De aarde genereert warmte. Hoe dieper je gaat, hoe hoger de temperatuur. Op 25 km beneden, temperaturen stijgen tot wel 750 °C; in de kern, er wordt gezegd dat het 4 is, 000°C. Al in de oudheid maken mensen gebruik van warmwaterbronnen, en vandaag gebruiken we geothermische technologie om onze appartementen te verwarmen. Vulkanische uitbarstingen, geisers en aardbevingen zijn allemaal tekenen van de interne krachtpatser van de aarde.

De gemiddelde warmtestroom vanaf het aardoppervlak is 87mW/m ² - dat is, 1/10, 000ste van de energie ontvangen van de zon, wat betekent dat de aarde in totaal 47 terawatt uitstraalt, het equivalent van enkele duizenden kerncentrales. De bron van de aardwarmte is lang een mysterie gebleven, maar we weten nu dat het meeste het resultaat is van radioactiviteit.

De geboorte van atomen

Om te begrijpen waar al deze hitte vandaan komt, we moeten terug naar de geboorte van de atomaire elementen.

De oerknal produceerde materie in de vorm van protonen, neutronen, elektronen, en neutrino's. Het duurde ongeveer 370, 000 jaar voor de eerste atomen om te vormen - protonen trokken elektronen aan, waterstof produceren. Ander, zwaardere kernen, zoals deuterium en helium, tegelijkertijd gevormd, in een proces dat Big Bang-nucleosynthese wordt genoemd.

Het maken van zware elementen was veel moeilijker. Eerst, sterren werden geboren en zware kernen vormden zich via accretie in hun vurige smeltkroes. Dit proces, genaamd stellaire nucleosynthese, miljarden jaren duurde. Vervolgens, toen de sterren stierven, deze elementen verspreiden zich over de ruimte om te worden vastgelegd in de vorm van planeten.

De samenstelling van de aarde is daarom zeer complex. Gelukkig voor ons, en ons bestaan, het bevat alle natuurlijke elementen, van het eenvoudigste atoom, waterstof, tot zware atomen zoals uranium, en alles daartussenin, koolstof, ijzer - het hele periodiek systeem. In de ingewanden van de aarde bevindt zich een heel arsenaal aan elementen, gerangschikt binnen verschillende ui-achtige lagen.

We weten weinig over de binnenkant van onze planeet. De diepste mijnen reiken hoogstens 10 km, terwijl de aarde een straal van 6 heeft, 500km. Door middel van seismische metingen is wetenschappelijke kennis van diepere niveaus verkregen. Met behulp van deze gegevens, geoloog verdeelde de structuur van de aarde in verschillende lagen, met de kern in het midden, vast van binnen en vloeibaar van buiten, gevolgd door de onderste en bovenste mantels en, Tenslotte, de korst. De aarde bestaat uit zware, onstabiele elementen en is daarom radioactief, wat betekent dat er een andere manier is om meer te weten te komen over de diepten en de bron van zijn warmte te begrijpen.

Wat is radioactiviteit?

Radioactiviteit is een veel voorkomend en onontkoombaar natuurverschijnsel. Alles op aarde is radioactief, dat wil zeggen:alles produceert spontaan elementaire deeltjes (de mens zendt er een paar duizend per seconde uit). In de tijd van Marie Curie, niemand was bang voor radioactiviteit.

Integendeel, er werd gezegd dat het gunstige effecten had:schoonheidscrèmes waren radioactief gecertificeerd en hedendaagse literatuur prees de radioactieve eigenschappen van mineraalwater. Maurice Leblanc schreef over een thermale bron die zijn hoofdpersoon Arsène Lupin redde tijdens een van zijn avonturen:"Het water bevatte zoveel energie en kracht dat het een ware fontein van de jeugd werd, eigenschappen die voortkomen uit zijn ongelooflijke radioactiviteit." (Maurice Leblanc, "La demoiselle aux yeux verts", 1927)

Er zijn verschillende soorten radioactiviteit, elk met het spontaan vrijkomen van deeltjes en het uitzenden van energie die kan worden gedetecteerd in de vorm van warmteafzettingen. Hier, we zullen het hebben over "bèta" verval, waarbij een elektron en een neutrino worden uitgezonden. Het elektron wordt geabsorbeerd zodra het wordt geproduceerd, maar het neutrino heeft het verrassende vermogen om een ​​breed scala aan materialen binnen te dringen. De hele aarde is transparant voor neutrino's, dus het detecteren van neutrino's die worden gegenereerd door radioactief verval in de aarde, zou ons een idee moeten geven van wat er op het diepste niveau gebeurt.

