Физики назвали главный источник подземного тепла

Недра нашей планеты выделяют 47 тераватт тепла. Судя по содержанию радиоактивных элементов в земной коре, их распад обеспечивает от 7 до 10 тераватт. Откуда берётся всё остальное?

Споры об этом не утихают. Одни специалисты говорят, что наша Земля родилась горячей, и не меньше половины нынешнего теплового потока из её недр — это энергия, запасённая в момент образования. Другие считают, что планета сформировалась как холодная, а разогревает её в основном трение от погружения к центру Земли тяжёлых пород и всплывания на поверхность лёгких.

Не стоит забывать, что радиоактивные вещества наверняка есть не только в коре, но и в мантии (в ядре планеты их, по мнению геофизиков, пренебрежимо мало). Но сколько их там? До мантии, в отличие от коры, невозможно дотянуться буром. Поэтому остаётся неясным, какая часть подземного тепла образуется при радиоактивном распаде. Оценки разнятся от 15% до 50%.

Ответ на животрепещущий вопрос даёт научная статья, опубликованная в журнале Physical Review D международной группой, в которую входят и российские учёные.

Физики измерили поток нейтрино, исходящий из земных недр. Нейтрино — это очень лёгкие частицы, которые образуются в том числе при радиоактивном распаде урана-238 и тория-232. Зная интенсивность потока нейтрино, можно определить, сколько этих элементов ежесекундно распадается в глубинах Земли.

Исследователи работали с детектором Borexino, запущенным в 2007 году. Они обработали данные, накопленные с декабря 2007 года по апрель 2019 года. Отметим, что в создание этого инструмента и получение этих данных большой вклад внесли ученые из НИИ ядерной физики МГУ, Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" и Объединённого института ядерных исследований.

Всего за это время детектор зафиксировал 53 частицы. Не стоит обманываться: ежесекундно каждый квадратный сантиметр земной поверхности пронизывают миллионы нейтрино, родившихся в недрах планеты. Но эта капризная частица почти никогда не взаимодействует с материей, в том числе и с веществом детектора.

По количеству зарегистрированных нейтрино авторы вычислили их полный поток и пересчитали его в количество распадающихся в глубинах Земли ядер урана и тория.

Исходя из известной радиоактивности земной коры, физики вычислили вклад мантии. При этом они учитывали, что 18% радиогенного тепла приходится на распад калия-40, а уран и торий обеспечивают остальные 82%.

По расчётам исследователей, радиоактивные вещества мантии обеспечивают от 14 до 36 тераватт подземного тепла. Наиболее вероятное значение — 25 тераватт. То есть в сумме радиоактивные вещества коры и мантии дают около 70% всего подземного жара.

Более определённые цифры можно будет назвать, когда поток нейтрино из мантии будет измерен точнее.

"Серьёзным вызовом для физиков на сегодня остаётся более точное измерение потока геонейтрино от мантии. Для этого, вероятно, будут использоваться несколько детекторов, расположенных в разных точках Земли. Есть проект создания геонейтринного детектора в России, в Баксанской нейтринной обсерватории. Другим проектом является детектор JUNO, в настоящее время сооружаемый в Китае, который будет в 70 раз больше "Борексино" по массе, что позволит достичь большей точности измерений за более короткие сроки", — резюмирует старший научный сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Александр Чепурнов.