Благодаря нейтринному детектору геофизики получили новые доказательства того, что Землю изнутри согревают процессы радиоактивного распада.
У исследователей строения Земли не так уж и много способов, чтобы заглянуть внутрь нашей собственной планеты. Кольская сверхглубокая скважина была пробурена до глубины немногим более 12 километров, что ничтожно мало по сравнению с радиусом Земли, который равен примерно 6 000 километров. Намного больше данных было получено из сейсмических исследований. Изменения скорости и направления волн, возникших при землетрясениях, позволили обнаружить границы зон с различными физическими свойствами. Было установлено, что в центре Земли находится твердое ядро, радиусом приблизительно 1 200 километров, окруженное слоем жидкого вещества, толщиной около 2 300 километров. Температура в центре Земли достигает 5 000 градусов и выше, но ближе к поверхности она уменьшается, оставаясь сравнительно высокой в местах литосферных разломов.
Если говорить про температуру и тепло, то большую часть тепловой энергии наша планета получает от Солнца, и лишь незначительную, в тысячи раз меньшую долю непосредственно из глубины Земли. Но по абсолютной величине это огромное значение, порядка 40 Тераватт – примерно в две тысячи раз больше мощности самой крупной гидроэлектростанции в мире. Именно по этой причине интерес к геотермальной энергетике весьма велик. Однако вернемся к теме. Тот факт, что мы можем оценить поток тепла, исходящий из недр Земли, не дает нам информации о том, каким образом это тепло получено. Вероятнее всего, источник этого тепла радиоактивного происхождения. Нестабильные изотопы, которые содержатся в горных породах, могут претерпевать альфа или бета распад, который протекает с выделением энергии. На роль рабочего вещества естественного атомного реактора могут претендовать уран-238, торий-232 и калий-40. Их период полураспада сравним с возрастом Земли, что позволяет им «греть» нашу планету на протяжении всей ее жизни.
Если это действительно так, то подобный «реактор» внутри Земли можно обнаружить по потоку нейтрино, которые рождаются в процессе радиоактивного распада. Но для этого нужно сначала как-то зарегистрировать эти неуловимые частицы. В отличие от других излучений нейтрино способно с легкостью проникать сквозь любые препятствия. Происходит это из-за того, что эти частицы практически не взаимодействуют с веществом – в этом и заключается колоссальная сложность их детектирования. Но с другой стороны, такая физическая инертность делает их безопасными для живых существ, ведь каждую секунду сквозь нас на околосветовых скоростях пролетают огромные количества нейтрино, не причиняя никакого вреда. Чтобы «поймать» нейтрино, физики строят сложнейшие детекторы, погружая их на большую глубину под воду или в скалы, для того чтобы избавиться от фоновых помех, ведь нейтрино может с легкостью пройти даже сквозь всю Землю, что невозможно для других частиц или волн.
Впервые такие геонейтрино, точнее говоря, рождающиеся в бета-распаде электронные антинейтрино, были зафиксированы в 2005 году коллаборацией KamLAND на нейтринном детекторе в Японии. Однако близкие японские атомные станции давали высокий нейтринный сигнал, на фоне которого геонейтрино были плохо различимы. Больше шансов на успешное детектирование геонейтрино имел детектор коллаборации Borexino, расположенный в горном массиве Гран Сассо в центре Италии, созданный при участии российских ученых из Курчатовского института, Объединенного института ядерных исследований, Петербургского института ядерной физики им. Б.П.Константинова и НИИЯФ им. Д.В.Скобельцина МГУ. Этот детектор состоит из нескольких слоев. В емкости со сверхчистой водой находится стальная сфера, на внутренней стороне которой смонтированы более 2 000 фотоумножителей, регистрирующих слабые вспышки света при взаимодействии жидкого сцинтиллятора с пролетающими сквозь него нейтрино. Сам жидкий сцинтиллятор находится в нейлоновом шаре, который в свою очередь помещен в ту самую стальную сферу. Такая сложная конструкция повышает чувствительность детектора. Накопленная к 2015 году информация с детектора позволила исследователям отделить сигнал, исходящий от коры Земного шара, от антинейтрино, пришедших из внутренних областей нашей планеты. Кроме того, получилось отделить сигнал нейтрино, образовавшихся при распаде ядер урана от нейтрино, получившихся при делении тория. Что же касается оценки мощности геореактора, то здесь пока еще остается большая неопределенность. Согласно полученным данным, суммарная тепловая мощность от деления урана, тория и калия составляет от 13 до 61 Тераватта. Эти значения в общем-то соответствуют тепловому потоку Земли, оцененному в 45-49 Тераватт. Уточнить, какой же точно мощности природный реактор находится у нас глубоко под ногами, помогут строящиеся нейтринные детекторы таких проектов как SNO+ или LENA.
Тот факт, что ядерные реакции создают поток нейтрино, который невозможно скрыть, наталкивает на мысль использовать нейтринные детекторы как один из способов контроля за атомной энергией, например, для обнаружения «нелегального» ядерного реактора – если вдруг кто-то решится таковой создать. Однако, по мнению специалистов, реализация такой идеи слишком сложна, и в ближайшие десятилетия сотрудникам Международного агентства по атомной энергии придется пользоваться другими методами.
Максим Абаев
Источник: nkj.ru