Dit soort deeltjes worden geoneutrino's genoemd, en ze bieden een originele manier om de diepten van de aarde te onderzoeken. Hoewel het niet eenvoudig is om ze op te sporen, aangezien neutrino's weinig interactie hebben met materie, sommige detectoren zijn groot genoeg om dit soort onderzoek uit te voeren.

Geoneutrino's ontstaan ​​voornamelijk uit zware elementen met zeer lange halfwaardetijden, waarvan de eigenschappen nu grondig worden begrepen door laboratoriumstudies:voornamelijk uranium, thorium en kalium. Het verval van één uranium-238-kern, bijvoorbeeld, geeft gemiddeld 6 neutrino's af, en 52 megaelektronvolt energie gedragen door de vrijgekomen deeltjes die zich vervolgens in de materie nestelen en warmte afzetten. Elk neutrino draagt ​​ongeveer twee megaelektronvolt energie. Volgens gestandaardiseerde maatregelen, één megaelektronvolt is gelijk aan 1,6 10 ^-13 joulen, dus het zou ongeveer 10 . duren ²⁵ vervalt per seconde om de totale warmte van de aarde te bereiken. De vraag is, kunnen deze neutrino's worden gedetecteerd?

Geoneutrino's detecteren

In praktijk, we moeten geaggregeerde metingen doen op de detectieplaats van stromen die uit alle richtingen komen. Het is moeilijk om de exacte bron van de stromen vast te stellen, omdat we hun richting niet kunnen meten. We moeten modellen gebruiken om computersimulaties te maken. Het energiespectrum van elke vervalmodus kennen en de dichtheid en positie van de verschillende geologische lagen die het eindresultaat beïnvloeden, modelleren, we krijgen een algemeen spectrum van verwachte neutrino's die we vervolgens aftrekken van het aantal voorspelde gebeurtenissen voor een bepaalde detector. Dit aantal is altijd erg laag - slechts een handvol gebeurtenissen per kiloton detector per jaar.

Twee recente experimenten zijn toegevoegd aan het onderzoek:KamLAND, een detector met een gewicht van 1, 000 ton onder een Japanse berg, en Borexino, die zich in een tunnel onder de berg Gran Sasso in Italië bevindt en 280 ton weegt. Beide gebruiken 'vloeibare scintillatoren'. Om neutrino's van de aarde of de kosmos te detecteren, je hebt een detectiemethode nodig die effectief is bij lage energieën; dit betekent opwindende atomen in een sprankelende vloeistof. Neutrino's interageren met protonen, en de resulterende uitgezonden deeltjes produceren waarneembaar licht.

KamLAND heeft meer dan 100 evenementen aangekondigd en Borexino ongeveer 20 die kunnen worden toegeschreven aan geoneutrino's, met een onzekerheidsfactor van 20-30%. We kunnen hun bron niet lokaliseren, maar deze algemene meting - hoewel vrij ruw - is in overeenstemming met de voorspellingen van de simulaties, binnen de grenzen van de lage verkregen statistieken.

Daarom, de traditionele hypothese van een soort kernreactor in het centrum van de aarde, bestaande uit een bol splijtende uranium zoals die in kerncentrales, is nu uitgesloten. Splijting is geen spontane radioactiviteit maar wordt gestimuleerd door langzame neutronen in een kettingreactie.

Er zijn nu nieuwe, effectievere detectoren worden ontwikkeld:het Canadese SNO+, en de Chinese Juno, wat onze kennis van geoneutrino's zal verbeteren.

"In plaats van het te verminderen, het onzichtbare toevoegen aan het zichtbare verrijkt alleen het laatste, geeft het betekenis, voltooit het." (Paul Claudel, "Posities en proposities", 1928)

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.