探索地球深处的热

文章作者:lili | 2017-08-17
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前几天我们为大家介绍了太阳爆发于其内部磁场的关系(链接从而揭示了太阳内部的一些信息而地球的内部究竟会是怎么样的结构呢?虽然人类对地球结构有了较为统一的认识但对于内核的物质结构依然存在争议。我们可以肯定的是最核心部分处于高温高压的状态我们常规的固态、液态已经不能定义这些形态了。而这些来自地球深处的物质又散发着巨大的热量科学家至今尚无弄清楚这些能量的来源而本文也正是针对课题为大家介绍科学家研究成果——中微子很可能是热量的来源。

图中是地球内部结构,目前科学家通过多项测量仍未发现50%地球内部热量的具体来源。图中是地球内部结构,目前科学家通过多项测量仍未发现50%地球内部热量的具体来源。

地球热量流动地图。地球热量流动地图。

  在炎热夏季,当你躺着可能感受不到来自地下的热量,但事实上有相当多的热量来自于地下——地球深处。地下热量相当于能量总耗的3倍,并驱动着重要的地质过程,例如:地壳板块运动和表面附近岩浆流动等。但尽管如此,大约一半的地下热量仍是一个未解谜团。

  中微子是一种极低质量微粒,在地球内部放射过程中释放出来,科学家认为,中微子可能提供揭晓50%地下热量的重要线索,然而问题是科学家几乎无法采集到中微子。目前,科学家在近期发表的《自然通讯》杂志上撰文指出,现在最新方法已能够做到这一点。

  地球内部已知热量源自放射性衰变,以及地球最初形成时的余热。依据岩石样本成分的测量报告,源自放射性衰变的地球内部热量具有较高的不确定性,占地球内部总热量的25-90%。

  神秘粒子

  放射性物质中的原子具有不稳定原子核,这意味着通过释放核辐射,它们可以分裂(衰减至稳定状态),其中一些核辐射可以转换为热量。这种辐射包含具有特殊能量的不同微粒,它们取决于所释放的物质——包括中微子。当放射性元素在地壳和地幔中衰变时,会释放出“地球-中微子”。事实上,每秒地球会辐射1万亿个这样的微粒进入太空,测量这些能量将揭晓何种物质制造它们,从而呈现地球隐藏内部结构的具体成分。

  地球内部主要放射来源是不稳定的铀、钍和钾,这是我们基于地面以下200公里处的岩石样本所掌握的,然而隐藏在地下更深处的放射来源尚不清楚。我们知道当铀衰变时释放地球-中微子的能量将远大于钾分裂时释放的能量,因此通过测量地球-中微子能量,我们能够知道它们来自于什么类型的放射性物质。事实上,这是一种更简单的方法计算地球内部状况,而不是从地面向下钻探几十公里深。

  遗憾的是,地球-中微子是非常难以探测的,它们不像内部探测器与普通物质发生交互关系,它们仅是直接穿过普通物质。这就是为什么2003年科学家设置一个巨大地下探测器装满大约1000吨液体,才首次观测到地球-中微子,该探测器能记录液体中与原子发生碰撞的中微子。

  此后仅有一项实验使用类似的技术观测到地球-中微子,这两项测量表明,大约一半的地球内部热量是放射性活动过程产生的,铀和钍衰变可以解释该放射活动,然而,剩下50%的地球内部热量仍是一个未解谜团。

  迄今为止,测量数据仍无法测量钾衰变产生的热量,该过程释放的中微子能量很低,所以热量的剩余部分来自于钾衰变过程。

  最新技术

  我们最新研究表明,我们通过测量地球-中微子源自的地球方向,以及它的能量,能够绘制出地球内部热量流动地图。这听起来很简单,但是存在的技术挑战非常大,需要新的粒子探测技术。

  我们提议使用充气“时间投影探测器”,启动该探测器,能够制造地球-中微子与探测器内部气体碰撞的3D图像,该过程从一个气体原子中分解出一个电子。这种电子运动可随着时间的推移而被跟踪,重建该过程的时间维度。之后高分辨率成像技术能重建该运动的两个空间维度,在当前使用的液体探测器中,短距离碰撞可以释放粒子(因为它们处于液体之中),但是粒子传播的方向不能确定。

  类似的探测器,在更小的范围内,可用于精确测量中微子的相互作用,并用于搜寻暗物质。我们计算表明,该探测器的体积大小需要满足放射性钾产生地球-中微子的条件,预计探测器重量为20吨。为了首次精确地绘制地幔成分地图,该探测器的质量应当达到200吨,目前我们已建造这样的探测器原型,并积极扩大建造规模。

  用这种方法测量地球-中微子将有助于绘制地球内部热量流动,通过评估放射性元素浓度,将帮助我们理解地球内核演变,同时,还将揭晓长期存在的谜团——产生地球磁场的外核中,驱动对流的热量来源。地球磁场对于保护地球生命免遭太阳有害辐射具有重要意义。

  我们对地球内部状况了解甚少,这些最新测量令科学家兴奋,测量数据将最终揭晓隐藏在地球内部的运行状况。

小编有个大胆的想法,如果这些能量可以加以利用,那么……

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