半数地热来自放射性物质衰变

2011-7-20 10:03 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网7月17日报道,一个以日本东北大学为主的研究小组利用位于日本中部岐阜县地下千米处的装置KamLAND,根据多年观测数据重新计算了地球内部放射性元素产生的热量。研究发现,地球自身热量大约有一半来自放射性物质衰变,另一半则是从地球刚形成时保存至今的原始热量。新数据不仅和目前公认的地质物理模型预测相一致,还有助于完善这些模型。该研究发表在最近出版的《自然·地质科学》杂志上。

  海洋底层扩展、大陆板块运动、地球外核融化、产生地磁场,这些都离不开热量,地壳和地幔层放射性元素如铀、钍和钾的衰变是这些热量形成的主要原因。地质学家根据来自全球2万多个钻井的温度测量数据,计算出从地球散失到太空中的热量约为44太瓦(44万亿瓦特)。此前的研究人员利用通行的主体硅酸盐地球模型计算出约8太瓦来自铀-238(238U),8太瓦来自钍-232(232Th),4太瓦来自钾-40(40K)。

  当地球内部放射性元素衰变时,会发射地球中微子,中微子很难探测到。领导该研究的美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室原子核科学分部的斯图亚特·弗里德曼介绍说:“KamLAND是专门设计用于研究中微子的,我们能以高灵敏度把它们从背景干扰中分辨出来。”

  KamLAND有一个装有1000吨发光矿物油的球体,当一个反中微子撞上KamLAND探测仪内部的质子时,将产生两个信号。第一个信号由于反中微子将质子转变成了一个中子和一个额外的正电子(逆向β衰变),正电子瞬即和普通电子发生湮灭并发出闪光;第二个信号是两个在亿分之一秒后,质子衰变成的中子发出伽玛射线被捕获。这种衰变“双巧合”让反中微子的相互作用与宇宙射线撞击截然不同。而通过鉴别特征能量等因素,还能将周围核电站发出的反中微子干扰排除。

  研究人员还考虑了放射性元素的分布、地域性地质因素等,根据2002年3月到2009年11月之间探测到的841例中微子事件,排除730例干扰事件,剩下约111例属于来自地球内部的铀或钍的放射性衰变,再结合自意大利格瑞·萨索国家实验室Borexino探测仪数据,以不低于97%的置信度,计算出铀和钍对地球热量的贡献约为20太瓦,而根据模型推测另有3太瓦热量来自其他同位素衰变。

  弗里德曼解释说,在地球表面释放的热量中,有大约54%来自放射性物质衰变,而剩余部分应该是从地球诞生时保存至今的原始热量。这项研究加深了人们对地球热量产生和流失情况的认识,可为地质研究提供帮助。如果能在全球设立更多地球中微子探测仪,尤其在大洋岛屿上,将有助于科学家们改进模型。