隱藏在地球內部的秘密：50％熱量來源仍是未解謎團

圖中是地球內部結構，目前科學家通過多項測量仍未發現50%地球內部熱量的具體來源。

地球熱量流動地圖。

在炎熱夏季當你躺著可能感受不到來自地下的熱量，但事實上有相當多的熱量來自於地下——地球深處。地下熱量相當於能量總耗的3倍，並驅動著重要的地質過程，例如：地殼板塊運動和表面附近岩漿流動等。但儘管如此，大約一半的地下熱量仍是一個未解謎團。

中微子是一種極低質量微粒，在地球內部放射過程中釋放出來，科學家認為，中微子可能提供揭曉50%地下熱量的重要線索，然而問題是科學家幾乎無法採集到中微子。目前，科學家在近期發表的《自然通訊》雜誌上撰文指出，現在最新方法已能夠做到這一點。

地球內部已知熱量源自放射性衰變，以及地球最初形成時的餘熱。依據岩石樣本成分的測量報告，源自放射性衰變的地球內部熱量具有較高的不確定性，佔地球內部總熱量的25-90%。

神秘粒子

放射性物質中的原子具有不穩定原子核，這意味著通過釋放核輻射，它們可以分裂（衰減至穩定狀態），其中一些核輻射可以轉換為熱量。這種輻射包含具有特殊能量的不同微粒，它們取決於所釋放的物質——包括中微子。當放射性元素在地殼和地幔中衰變時，會釋放出「地球-中微子」。事實上，每秒地球會輻射1萬億個這樣的微粒進入太空，測量這些能量將揭曉何種物質製造它們，從而呈現地球隱藏內部結構的具體成分。

地球內部主要放射來源是不穩定的鈾、釷和鉀，這是我們基於地面以下200公里處的岩石樣本所掌握的，然而隱藏在地下更深處的放射來源尚不清楚。我們知道當鈾衰變時釋放地球-中微子的能量將遠大於鉀分裂時釋放的能量，因此通過測量地球-中微子能量，我們能夠知道它們來自於什麼類型的放射性物質。事實上，這是一種更簡單的方法計算地球內部狀況，而不是從地面向下鑽探幾十公里深。

遺憾的是，地球-中微子是非常難以探測的，它們不像內部探測器與普通物質發生交互關係，它們僅是直接穿過普通物質。這就是為什麼2003年科學家設置一個巨大地下探測器裝滿大約1000噸液體，才首次觀測到地球-中微子，該探測器能記錄液體中與原子發生碰撞的中微子。

此後僅有一項實驗使用類似的技術觀測到地球-中微子，這兩項測量表明，大約一半的地球內部熱量是放射性活動過程產生的，鈾和釷衰變可以解釋該放射活動，然而，剩下50%的地球內部熱量仍是一個未解謎團。

迄今為止，測量數據仍無法測量鉀衰變產生的熱量，該過程釋放的中微子能量很低，所以熱量的剩餘部分來自於鉀衰變過程。

最新技術

我們最新研究表明，我們通過測量地球-中微子源自的地球方向，以及它的能量，能夠繪製出地球內部熱量流動地圖。這聽起來很簡單，但是存在的技術挑戰非常大，需要新的粒子探測技術。

我們提議使用充氣「時間投影探測器」，啟動該探測器，能夠製造地球-中微子與探測器內部氣體碰撞的3D圖像，該過程從一個氣體原子中分解出一個電子。這種電子運動可隨著時間的推移而被跟蹤，重建該過程的時間維度。之後高解析度成像技術能重建該運動的兩個空間維度，在當前使用的液體探測器中，短距離碰撞可以釋放粒子（因為它們處於液體之中），但是粒子傳播的方向不能確定。

類似的探測器，在更小的範圍內，可用於精確測量中微子的相互作用，並用於搜尋暗物質。我們計算表明，該探測器的體積大小需要滿足放射性鉀產生地球-中微子的條件，預計探測器重量為20噸。為了首次精確地繪製地幔成分地圖，該探測器的質量應當達到200噸，目前我們已建造這樣的探測器原型，並積極擴大建造規模。

用這種方法測量地球-中微子將有助於繪製地球內部熱量流動，通過評估放射性元素濃度，將幫助我們理解地球內核演變，同時，還將揭曉長期存在的謎團——產生地球磁場的外核中，驅動對流的熱量來源。地球磁場對於保護地球生命免遭太陽有害輻射具有重要意義。

我們對地球內部狀況了解甚少，這些最新測量令科學家興奮，測量數據將最終揭曉隱藏在地球內部的運行狀況。（葉傾城）

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