地球内部热量来源仍是未解谜团

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炎热夏季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。

神秘粒子
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%。

而放射性物质中的原子具有不稳定原
子核,这意味着它们通过释放核
辐射可以分裂(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。

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。

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200千米处的岩石样本
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,
这是一种简单的计算地球内部状
况方法,而不是从地面向下钻探
几十公里深。

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不过,地球-中微子是非常
难以探测的,它们不会与普通物
质发生交互关系,而是直接穿过
普通物质。

这就是为什么2003年
科学家设置了一个装满大约
1000吨液体的巨大地下探测器,
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。

此后仅有一项使
用类似技术的实验观测到地球-
中微子,但这两项测量表明,约一
半的地球内部热量是在放射性活
动过程中产生的,铀和钍衰变可
以解释该放射活动,而剩下50%
的地球内部热量仍是未解谜团。

最新技术
迄今为止,测量数据仍无法
测量到钾衰变产生的热量,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。

不过新研究表明,通过测量地
球-中微子源的地球方向,以及
它的能量,能够绘制出地球内部
热量流动地图。

但需要新的粒子
探测技术,而使用充气“时间投影
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。

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。

但为了
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,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。

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