Soojal suvepäeval päikese käes lamades ei saa te alati aru, et märkimisväärne kogus soojust tuleb Maa sügavustest. See soojus võrdub rohkem kui kolmekordse energiatarbimisega kogu maailmas ja juhib olulisi geoloogilisi protsesse, nagu tektooniliste plaatide ja magma voolu liikumine Maa pinna lähedal. Kuid hoolimata sellest, kus täpselt pool sellest soojusest sünnib, jääb saladuseks.
Arvatakse, et teatud tüüpi neutriino - erakordselt väikese massiga osakesed -, mis kiirguvad radioaktiivsete protsesside mõjul Maa sisemuses, võiks olla selle salapära lahendamise oluline võti. Probleem on selles, et neid on peaaegu võimatu tabada. Kuid ajakirjas Nature Communications avaldatud uues artiklis on teadlased välja toonud toimimisviisi.
Tuntud soojusallikad Maa sisemuses on radioaktiivne lagunemine ja jääksoojus ajast, mil planeet alles tekkis. Kivimiproovide koostise mõõtmiste põhjal arvutatud radioaktiivsusest kuumutamise maht ei ole veel kindlaks määratud - 25–90% kogu soojusvoost.
Kõrvalised osakesed
Radioaktiivsete materjalide aatomitel on ebastabiilsed tuumad, mis tähendab, et nad saavad kiirguse eraldumisel lõhustuda (laguneda stabiilsesse olekusse) - osa neist muundatakse soojuseks. See kiirgus koosneb erinevatest spetsiifiliste energiate osakestest - sõltuvalt sellest, milline materjal neid kiirgab -, sealhulgas neutriinod. Kui radioaktiivsed elemendid lagunevad maakoores ja mantlis, eraldavad nad "geoneutriinosid". Tegelikult paiskab Maa kosmosesse igal sekundil rohkem kui triljon triljonit neist osakestest. Nende energia mõõtmine võib öelda selle kohta, mis aine neid toodab, ja seega ka Maa sisemuse koostisest.
Peamised teadaolevad radioaktiivsuse allikad Maal on ebastabiilsed uraani, tooriumi ja kaaliumi tüübid - seda saime teada uurides kivimiproove 200 kilomeetrit allpool maapinda. Mis selle sügavuse all peidus on, pole selge. Me teame, et uraani lagunemisest eralduvatel geoneutriinodel on rohkem energiat kui kaaliumilagunemisest. Nii saime geoneutriinode energiat mõõtes teada, millist tüüpi radioaktiivset materjali nad tulevad. Tegelikult on see palju lihtsam viis teada saada, mis on Maa sees, kui puurida kümneid kilomeetreid planeedi pinnast allapoole.
Kahjuks on geoneutriinoid äärmiselt raske tuvastada. Selle asemel, et suhelda tavalise ainega, näiteks detektorite sees olevaga, lendavad nad sellest lihtsalt läbi. Seetõttu kulus geoneutriinode esmakordseks vaatlemiseks 2003. aastal hiiglaslik maa-alune detektor, mis oli täidetud 1000 tonni vedelikuga. Need detektorid mõõdavad neutriinoid, registreerides nende kokkupõrke vedeliku aatomitega.
Reklaamvideo:
Sellest ajast peale on ainult ühel teisel katsel õnnestunud sarnast tehnoloogiat kasutades geoneutriine jälgida. Mõlemad mõõtmised viitavad sellele, et umbes pool radioaktiivsuse põhjustatud Maa soojusest (20 teravatti) on seletatav uraani ja tooriumi lagunemisega. Ülejäänud 50% allikas jääb teadmata.
Siiani tehtud mõõtmistega pole aga suudetud mõõta kaaliumi lagunemise panust - selles protsessis eralduvate neutriinode energia on liiga madal. Võib juhtuda, et ülejäänud kuumus tuleb kaaliumi lagunemisest.
Uued tehnoloogiad
Uued uuringud näitavad, et teadlased saavad kaardistada soojusvoo Maa seest, mõõtes geoneutriinode saabumissuunda ja nende energiat. See kõlab lihtsalt, kuid tehnoloogiliselt on see ülesanne äärmiselt keeruline ja nõuab osakeste tuvastamiseks uusi meetodeid.
Teadlased soovitavad kasutada gaasiga täidetud kambreid "ajaprojektsiooni" detektoritega. Sellised detektorid loovad kolmemõõtmelise pildi geoneutriinodest, mis põrkuvad kambri sees oleva gaasiga kokku ja löövad gaasi aatomist välja elektroni. Selle elektroni liikumist saab aja jooksul jälgida, et rekonstrueerida protsessi üks mõõde (aeg). Kõrge eraldusvõimega pildistamistehnoloogiad suudaksid seejärel rekonstrueerida selle elektroni liikumise kaks ruumilist mõõdet. Praegu kasutatavates vedeladetektorites läbivad põrkuvad ja hajuvad osakesed väikese vahemaa (kuna need on vedelikus) ja nende suunda ei saa kindlaks määrata.
Seda tüüpi väiksemaid detektoreid kasutatakse praegu neutriinovastase interaktsiooni täpseks mõõtmiseks ja tumeaine otsimiseks. Teadlased on välja arvutanud, et geoneutriinode radioaktiivsest kaaliumist tuvastamiseks vajalik detektori suurus on 20 tonni. Mantli koostise esmakordseks õigeks kaardistamiseks peab see olema 10 korda massiivsem. Sellise detektori prototüüp on juba ehitatud ja selle laiendamiseks tehakse tööd.
Sellisel viisil geoneutriinode mõõtmine aitab kaardistada soojusvoogu Maa sisemuses. See aitab meil mõista sisemise südamiku arengut, hinnates radioaktiivsete elementide kontsentratsiooni. See võib aidata ka välistada südamiku konvektsiooni (vedeliku liikumise teel soojusülekannet) ajava soojusallika ammune mõistatus, mis tekitab Maa geomagnetvälja. See väli on oluline meie atmosfääri säilitamiseks, mis kaitseb elu Maal päikese kahjuliku kiirguse eest.
Kummalisel kombel teame me maa all toimuvast nii vähe, kuid uurime edasi. Mida saab veel peita meie planeedi salajane sisikond?
Ilja Khel
