že zvyšok tepla pochádza z rozpadu draslíka.
Nové technológie
Nový výskum naznačuje, že vedci môžu mapovať toky tepla zo Zeme meraním smeru, v ktorom prichádzajú geoneutrína, a tiež ich energie. Znie to jednoducho, ale technologicky je táto úloha mimoriadne náročná a vyžaduje nové metódy detekcie častíc.
Vedci navrhujú používať komory naplnené plynom s detektormi „časovej projekcie“. Takéto detektory vytvárajú trojrozmerný obraz zrážok geoneutrín s plynom vo vnútri komory a s vyrazením elektrónu z atómu plynu. Pohyb tohto elektrónu možno sledovať v priebehu času, aby sa rekonštruovala jedna dimenzia procesu (čas). Zobrazovacie technológie s vysokým rozlíšením by potom mohli rekonštruovať dva priestorové rozmery pohybu tohto elektrónu. V súčasne používaných detektoroch kvapalín sa častice, ktoré sa zrazia a rozptýlia, dostanú na malú vzdialenosť (pretože sú v kvapaline) a ich smer nie je možné určiť.
Detektory tohto druhu v menšom meradle sa v súčasnosti používajú na presné meranie interakcií neutrín a hľadanie tmavej hmoty. Vedci vypočítali, že veľkosť detektora potrebného na detekciu geoneutrín z rádioaktívneho draslíka bude 20 ton. Aby ste správne zmapovali zloženie plášťa po prvýkrát, musí byť 10-krát hmotnejšia. Prototyp takéhoto detektora už bol vyrobený a v súčasnosti sa pracuje na jeho rozšírení.
Meranie geoneutrín týmto spôsobom môže pomôcť zmapovať tepelný tok vo vnútri Zeme. To nám pomôže pochopiť vývoj vnútorného jadra hodnotením koncentrácie rádioaktívnych prvkov. Mohlo by to tiež pomôcť odhaliť dlhotrvajúce tajomstvo zdroja tepla, ktorý poháňa konvekciu (prenos tepla pohybom tekutín) vo vonkajšom jadre, ktoré generuje geomagnetické pole Zeme. Toto pole je nevyhnutné na zachovanie našej atmosféry, ktorá chráni život na Zemi pred škodlivým žiarením zo slnka.
Zvláštne je, že vieme tak málo o tom, čo sa deje v podzemí, ale pokračujeme v objavovaní. Čo ešte môžu skrývať tajné útroby našej planéty?
Iľja Khel