Mokslininkai rado būdą išsiaiškinti, kodėl žemėje šilta

Turinys:

Mokslininkai rado būdą išsiaiškinti, kodėl žemėje šilta
Mokslininkai rado būdą išsiaiškinti, kodėl žemėje šilta
Anonim

Pasaulis kuria du detektorius, galinčius užregistruoti geoneutrinus - daleles, susidariusias dėl radioaktyvaus skilimo Žemės viduje. Tai padės suprasti gilaus karščio susidarymo mechanizmą, o ateityje - numatyti stichines nelaimes. Galbūt „antžeminiai neutrinai“taip pat paaiškins klausimą, kaip tiksliai buvo suformuota mūsų planeta.

Antineutrinos ragino atsakyti

Neutrinai ir antineutrinai yra elementarios dalelės, kurios ilgą laiką buvo laikomos sunkiai pasiekiamomis. Jie susidaro beta skilimo, branduolio dalijimosi tipo, metu. Žemėje juos gamina branduoliniai reaktoriai.

Natūralūs neutrinai kyla iš Saulės dėl savaime išsilaikančių termobranduolinių reakcijų. Jie gimsta atmosferoje veikiami kosminių spindulių. Kosmose nešami relikviniai neutrinai, kurie pasirodė pirmosiomis Didžiojo sprogimo akimirkomis. Ir galiausiai, neutrinų šaltinis yra radioaktyvieji izotopai, išsibarstę planetos žarnyne.

Idėja naudoti antineutrinus geologinėms hipotezėms tikrinti kilo septintojo dešimtmečio fizikams. Pirmą kartą jie buvo užregistruoti tik 2005 m. KamLAND požeminiame detektoriuje (Japonija) kaip šalutinis saulės neutrinų tyrimo rezultatas. 2010 m. Dalelių egzistavimas buvo patikimai patvirtintas Borexino eksperimente Italijoje.

Antžeminiai antineutrinai padės atskleisti esmines mokslo paslaptis: kiek radioaktyviųjų elementų yra planetos viduje ir kur jie yra lokalizuoti, kiek šilumos jie išskiria, kokie Žemės struktūros ir sudėties modeliai labiau atitinka stebėjimus.

Tačiau tai padaryti nėra taip paprasta: materija iš esmės yra skaidri neutrinams (tai atsispindi dalelės pavadinime). Dalelės nedalyvauja elektromagnetinėje ir stiprioje sąveikoje, beveik nejaučia gravitacijos, reaguoja tik į silpnas jėgas, veikiančias mažesnes nei protono skersmens svarstykles. Neutrinas gali skristi erdvėje dešimtis šviesmečių, skvarbios žvaigždės, dujų debesys, planetos, niekada nesusidurdami su jokiomis kitomis dalelėmis.

Per visą laikotarpį Borexino ir KamLAND užregistravo signalus iš maždaug 190 geoneutrinų-urano-238 ir torio-232 skilimo produktų. Viena vertus, tai yra įrodymas, kad galima tiesiogiai stebėti sausumos neutrinų srautą, o preliminarūs duomenys atitinka visuotinai priimtus geologinius modelius; kita vertus, šios statistikos neužtenka vienareikšmėms mokslinėms išvadoms. Tai užtruks šimtus metų, kad jį surinktų esamuose eksperimentuose.

Image
Image

Beta skilimas paverčia neutroną atominiame branduolyje į protoną. Tai lydi elektrono ir antineutrino emisija. Elektrono energija virsta šilumine energija, o antineutrinas, su niekuo nesąveikaudamas, išnešamas į kosmosą

Milžiniški detektoriai geofizikų paslaugoms

„Borexino“ir „KamLAND“detektoriai yra didžiuliai rezervuarai, užpildyti skystais angliavandeniliais, kurie veikia kaip scintiliatorius. Sąveikaudami su neutrinu, jie skleidžia fotonus, kuriuos užregistruoja fotodulkiai. Įrenginiai dedami į kasyklas giliai po žeme, siekiant sumažinti kosminių spindulių poveikį.

Kuriami detektoriai veiks tais pačiais principais kaip ir dabartiniai. Norint užregistruoti daugiau įvykių, scintiliatoriaus masė bus žymiai padidinta, o pats skystis bus išvalytas nuo triukšmą sukeliančių radioaktyvių priemaišų (anglies-14, radono). Be to, svarbu detektorius išdėstyti kuo toliau nuo veikiančių branduolinių reaktorių.

Vienas iš įrenginių, SNO +, yra statomas Sudbury Neutrino observatorijoje Kanadoje. Jis jau pradėtas pildyti skystu scintiliatoriumi. Pietų Kinijoje statomas didžiausias pasaulyje 20 kilotonų detektorius, skirtas, be kita ko, sausumos neutrinų tyrimams. Ji pradės rinkti statistiką iki 2021 m.

Diskutuojama dėl didelio scintiliacijos detektoriaus, kurio tikslinė masė yra dešimt kilotonų, kūrimo INR RAS Baksano neutrinų observatorijoje Šiaurės Kaukaze.

