Het is misschien niet duidelijk als je in de zon ligt op een hete zomerdag, maar er komt ook een aanzienlijke hoeveelheid warmte van onder je vandaan - afkomstig van diep in de aarde. Deze warmte komt overeen met meer dan drie keer het totale energieverbruik van de hele wereld en drijft belangrijke geologische processen aan, zoals de beweging van tektonische platen en de stroom van magma nabij het aardoppervlak. Maar ondanks dit, waar precies tot de helft van deze warmte vandaan komt, is een raadsel.

Er wordt gedacht dat een soort neutrino's - deeltjes met een extreem lage massa - die worden uitgezonden door radioactieve processen in het binnenste van de aarde, belangrijke aanwijzingen kunnen geven voor het oplossen van dit mysterie. Het probleem is dat ze bijna niet te vangen zijn. Maar in een nieuwe krant gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , we hebben een manier bedacht om precies dat te doen.

De bekende bronnen van warmte uit het binnenste van de aarde zijn radioactief verval, en restwarmte van toen onze planeet voor het eerst werd gevormd. De hoeveelheid verwarming door radioactiviteit, geschat op basis van metingen van de samenstelling van gesteentemonsters, is zeer onzeker – vertegenwoordigt 25-90% van de totale warmtestroom.

ongrijpbare deeltjes

Atomen in radioactieve stoffen hebben onstabiele kernen, wat betekent dat ze kunnen opsplitsen (verval tot een stabiele toestand) door nucleaire straling af te geven - waarvan een deel wordt omgezet in warmte. Deze straling bestaat uit verschillende deeltjes met specifieke energieën – afhankelijk van het materiaal dat ze uitzond – waaronder neutrino's. Wanneer de radioactieve elementen in de aardkorst en mantel vervallen, ze zenden "geo-neutrino's" uit. In feite, elke seconde, de aarde straalt meer dan een biljoen biljoen van dergelijke deeltjes de ruimte in. Het meten van hun energie kan onderzoekers vertellen welk materiaal ze heeft geproduceerd en dus de samenstelling van het verborgen binnenste van de aarde.

De belangrijkste bekende bronnen van radioactiviteit in de aarde zijn onstabiele soorten uranium, thorium en kalium - iets wat we weten op basis van monsters van gesteente tot 200 km onder het oppervlak. Wat zich onder die diepte schuilhoudt, is onzeker. We weten dat de geo-neutrino's die worden uitgestoten wanneer uranium vervalt, meer energie hebben dan die welke worden uitgestoten wanneer kalium opsplitst. Dus door de energie van geo-neutrino's te meten, we kunnen weten van welk type radioactief materiaal ze afkomstig zijn. In feite, dit is een veel gemakkelijkere manier om erachter te komen wat zich in de aarde bevindt dan tientallen kilometers onder het oppervlak te boren.

Helaas, geo-neutrino's zijn notoir moeilijk te detecteren. In plaats van interactie met gewone materie zoals die in detectoren, ze hebben de neiging om er gewoon doorheen te suizen. Daarom was er een enorme ondergrondse detector nodig, gevuld met ongeveer 1, 000 ton vloeistof om de eerste waarneming van geo-neutrino's te doen, in 2003. Deze detectoren meten neutrino's door hun botsing met atomen in de vloeistof te registreren.

Vanaf dat moment, slechts één ander experiment is erin geslaagd om geo-neutrino's te observeren, met behulp van een vergelijkbare technologie. Beide metingen impliceren dat ongeveer de helft van de door radioactiviteit veroorzaakte aardwarmte (20 terawatt) kan worden verklaard door verval van uranium en thorium. De bron van de overige 50% is een open vraag.

Echter, metingen hebben tot nu toe de bijdrage van kaliumverval niet kunnen meten - de neutrino's die bij dit proces worden uitgestoten, hebben een te lage energie. Het kan dus zijn dat de rest van de warmte afkomstig is van kaliumverval.

Nieuwe technologie

Ons nieuwe onderzoek suggereert dat we een kaart kunnen maken van de warmtestroom van binnenuit de aarde door de richting te meten waar het geo-neutrino vandaan komt, evenals zijn energie. Dit klinkt simpel, maar de technologische uitdaging is formidabel, nieuwe technologie voor deeltjesdetectie vereist.

Wij stellen voor om met gas gevulde "tijdprojectiekamerdetectoren" te gebruiken. Dergelijke detectoren werken door een 3D-afbeelding te maken van een geo-neutrino die in botsing komt met het gas erin - waarbij een elektron van een gasatoom wordt afgeslagen. De beweging van dit elektron kan dan in de tijd worden gevolgd om één dimensie van het proces (tijd) te reconstrueren. Beeldvormingstechnologie met hoge resolutie kan vervolgens de twee ruimtelijke dimensies van zijn beweging reconstrueren. In de vloeistofdetectoren die momenteel worden gebruikt, de deeltjes die bij botsingen worden afgestoten, leggen zo'n korte afstand af (omdat ze zich in een vloeistof bevinden) dat de richting onmogelijk te bepalen is.

soortgelijke detectoren, op kleinere schaal, worden momenteel gebruikt om precisiemetingen te doen van neutrino-interacties, en om te zoeken naar donkere materie. We berekenden dat de grootte van de detector die nodig is om de geo-neutrino's uit radioactief kalium te ontdekken 20 ton zou zijn. Om de mantelsamenstelling voor het eerst goed in kaart te brengen, het zou 10 keer massiever moeten zijn. We hebben een prototype gebouwd voor zo'n detector, en werken aan schaalvergroting.

Het op deze manier meten van geo-neutrino's zou kunnen helpen de warmtestroom in het binnenste van de aarde in kaart te brengen. Dit zou ons helpen de evolutie van de binnenkern te begrijpen door de concentratie van radioactieve elementen te beoordelen. Het zou ook kunnen helpen bij het ontrafelen van het al lang bestaande mysterie van welke warmtebron de convectie (overdracht van warmte door beweging van vloeistoffen) in de buitenste kern aandrijft die het aardmagnetische veld van de aarde genereert. Dit veld is van vitaal belang voor het behoud van onze atmosfeer die het leven op aarde beschermt tegen de schadelijke straling van de zon.

Het is vreemd dat we zo weinig weten over wat er zich onder de grond afspeelt waar we op lopen. Dat maakt het spannend om na te denken over hoe deze metingen eindelijk de baanbrekende verkenning van de versluierde innerlijke werking van de aarde mogelijk zouden kunnen maken.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.