Ядерный распад дает половину тепла Земли

Ученых всегда волновал вопрос, откуда Земля получает свое внутренне тепло. Узнав источники этого тепла, они попытались выяснить, какой же из них главный. Оказалось, что примерно половину тепла Земля получает от ядерного распада элементов в недрах земной коры и столько же хранит с момента своего образования.

Японские и американские ученые под руководством доктора Итару Шимицу (Itaru Shimizu) из Университета Тохоку в Сендае при помощи нейтринного детектора вычислили количество тепла, которое выделяется из недр Земли в результате распада радиоактивных элементов. «Этот процесс дает примерно 50% от общего количества тепла, которое выделяет наша планета, а это – примерно 44 тераватт. Остальное тепло Земля получила еще в момент своего образования, то есть 4,5 миллиарда лет назад», -- пишут авторы исследования. Так, по их расчетам, в результате ядерного распада урана-238, тория-232 и калия-40 выделяется тепло, энергия которого составляет 24 тераватт.

Поймать нейтрино

Свои исследования Шимицу и его коллеги проводили в рамках крупного проекта KamLAND Collaboration по измерению потоков нейтрино в недрах Земли. С марта 2002 года по ноябрь 2009 года потоки фиксировал специальный детектор, расположенный на километровой глубине в шахте Камиока, в толще горы Икенояма на острове Хонсю. За это время ученые уловили 841 нейтрино. Как объясняет Шимицу, нейтрино – это особые элементарные частицы, которые не имеют массы покоя и электрического заряда, они не способны отрывать электроны от атома и расщеплять ядра. Нейтрино практически не взаимодействует с веществом, поэтому проходят сквозь толщу земной коры никак не видоизменяясь.

Из 841 частицы, которую уловили ученые, почти половина поступала от атомных станций и радиоактивных отходов. Источником еще 245 частиц стали космические лучи, пронизывающие Землю. Остальные 111 частиц, говорит Шимицу, – как раз и образовались в результате ядерного распада урана, тория и калия, и именно они дают 24 тераватт тепла.

Остывание Земли

Эту величину очень важно было вычислить по многим причинам, считают авторы исследования. Поскольку распад радиоактивных элементов происходит с определенной скоростью, по тому количеству тепла, которое сейчас выделяет Земля, можно узнать, сколько тепла она теряла раньше и с какой скоростью продолжит остывать. По словам одного из авторов исследования Дейвида Стивенсона из Калифорнийского Технологического Института в Пасадене, их данные позволяют рассчитать, как будет происходить движение литосферных плит, то есть, как будет меняться расположение материков и очертания океанов. «Движение литосферных плит во многом зависит от количества внутреннего тепла Земли. С количеством этого тепла связана и вулканическая активность», -- говорит Стивенсон.

По его словам, сейчас наша планета остывает приблизительно со скоростью 100 градусов на каждый миллиард лет. Остывание Земли происходит из-за того, что со временем уменьшается количество тепла, которое образуется в результате распада радиоактивных элементов в ее недрах, постепенно рассеивается и тепло, которое Земля хранит с момента своего образования. Так, считает Стивенсон, вероятнее всего, через несколько миллиардов лет, когда затухающие лучи умирающего солнца уже не смогут согревать Землю, внутреннее тепло нашей планеты точно так же иссякнет, и она превратится в холодное и замерзшее небесное тело.

О том, как ученым удалось поймать нейтринные потоки и подсчитать, сколько тепла образуется в результате ядерного распада элементов в земной коре, можно прочитать в последнем номере журнала Nature Geoscience.

текст: Анна Говорова