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夏天很热?50%热量来源仍是未解谜团

北极蚊子 2017-8-17 16:22

据国外媒体报道,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。

▲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。

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。

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