探索地球深处的热

前几天我们为大家介绍了太阳爆发于其内部磁场的关系（链接），从而揭示了太阳内部的一些信息。而地球的内部究竟会是怎么样的结构呢？虽然人类对地球结构有了较为统一的认识，但对于内核的物质结构依然存在争议。我们可以肯定的是，最核心部分处于高温高压的状态，我们常规的固态、液态已经不能定义这些形态了。而这些来自地球深处的物质又散发着巨大的热量，科学家至今尚无弄清楚这些能量的来源，而本文也正是针对课题，为大家介绍科学家研究成果——中微子很可能是热量的来源。

图中是地球内部结构，目前科学家通过多项测量仍未发现50%地球内部热量的具体来源。

地球热量流动地图。

　　在炎热夏季，当你躺着可能感受不到来自地下的热量，但事实上有相当多的热量来自于地下——地球深处。地下热量相当于能量总耗的3倍，并驱动着重要的地质过程，例如：地壳板块运动和表面附近岩浆流动等。但尽管如此，大约一半的地下热量仍是一个未解谜团。

　　中微子是一种极低质量微粒，在地球内部放射过程中释放出来，科学家认为，中微子可能提供揭晓50%地下热量的重要线索，然而问题是科学家几乎无法采集到中微子。目前，科学家在近期发表的《自然通讯》杂志上撰文指出，现在方法已能够做到这一点。

　　地球内部已知热量源自放射性衰变，以及地球最初形成时的余热。依据岩石样本成分的测量报告，源自放射性衰变的地球内部热量具有较高的不确定性，占地球内部总热量的25-90%。

　　神秘粒子

　　放射性物质中的原子具有不稳定原子核，这意味着通过释放核辐射，它们可以分裂（衰减至稳定状态），其中一些核辐射可以转换为热量。这种辐射包含具有特殊能量的不同微粒，它们取决于所释放的物质——包括中微子。当放射性元素在地壳和地幔中衰变时，会释放出“地球-中微子”。事实上，每秒地球会辐射1万亿个这样的微粒进入太空，测量这些能量将揭晓何种物质制造它们，从而呈现地球隐藏内部结构的具体成分。

　　地球内部主要放射来源是不稳定的铀、钍和钾，这是我们基于地面以下200公里处的岩石样本所掌握的，然而隐藏在地下更深处的放射来源尚不清楚。我们知道当铀衰变时释放地球-中微子的能量将远大于钾分裂时释放的能量，因此通过测量地球-中微子能量，我们能够知道它们来自于什么类型的放射性物质。事实上，这是一种更简单的方法计算地球内部状况，而不是从地面向下钻探几十公里深。

　　遗憾的是，地球-中微子是非常难以探测的，它们不像内部探测器与普通物质发生交互关系，它们仅是直接穿过普通物质。这就是为什么2003年科学家设置一个巨大地下探测器装满大约1000吨液体，才首次观测到地球-中微子，该探测器能记录液体中与原子发生碰撞的中微子。

　　此后仅有一项实验使用类似的技术观测到地球-中微子，这两项测量表明，大约一半的地球内部热量是放射性活动过程产生的，铀和钍衰变可以解释该放射活动，然而，剩下50%的地球内部热量仍是一个未解谜团。

　　迄今为止，测量数据仍无法测量钾衰变产生的热量，该过程释放的中微子能量很低，所以热量的剩余部分来自于钾衰变过程。

　　技术

　　我们研究表明，我们通过测量地球-中微子源自的地球方向，以及它的能量，能够绘制出地球内部热量流动地图。这听起来很简单，但是存在的技术挑战非常大，需要新的粒子探测技术。

　　我们提议使用充气“时间投影探测器”，启动该探测器，能够制造地球-中微子与探测器内部气体碰撞的3D图像，该过程从一个气体原子中分解出一个电子。这种电子运动可随着时间的推移而被跟踪，重建该过程的时间维度。之后高分辨率成像技术能重建该运动的两个空间维度，在当前使用的液体探测器中，短距离碰撞可以释放粒子（因为它们处于液体之中），但是粒子传播的方向不能确定。

　　类似的探测器，在更小的范围内，可用于精确测量中微子的相互作用，并用于搜寻暗物质。我们计算表明，该探测器的体积大小需要满足放射性钾产生地球-中微子的条件，预计探测器重量为20吨。为了首次精确地绘制地幔成分地图，该探测器的质量应当达到200吨，目前我们已建造这样的探测器原型，并积极扩大建造规模。

　　用这种方法测量地球-中微子将有助于绘制地球内部热量流动，通过评估放射性元素浓度，将帮助我们理解地球内核演变，同时，还将揭晓长期存在的谜团——产生地球磁场的外核中，驱动对流的热量来源。地球磁场对于保护地球生命免遭太阳有害辐射具有重要意义。

　　我们对地球内部状况了解甚少，这些测量令科学家兴奋，测量数据将最终揭晓隐藏在地球内部的运行状况。

小编有个大胆的想法，如果这些能量可以加以利用，那么……