Kaip rašo projekto autoriai, „geografinės observatorijos vietos ypatybės leidžia žymiai slopinti foną, susijusį su antineutrino srautais iš veikiančių atominių elektrinių reaktorių, ir užregistruoti antineutrininius srautus, kuriuose yra informacijos apie objekto struktūrą. žemės pluta šiame regione “.

Image
Image

SNO + neutrinų detektorius Kanadoje

Kas šildo planetos vidurius

34 ilgaamžiai izotopai yra atsakingi už natūralų Žemės radioaktyvumą, didžiausią indėlį įneša tik trys: uranas-238, toris-232 ir kalis-40. Pagal visuotinai priimtą Žemės modelį - silikatą („Bulk Silicate Earth“) - dauguma radionuklidų yra viršutiniame Žemės apvalkale - litosferoje, maždaug pusė jų yra išsibarstę mantijoje, o šerdyje praktiškai nėra..

Šis radionuklidų pasiskirstymas buvo planetos susidarymo pasekmė. Iškart po gimimo iš tankaus dujų ir dulkių debesies Žemė buvo išlydytas rutulys. Tai palengvino dvi sąlygos: labai didelis radionuklidų kiekis (visų pirma, tada buvo dvigubai daugiau urano-238, jo pusinės eliminacijos laikas prilygsta Žemės gyvenimo trukmei-4,5 milijardo metų) ir intensyvus meteoritų bombardavimas.

Atvėsus, planetos reikalas ėmė stratifikuoti. Geležis ir nikelis nuskendo viduje, sudarydami šerdį, viršuje susikaupusį silikatinį lydinį, kuris sugeria litofilinius elementus, įskaitant kalį, torį ir uraną.

Beta skilimo metu elektronų nešama energija paverčiama šiluma, o antineutrinai savo energijos dalį perneša į kosmosą. Jei žinote jų parametrus, galite apskaičiuoti pradinių radionuklidų koncentraciją plutoje ir mantijoje ir išsiaiškinti, kiek šilumos jie sukuria.

Image
Image

Vidinės planetos šilumos šaltiniai. Visuotinai priimtame Žemės modelyje teigiama, kad radionuklidai yra išsibarstę žemės plutoje ir mantijoje, o šerdyje jų nėra.

Dabartiniai viso Žemės šilumos srauto įvertinimai ir kiekvieno šaltinio dalis labai skiriasi priklausomai nuo skaičiavimo metodo. Vidutiniškai radiogeninės šilumos indėlis yra apie 20 proc. Likusią dalį lemia pasaulietinis mantijos aušinimas (kuris iš pradžių buvo ištirpęs ir nuo tada vėsta) ir planetos šerdies šiluma.

Dėl vidinių šilumos šaltinių atsiranda mantijos maišymasis (konvekcija), susidaro plunksnos ir dėl to planetos paviršiuje pasireiškia tektoninis aktyvumas: plokštelių judėjimas žemės plutoje, didelių lūžių ir kalnų susidarymas sistemos, žemės drebėjimai ir vulkanizmas.

Kitas esminis uždavinys yra nustatyti torio ir urano izotopų santykį. Chondrito meteoritų analizė ir žemės plutoje paimtų mėginių palyginimas leido apskaičiuoti, kad torio-232 yra 3, 9 kartus daugiau nei urano-238. Norint suprasti ankstyvą Žemės evoliuciją, reikia tikslaus įvertinimo, kurį galima gauti tiriant geoneutrinus.

Tačiau preliminari apskaičiuota torio ir urano masė plutoje ir mantijoje nepaaiškina viso radiogeninio šilumos srauto. Atsižvelgiant į tai, dešimtajame dešimtmetyje atsirado hipotezė, kad pradiniame Žemės formavimosi etape dalis radionuklidų pateko į branduolį. Šis natūralus georeaktorius yra energijos šaltinis mantijos plunksnoms ir planetos magnetiniam laukui. JUNO detektorius padės patikrinti šią prielaidą.

Kur dingo kalis-40?

Apskaičiuojant planetos šilumos srautą, į kalio-40 skilimo indėlį paprastai neatsižvelgiama. Manoma, kad jo dydis yra mažesnis nei urano-238 ir torio-232, ir visa tai sutelkta žemės plutoje. Tačiau, pasak INR RAS ir INEOS RAS mokslininkų, šios prielaidos gali pasirodyti klaidingos.

Jie naudoja alternatyvą, kurią atmetė mokslo bendruomenė, iš pradžių hidrido Žemės modelį, pagrįstą tuo, kad planetų sudėtį įtakoja jų atstumas nuo Saulės. Esminis skirtumas tarp šio modelio ir visuotinai pripažinto yra tas, kad jame yra radionuklidų, esančių šerdyje, o kalio-40 masė yra dviem laipsniais didesnė už urano ir torio masę. Dėl šios priežasties bendras šilumos srautas yra didžiulis - apie 304 teravatus prieš 47 teravatus, apskaičiuotus pagal matavimus itin giliuose šuliniuose.

Pasak straipsnio autorių, geoneutrinų stebėjimai gali išspręsti šį paradoksą ir patikrinti iš pradžių Žemės hidrido modelį. Be to, labai svarbu atskirti signalą nuo kalio-40 skilimo. Tačiau kol kas esamos technologijos neleidžia to daryti.

Rekomenduojamas: