Ядро планеты земля: Ядерное тепло Земли

Ядерное тепло Земли

И.М.
Капитонов

Земное
тепло

   
Земля – довольно
сильно нагретое тело и является источником
тепла. Она нагревается, прежде всего,
за счёт поглощаемого ею солнечного
излучения. Но Земля имеет и собственный
тепловой ресурс сопоставимый с получаемым
теплом от Солнца. Считается, что эта
собственная энергия Земли имеет следующее
происхождение. Земля возникла около
4.5 млрд лет назад вслед за образованием
Солнца из вращающегося вокруг него и
уплотняющегося протопланетного
газо-пылевого диска. На раннем этапе
своего формирования происходил разогрев
земной субстанции за счёт сравнительно
медленного гравитационного сжатия.
Большую роль в тепловом балансе Земли
играла также энергия, выделявшаяся при
падении на неё мелких космических тел.
Поэтому молодая Земля была расплавленной.
Остывая, она постепенно пришла к своему
нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью,
значительная часть которой покрыта
океаническими и морскими водами. Этот
твёрдый наружный слой называют земной
корой
и в
среднем на участках суши его толщина
около 40 км, а под океаническими водами
– 5-10 км. Более глубокий слой Земли,
называемый мантией,
также состоит из твёрдого вещества. Он
простирается на глубину почти до 3000 км
и в нём содержится основная часть
вещества Земли. Наконец самая внутренняя
часть Земли – это её ядро.
Оно состоит из двух слоёв – внешнего и
внутреннего. Внешнее
ядро
это слой
расплавленного железа и никеля при
температуре 4500-6500 K
толщиной 2000-2500 км. Внутреннее
ядро
радиусом
1000-1500 км представляет собой нагретый
до температуры 4000-5000 K
твёрдый железо-никелевый сплав плотностью
около 14 г/см3,
возникший при огромном (почти 4 млн
бар) давлении.
    Помимо
внутреннего тепла Земли, доставшегося
её в наследство от самого раннего
горячего этапа её формирования, и
количество которого должно уменьшаться
со временем, существует и другой, –
долговременный, связанный с радиоактивным
распадом ядер с большим периодом
полураспада – прежде всего, 232Th,
235U,
238U
и 40K.
Энергия, выделяющаяся в этих распадах
– на их долю приходится почти 99% земной
радиоактивной энергии – постоянно
пополняет тепловые запасы Земли.
Вышеперечисленные ядра содержатся в
коре и мантии. Их распад приводит к
нагреву как внешних, так и внутренних
слоёв Земли.

    Часть
огромного тепла, содержащегося внутри
Земли, постоянно выходит на её поверхность
часто в весьма масштабных вулканических
процессах. Тепловой поток, вытекающий
из глубин Земли через её поверхность
известен. Он составляет (47±2)·1012
Ватт [1],
что эквивалентно теплу, которое могут
генерировать 50 тысяч атомных электростанций
(средняя мощность одной АЭС около 109
Ватт). Возникает вопрос, играет ли
какую-либо существенную роль радиоактивная
энергия в полном тепловом бюджете Земли
и если играет, то какую? Ответ на эти
вопросы долгое время оставался
неизвестным. В настоящее время появились
возможности ответить на эти вопросы.
Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино
(антинейтрино), которые рождаются в
процессах радиоактивного распада ядер,
входящих в состав вещества Земли и
которые получили название гео-нейтрино.

Гео-нейтрино

    Гео-нейтрино
– это объединённое название нейтрино
или антинейтрино, которые испускаются
в результате бета-распада ядер,
расположенных под земной поверхностью.
Очевидно, что благодаря беспрецедентной
проникающей способности, регистрация
именно их (и только их) наземными
нейтринными детекторами может дать
объективную информацию о процессах
радиоактивного распада, происходящих
глубоко внутри Земли. Примером такого
распада является
β-распад
ядра
228Ra,
которое является продуктом α-распада
долгоживущего ядра
232Th (см.
таблицу):

.

Период
полураспада (T1/2)
ядра
228Ra равен
5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет
около 46 кэВ. Энергетический спектр
антинейтрино непрерывен с верхней
границей близкой к выделяющейся энергии.
    Распады
ядер
232Th,
235U,
238U представляют
собой цепочки последовательных распадов,
образующих так называемые радиоактивные
ряды
. В таких
цепочках α-распады
перемежаются
β-распадами,
так как при α-распадах
конечные ядра оказываются смещёнными
от линии β-стабильности
в область ядер, перегруженных нейтронами.
После цепочки последовательных распадов
в конце каждого ряда образуются стабильные
ядра с близким или равным магическим
числам количеством протонов и нейтронов
(Z =
82, N =
126). Такими конечными ядрами являются
стабильные изотопы свинца или висмута.
Так распад
T1/2
завершается
образованием дважды магического ядра
208Pb, причем
на пути
232Th → 208Pb
происходит шесть
α-распадов,
перемежающихся четырьмя β-распадами
(в цепочке 238U → 206Pb
восемь α-
и шесть
β-распадов;
в цепочке 235U → 207Pb семь
α-
и четыре
β-распада).
Таким образом, энергетический спектр
антинейтрино от каждого радиоактивного
ряда представляет собой наложение
парциальных спектров от отдельных β-распадов,
входящих в состав этого ряда. Спектры
антинейтрино, образующихся в распадах 
232Th,
235U,
238U, 40K,
показаны на рис. 1. Распад 40K
это однократный β-распад
(см. таблицу). Наибольшей энергии (до
3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214
Bi → 214Po,
являющемся звеном радиоактивного ряда
238U.
Полная энергия, выделяющаяся при
прохождении всех звеньев распада ряда
232Th → 208Pb, равна
42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235U
и
238U эти
энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ.
Энергия, освобождающаяся в распаде
40
K → 40Ca,
составляет 1.31 МэВ.

Таблица

Характеристики
ядер
232Th,
235U,
238U, 40K

ЯдроДоля в %
в смеси
изотопов
Число ядер
относит.
ядер Si
[11]
T1/2,
млрд лет
Первые
звенья
распада
232Th1000.033514.0
235U0.72046.48·10-50.704
238U99.27420.008934.47
40K0.01170.4401.25

    Оценка
потока гео-нейтрино, сделанная на основе
распада ядер 232Th,
235U,
238U, 40K,
содержащихся в
составе вещества Земли, приводит к
величине порядка 106
см-2сек-1.
Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно
получить информацию о роли радиоактивного
тепла в полном тепловом балансе Земли
и проверить наши представления о
содержании долгоживущих радиоизотопов
в составе земного вещества.


Рис. 1. Энергетические
спектры антинейтрино от распада ядер

232Th,
235U,
238U, 40K,
нормализованные к одному
распаду
родительского ядра

    Для
регистрации электронных антинейтрино
используется реакция

+ p → e+ + n,
(1)

в
которой собственно и была открыта эта
частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ.
Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся
в цепочках распада, стартующих с ядер 232Th
и
238U, могут
быть зарегистрированы в вышеуказанной
реакции. Эффективное сечение обсуждаемой
реакции крайне мало: σ

10-43
см2.
Отсюда следует, что нейтринный детектор
с чувствительным объёмом 1 м3
будет регистрировать не более нескольких
событий в год. Очевидно, что для уверенной
фиксации потоков гео-нейтрино необходимы
нейтринные детекторы большого объёма,
размещённые в подземных лабораториях
для максимальной защиты от фона. Идея
использовать для регистрации гео-нейтрино
детекторы, предназначенные для изучения
солнечных и реакторных нейтрино, возникла
в 1998 г. [3,4].
В настоящее время имеется два нейтринных
детектора большого объёма, использующих
жидкий сцинтиллятор и пригодные для
решения поставленной задачи. Это
нейтринные детекторы экспериментов
KamLAND
(Япония, [5,6])
и Borexino
(Италия, [7]).
Ниже рассматривается устройство
детектора Borexino
и полученные на этом детекторе результаты
по регистрации гео-нейтрино.

Детектор
Borexino
и регистрация гео-нейтрино

    Нейтринный
детектор Борексино [8]
расположен в центральной Италии в
подземной лаборатории под горным
массивом Гран Сассо, высота горных пиков
которого достигает 2.9 км (рис. 2).


Рис.
2. Схема расположения нейтринной
лаборатории под
горным массивом
Гран Сассо (центральная Италия)

    Борексино
это несегментированный массивный
детектор, активной средой которого
являются
280 тонн органического жидкого
сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый
сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис.
3). Сцинтиллятором является псевдокумол
9Н12)
со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5
г/л). Свет от сцинтиллятора собирается
2212 восьмидюймовыми фотоумножителями
(ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей
стали (СНС).


Рис.
3. Схема устройства детектора Борексино

    Нейлоновый
сосуд с псевдокумолом является внутренним
детектором, в задачу которого и входит
регистрация нейтрино (антинейтрино).
Внутренний детектор окружён двумя
концентрическими буферными зонами,
защищающими его от внешних гамма-квантов
и нейтронов. Внутренняя зона заполнена
несцинтиллирующей средой, состоящей
из 900 тонн псевдокумола с добавками
диметилфталата, гасящими сцинтилляции.
Внешняя зона располагается поверх СНС
и является водным черенковским детектором,
содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и
отсекающим сигналы от мюонов, попадающих
в установку извне. Для каждого
взаимодействия, происходящего во
внутреннем детекторе, определяется
энергия и время. Калибровка детектора
с использованием различных радиоактивных
источников позволила весьма точно
определить его энергетическую шкалу и
степень воспроизводимости светового
сигнала.
    Борексино
является детектором очень высокой
радиационной чистоты. Все материалы
прошли строгий отбор, а сцинтиллятор
был подвергнут очистке для максимального
уменьшения внутреннего фона. Вследствие
высокой радиационной чистоты Борексино
является прекрасным детектором для
регистрации антинейтрино.
    В
реакции (1) позитрон даёт мгновенный
сигнал, за которым через некоторое время
следует захват нейтрона ядром водорода,
что приводит к появлению γ-кванта
с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал,
задержанный относительно первого. В
Борексино время захвата нейтрона около
260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы
коррелируют в пространстве и во времени,
обеспечивая точное распознавание
события, вызванного
e.

    Порог
реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из
рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40K
и
235U
оказываются ниже
этого порога и лишь часть гео-нейтрино,
возникших в распадах 232Th
и
238U,
может быть зарегистрирована.
    Детектор
Борексино впервые зарегистрировал
сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно
[9]
опубликованы новые результаты, основанные
на наблюдениях в течение 2056 дней в период
с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы
приведём полученные данные и результаты
их обсуждения, основываясь на статье
[10].
    В
результате анализа экспериментальных
данных были идентифицированы 77 кандидатов
в электронные антинейтрино, прошедшие
все критерии отбора. Фон от событий,
имитирующих
e,
оценивался величиной
. Таким
образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
    Главным
источником фона были реакторные
антинейтрино. Для Борексино ситуация
была достаточно благоприятной, так как
вблизи лаборатории Гран Сассо нет
ядерных реакторов. Кроме того, реакторные
антинейтрино более энергичные по
сравнению с гео-нейтрино, что позволяло
отделить эти антинейтрино по величине
сигнала от позитрона. Результаты анализа
вкладов гео-нейтрино и реакторных
антинейтрино в полное число
зарегистрированных событий от
e
показаны на рис. 4. Количество
зарегистрированных гео-нейтрино,
даваемое этим анализом (на рис. 4 им
соответствует затемнённая область),
равно . В
извлечённом в результате анализа спектре
гео-нейтрино видны две группы – менее
энергичная, более интенсивная и более
энергичная, менее интенсивная. Эти
группы авторы описываемого исследования
связывают с распадами соответственно
тория и урана.
    В
обсуждаемом анализе использовалось
отношение масс тория и урана в веществе
Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в
таблице эта величина ≈3.8).
Указанная цифра отражает относительное
содержание этих химических элементов
в хондритах – наиболее распространённой
группе метеоритов (более 90% метеоритов,
упавших на Землю, относятся к этой
группе). Считается, что состав хондритов
за исключением лёгких газов (водород и
гелий) повторяет состав Солнечной
системы и протопланетного диска, из
которого образовалась Земля.


Рис.
4. Спектр
светового выхода от позитронов в единицах
числа фотоэлектронов
для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные
точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино.
Сплошная линия – вклад реакторных
антинейтрино.

    Полученные
данные о числе гео-нейтрино соответствуют
следующим их потокам в детекторе
Борексино, возникшим от распада в
цепочках урана и тория:

φ(U) = (2.7±0.7)·106 см−2c−1,
φ(Th) = (2.3±0.6)·106 см−2c−1,

    Далее
авторы работы [10],
используя вышеупомянутое отношение
масс m(Th)/m(U) = 3.9 и
отношение масс m(K)/m(U) = 104,
оценивают полную земную радиационную
мощность: .
Сравнение этой величины с полной
излучаемой земной мощностью Ptot = 47±2 Твт,
приведённой в начале данной статьи,
показывает, что на долю радиационного
тепла приходится, по-видимому, основная
(порядка 70%) часть излучаемого Землёй
теплового потока. Однако, неопределённость
в итоговой оценке велика и необходимы
дальнейшие исследования.

Литература

  1. J.N. Connelly et al. , Science 338 (2012) 651.
  2. S.
    Dye, Rev. of Geophys. 50 (2012) RG3007.
  3. R.S. Raghavan et al., Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 635
  4. C.G. Rotschild et al., Geo. Res. Lett. 25 (1998)1083.
  5. K.
    Abe et al. (KamLAND Collaboration), Phys. Rev. Lett.100 (2008)
    221803.
  6. Giando et al., Phys. Rev. D 88 (2013) 033001.
  7. G.
    Bellini et al. (Borexino Collaboration), Phys. Lett. B687 (2010)
    290.
  8. G. Alimonti et al., (Borexino Collaboration), Nucl. Instrum. Methods
    Phys. Res., Sect. A 600 (2009) 568.
  9. G.
    Bellini et al. (Borexino Collaboration), Phys. Lett. B722 (2013)
    295.
  10. E. Meroni, S. Zavatarelli, Nuclear Physics News 26, №3 (2016) 21.
  11. E. Anders, N. Grevesse, Geohimia et Cosmohimia Acta 53 (1987) 197.

 

поведение ядра Земли поставило ученых в тупик

Новое исследование показывает, что внутреннее ядро нашей планеты движется в разные стороны.

Related video

Ученые из Университета Южной Калифорнии, США, нашли доказательства того, что внутреннее ядро ​​Земли движется в разные стороны, что противоречит принятым теориям, которые предполагали, что ядро постоянно вращается с большей скоростью, чем поверхность планеты, сообщает Phys.

Новое исследование показывает, что внутренне ядро нашей планеты меняет скорость и направление вращения, а также движется, как показывают сейсмические данные.

«Мы считаем, что поверхность Земли смещается относительно ее внутреннего ядра, а также, что оно вращается медленнее чем планета и может вращаться в другом направлении», — говорит Джон Видейл из Университета Южной Калифорнии.

Внутреннее ядро Земли представляет собой горячий, плотный шар из твердого железа диаметром примерно 2600 км. Его невозможно увидеть напрямую, поэтому ученые использовали сейсмические данные, чтобы узнать о скорости и направлении его вращения, а также о его движении в центре Земли.

В 90-х годах прошлого века ученые предположили, что внутренне ядро Земли вращается быстрее, чем сама планета. Но новое исследование показывает, что ядро ​​вращается медленнее, чем предполагалось ранее. Также ученые обнаружили, что ядро может менять направление вращения.

В 90-х годах прошлого века ученые предположили, что внутренне ядро Земли вращается быстрее, чем сама планета. Но новое исследование показывает, что ядро ​​вращается медленнее, чем предполагалось ранее. Также ученые обнаружили, что ядро может менять направление вращения

Фото: wikipedia

«Мы были очень удивлены полученным результатам, но это дает возможность улучшить наше понимание природы внутреннего ядра Земли», — говорит Видейл.

По словам ученых, внутреннее ядро ​​Земли не стоит на месте, а оно движется и перемещается туда-сюда на пару километров и это происходит каждые 6 лет. Далее ученые планируют изучение формирования ядра и того, какие еще процессы происходят глубоко под поверхностью.

Согласно существующим научным представлениям, ядро Земли состоит из двух частей: внутреннего твердого ядра и внешнего жидкого ядра. Считается, что температура на поверхности внутреннего ядра составляет примерно 6 тысяч градусов Цельсия, а плотность достигает 12,5 тонн на метр кубический. Все данные о ядре пока что ученые получают лишь с помощью косвенных наблюдений, так как добраться до центра Земли на данный момент не представляется возможным.

Как уже писал Фокус, ученые выдвинули предположение, что ядро Земли может состоять из «суперионного» вещества.

Также Фокус писал о том, что согласно исследованию, ядро Земли остывает быстрее и ученые рассказали, чем это может грозить.

Во внутреннем ядре Земли обнаружен «новый скрытый мир»

Внутреннее ядро ​​Земли состоит в основном из горячего сжатого железа.
(Изображение предоставлено Shutterstock)

Исследователи обнаружили, что «твердое» внутреннее ядро ​​Земли

на самом деле может быть немного мягким.

На протяжении более полувека научное сообщество считало, что внутреннее ядро ​​Земли представляет собой твердый шар из сжатого сплава железа, окруженный жидким внешним ядром. Но новое исследование, опубликованное 20 сентября в журнале Physics of the Earth and Planetary Interiors (открывается в новой вкладке), предполагает, что твердость планетарного шара варьируется от твердого до полумягкого и до жидкого металла.

«Чем больше мы на это смотрим, тем больше понимаем, что это не один скучный кусок железа», — сказала Live Science Джессика Ирвинг, сейсмолог из Бристольского университета в Англии, которая не участвовала в исследовании. «Мы находим совершенно новый скрытый мир».

Связанные : 50 интересных фактов о Земле

В некотором смысле внутреннее ядро ​​Земли остается таким же загадочным, каким оно было, когда Жюль Верн опубликовал свое причудливое «Путешествие к центру Земли» в 1864 году. 1950-х, что наша планета не полая, как предсказывал Верн, внутренняя часть планеты до сих пор не исследована; огромная температура и давление просто слишком велики для любого человека или созданного человеком зонда, чтобы добраться туда. «Если с нашей планетой не случится что-то ужасное, мы никогда не сможем напрямую наблюдать за ядром Земли», — сказал Ирвинг.

Вместо этого геофизики полагаются на сейсмические волны, порожденные землетрясениями . Измеряя эти массивные вибрации, ученые могут реконструировать картину внутренней работы планеты таким образом, что это «похоже на компьютерную томографию человека», сказал Ирвинг. Эти волны бывают двух основных видов: прямолинейные волны сжатия и волнообразные поперечные волны. Каждая волна может ускоряться, замедляться или отскакивать от различных сред, когда она проходит через землю.

Схема внутренней структуры Земли (Изображение предоставлено Shutterstock)

Для Ретта Батлера, геофизика из Гавайского института геофизики и планетологии, новое исследование началось с вопроса о несоответствии чисел. Батлер изучал, как сейсмические волны, создаваемые сильными землетрясениями в пяти разных местах, проходят через ядро ​​Земли на противоположную сторону земного шара. Но что-то было не так — поперечные волны землетрясений, которые должны были пройти через твердый металлический шар, вместо этого отклонялись в определенных областях.

Цифры удивили Дворецки. Он знал, что математика сейсмических волн верна, что могло означать только одно: у ученых была неправильная структура. «Когда вы занимаетесь этим бизнесом, вы должны сопоставлять данные», — сказал он. Итак, Батлер и его соавтор пересмотрели свое базовое предположение о том, что внутреннее ядро ​​Земли было твердым на всем протяжении. Они обнаружили, что волны, которые они наблюдали, работали, если бы ядро ​​не было твердым шаром, а имело карманы из жидкого и «кашеобразного» полутвердого железа вблизи его поверхности.

СВЯЗАННЫЕ СОДЕРЖИМЫЕ

Диапазон консистенций железа был особенно поразительным, по словам Батлера. «Мы видели доказательства того, что он не только не везде мягкий, но в некоторых местах действительно твердый», — сказал он. «У него твердые поверхности прямо напротив расплавленного или кашеобразного железа. Таким образом, мы видим много деталей во внутреннем ядре, которых раньше не видели».

Это исследование потенциально может произвести революцию в нашем понимании магнитного поля Земли . В то время как вращающееся жидкое внешнее ядро ​​управляет магнитным полем нашей планеты, внутреннее ядро ​​помогает изменять поле, согласно исследованию, опубликованному в 2019 году. в журнале Science Advances (открывается в новой вкладке). Другие планеты, такие как Марс, имеют жидкий центр, но не имеют ни внутреннего ядра, ни магнитного поля, согласно исследованию NASA . Поэтому Батлер и Ирвинг считают, что более глубокое понимание внутреннего ядра поможет ученым понять взаимосвязь между внутренней частью планеты и ее магнитной активностью.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Джоанна Томпсон — научный журналист и бегунья из Нью-Йорка. Она имеет B.S. в зоологии и B.A. по творческому письму Университета штата Северная Каролина, а также степень магистра научной журналистики по Программе освещения науки, здравоохранения и окружающей среды Нью-Йоркского университета. Другие ее работы можно найти в журналах Scientific American, The Daily Beast, Atlas Obscura или Audubon Magazine.

От ядра к коре: определение слоев Земли



От ядра к земной коре: определение слоев Земли | Изучение землетрясений

Похоже, JavaScript либо отключен, либо не поддерживается вашим браузером. Для просмотра этого сайта включите JavaScript, изменив параметры браузера, и повторите попытку.

Перейти к основному содержанию

Прежде чем узнать о землетрясениях, давайте заглянем внутрь нашей планеты.

То, что происходит на поверхности Земли, напрямую связано с ее недрами. Около 4,6 миллиарда лет назад Земля образовалась из горячего облака пыли, вращающегося вокруг пылающего солнца. По мере остывания планеты плотные элементы концентрировались в ядре планеты, а более легкие элементы формировали мантию. На поверхности образовалась тонкая твердая корка. Постоянный цикл нагрева и охлаждения в мантии приводит к движению плит на поверхности Земли. Тепло, выходящее из ядра планеты, раскололо кору на неправильные тектонические плиты, которые постоянно находятся в движении.

  • Внутреннее ядро ​​ : Самая внутренняя часть Земли является ядром и имеет толщину около 1500 миль (2414 км). И внутреннее, и внешнее ядра состоят в основном из железа и никеля. Они очень горячие, их температура колеблется от 7200–9000 ℉ (4000–5000 ℃). Внутреннее ядро ​​находится под сильным давлением, которое сохраняет его твердость, несмотря на высокие температуры.
  • Внешнее ядро ​​ : Внешнее ядро, жидкое, имеет толщину около 1300 миль (2092 км). Как внутреннее, так и внешнее ядра состоят в основном из железа и никеля и очень горячие, их температура колеблется от 7200 до 9 градусов Цельсия.000 ℉ (4000–5000 ℃).
  • Мантия : Большая часть объема Земли находится в мантии. Этот слой имеет толщину около 1800 миль (2880 км). Он состоит из темной плотной породы, похожей на океанический базальт. Чем глубже вы погружаетесь в землю, тем жарче становится. Материал мантии вблизи холодной внешней коры имеет температуру около 1300 ℉ (700 ℃), в то время как горная порода вблизи ядра Земли нагревается примерно до 7200 ℉ (4000 ℃).
  • Кора : Два типа коры составляют внешний слой Земли: континентальный и океанический.