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探索地球深處的熱

文章作者:lili | 2017-08-17
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前幾天我們為大家介紹了太陽爆發于其內部磁場的關系(鏈接從而揭示了太陽內部的一些信息而地球的內部究竟會是怎么樣的結構呢?雖然人類對地球結構有了較為統一的認識但對于內核的物質結構依然存在爭議。我們可以肯定的是最核心部分處于高溫高壓的狀態我們常規的固態、液態已經不能定義這些形態了。而這些來自地球深處的物質又散發著巨大的熱量科學家至今尚無弄清楚這些能量的來源而本文也正是針對課題為大家介紹科學家研究成果——中微子很可能是熱量的來源。

圖中是地球內部結構,目前科學家通過多項測量仍未發現50%地球內部熱量的具體來源。圖中是地球內部結構,目前科學家通過多項測量仍未發現50%地球內部熱量的具體來源。

地球熱量流動地圖。地球熱量流動地圖。

  在炎熱夏季,當你躺著可能感受不到來自地下的熱量,但事實上有相當多的熱量來自于地下——地球深處。地下熱量相當于能量總耗的3倍,并驅動著重要的地質過程,例如:地殼板塊運動和表面附近巖漿流動等。但盡管如此,大約一半的地下熱量仍是一個未解謎團。

  中微子是一種極低質量微粒,在地球內部放射過程中釋放出來,科學家認為,中微子可能提供揭曉50%地下熱量的重要線索,然而問題是科學家幾乎無法采集到中微子。目前,科學家在近期發表的《自然通訊》雜志上撰文指出,現在最新方法已能夠做到這一點。

  地球內部已知熱量源自放射性衰變,以及地球最初形成時的余熱。依據巖石樣本成分的測量報告,源自放射性衰變的地球內部熱量具有較高的不確定性,占地球內部總熱量的25-90%。

  神秘粒子

  放射性物質中的原子具有不穩定原子核,這意味著通過釋放核輻射,它們可以分裂(衰減至穩定狀態),其中一些核輻射可以轉換為熱量。這種輻射包含具有特殊能量的不同微粒,它們取決于所釋放的物質——包括中微子。當放射性元素在地殼和地幔中衰變時,會釋放出“地球-中微子”。事實上,每秒地球會輻射1萬億個這樣的微粒進入太空,測量這些能量將揭曉何種物質制造它們,從而呈現地球隱藏內部結構的具體成分。

  地球內部主要放射來源是不穩定的鈾、釷和鉀,這是我們基于地面以下200公里處的巖石樣本所掌握的,然而隱藏在地下更深處的放射來源尚不清楚。我們知道當鈾衰變時釋放地球-中微子的能量將遠大于鉀分裂時釋放的能量,因此通過測量地球-中微子能量,我們能夠知道它們來自于什么類型的放射性物質。事實上,這是一種更簡單的方法計算地球內部狀況,而不是從地面向下鉆探幾十公里深。

  遺憾的是,地球-中微子是非常難以探測的,它們不像內部探測器與普通物質發生交互關系,它們僅是直接穿過普通物質。這就是為什么2003年科學家設置一個巨大地下探測器裝滿大約1000噸液體,才首次觀測到地球-中微子,該探測器能記錄液體中與原子發生碰撞的中微子。

  此后僅有一項實驗使用類似的技術觀測到地球-中微子,這兩項測量表明,大約一半的地球內部熱量是放射性活動過程產生的,鈾和釷衰變可以解釋該放射活動,然而,剩下50%的地球內部熱量仍是一個未解謎團。

  迄今為止,測量數據仍無法測量鉀衰變產生的熱量,該過程釋放的中微子能量很低,所以熱量的剩余部分來自于鉀衰變過程。

  最新技術

  我們最新研究表明,我們通過測量地球-中微子源自的地球方向,以及它的能量,能夠繪制出地球內部熱量流動地圖。這聽起來很簡單,但是存在的技術挑戰非常大,需要新的粒子探測技術。

  我們提議使用充氣“時間投影探測器”,啟動該探測器,能夠制造地球-中微子與探測器內部氣體碰撞的3D圖像,該過程從一個氣體原子中分解出一個電子。這種電子運動可隨著時間的推移而被跟蹤,重建該過程的時間維度。之后高分辨率成像技術能重建該運動的兩個空間維度,在當前使用的液體探測器中,短距離碰撞可以釋放粒子(因為它們處于液體之中),但是粒子傳播的方向不能確定。

  類似的探測器,在更小的范圍內,可用于精確測量中微子的相互作用,并用于搜尋暗物質。我們計算表明,該探測器的體積大小需要滿足放射性鉀產生地球-中微子的條件,預計探測器重量為20噸。為了首次精確地繪制地幔成分地圖,該探測器的質量應當達到200噸,目前我們已建造這樣的探測器原型,并積極擴大建造規模。

  用這種方法測量地球-中微子將有助于繪制地球內部熱量流動,通過評估放射性元素濃度,將幫助我們理解地球內核演變,同時,還將揭曉長期存在的謎團——產生地球磁場的外核中,驅動對流的熱量來源。地球磁場對于保護地球生命免遭太陽有害輻射具有重要意義。

  我們對地球內部狀況了解甚少,這些最新測量令科學家興奮,測量數據將最終揭曉隱藏在地球內部的運行狀況。

小編有個大膽的想法,如果這些能量可以加以利用,那么……

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