Borexino er en av femunderjordiske detektorer som registrerer geonøytrinoer idet de fyker gjennom jorda. (Bilde: Borexino calibration)

JORDAS ENERGISAMMENSETNING

Disse underjordiske kjempeballongene skal avsløre jordas energisammensetning

I 2025 får vi svaret, mener forskere.

Til enhver tid strømmer det rundt 46 terawatt (TW) med varme ut fra jordas indre, tilsvarende omtrent 1.486 ganger den installerte kapasiteten i norske vannkraftverk i 2014.

Men hvor i jordas indre kommer varmen fra?

Geofysiker Ondřej Šrámek ved Karlsuniversitetet i Praha og kolleger fra blant annet USA og Kina mener dette snart vil være mulig å finne ut av.

– I 2025 vil vi ha samlet nok data til å finne jordas energisammensetning, sier Šrámek til Teknisk Ukeblad.

Dataene gjør at vi kan få vite hvor lenge energien vil vare, hvor fort jorda avkjøles og hva den består av. Mer om dette senere.

Forskerne har utarbeidet rapporten «Revealing the Earth's mantle from the tallest mountains using the Jinping Neutrino Experiment», publisert i Natures Scientific Reports.

Energipuslespillet

Det er én puslespillbit som mangler før vi kan finne hvordan jordas indre energiproduksjon henger sammen, og dermed kalkulere hvor mye energi som fortsatt er lagret dypt under jordas overflate.

Vi vet at jordas indre varme kommer fra to kilder: Varme som stammer fra avkjøling av jordas kjerne og mantel, pluss energien som frigjøres når radioaktivt materiale i jorda brytes ned. Den radioaktive nedbrytingen foregår nesten utelukkende i de kontinentale jordplatene og i mantelen. Varmebidraget fra radioaktivitet i de kontinentale jordplatene er på omtrent 8 TW.

Forskerne er mye mer usikre på hvor mye energi som kommer fra radioaktivitet i mantelen. Dette er den manglende puslespillbiten. Når vi finner ut av det, vil forskerne også kunne beregne hvor mye varme som stammer fra avkjølingen av jordas kjerne og mantel.

Kjempeballonger

Šrámek og kollegene mener data fra fem store, underjordiske ballonger plassert flere hundre meter under jordas overflate, kan gi gode svar på radioaktiviteten i mantelen allerede i 2025.

Modellen illustrerer KamLAND-detektoren. Inne i stålbeholderen skjuler det seg en nylonballon med 1000 tonn scintillator. 
Modellen illustrerer KamLAND-detektoren. Inne i stålbeholderen skjuler det seg en nylonballon med 1000 tonn scintillator.  Illustrasjon: The KamLAND collaboration

Ballongene fungerer som detektorer for det som kalles geonøytrinoer. Dette er et biprodukt som dannes ved nedbryting av uran og thorium i jorda. Mengden geonøytrinoer relaterer direkte til mengden uran og thorium, noe som gjør at man kan måle den radioaktive energien i mantelen ved å registrere geonøytrinoene.

De underjordiske ballongene inneholder flere hundre tonn med flytende scintillator, et materiale som avgir to karakteristiske lysglimt når det blir truffet av nettopp geonøytrinoer.

Lysglimtene fanges opp av flere hundre fotomultiplikatorer, svært lysfølsomme elektronrør, festet til en beholder som omgir ballongene.

–  Geonøytrinoer har nesten ingen virkning på annen materie og passerer derfor gjennom jorda uten å bli bremset nevneverdig. Samtidig krever registreringen av de svake signalene fra geonøytrinoer minst mulig strålingstøy fra andre kilder. For å isolere detektorene fra kosmisk stråling og stråling fra kjernekraftverk, plasseres de dypt ned i jorda, for eksempel i nedlagte gruver eller andre dype bergrom, forklarer Reidar Trønnes, professor ved Naturhistorisk museum og Senter for jordas utvikling og dynamikk ved Universitetet i Oslo (UiO).

To detektorer i drift

I dag er to detektorer i operasjon:

  • KamLAND: I 2002 begynte KamLAND-detektoren å samle inn data. Den er lokalisert 1000 meter under Mount Ikenoyama, nær byen Toyama i Japan. Detektorens ytre beholder er 18 meter i diameter og er laget av rustfritt stål. På innsiden av beholderen er det montert 1879 fotomultiplikatorer. Disse overvåker den indre ballongen, laget av nylon. Ballongen er 13 meter i diameter, og rommer 1000 tonn med scintillator. Rommet mellom nylonballongen og stålbeholderen er fylt med olje, noe som både beskytter ballongen og hindrer uønsket stråling.
Slik er Borexino designet: Nylon-ballongen er fylt med scintillator, som er beskyttet av to væsker: Pseudocumene (et aromatisk hydrokarbon), og vann. I tillegg ligger den 1400 meter under en fjellkjede i Italia.
Slik er Borexino designet: Nylon-ballongen er fylt med scintillator, som er beskyttet av to væsker: Pseudocumene (et aromatisk hydrokarbon), og vann. I tillegg ligger den 1400 meter under en fjellkjede i Italia. Illustrasjon: Borexino collaboration
  • Borexino: Borexino-detektoren, lokalisert 1400 meter under fjellkjeden Appenninene i Italia, har vært i drift siden 2007. Borexino er bygget litt på samme måte som KamLAND, men er noe mindre. På stålbeholderen er det festet 2200 fotomultiplikatorer, som overvåker en nylonballong fylt med 300 tonn scintillator.

Disse registrerer kun rundt 16 hendelser per år, noe som ikke gir et godt nok datagrunnlag for å kunne si noe presist om den radioaktive energien i mantelen.

En i Canada, to i Kina

I 2022 skal imidlertid tre nye detektorer være i drift. Nær byen Sudbury i Canada begynner Sudbury Neutrino Observatory snart å samle inn data ved hjelp av detektoren SNO+, beliggende 2.070 meter under jorda. Den vil romme 800 tonn scintillator og være overvåket av rundt 10.000 fotomultiplikatorer.

I Kina planlegges to nye detektorer.

China Jinping Underground Laboratory mener de kan ha sin detektor ferdig innen fem år. Den vil romme 4.000 tonn med scintillator. En stor fordel med denne detektoren er lokaliseringen. Den vil ligge hele 2.400 meter under Jinping-fjellet, i Sichuan-provinsen sørvest i Kina. Dette blir den dypeste detektoren, og vil dermed være best skjermet for uønsket stråling.

Her ser du en illustrasjon av tunellene som fører inn til KamLAND (til høyre). KamLAND er en av fem underjordiske detektorer som forskerne mener kan avsløre jordas indre energisammensetning.
Her ser du en illustrasjon av tunellene som fører inn til KamLAND (til høyre). KamLAND er en av fem underjordiske detektorer som forskerne mener kan avsløre jordas indre energisammensetning. Foto: Illustrasjon: The KamLAND collaboration

I 2020 skal den største av detektorene være i drift. Jiangmen Underground Neutrino Observatory bygger en akrylball med en diameter på 34,5 meter, beskyttet av en omkringliggende stålkule. Den vil befinne seg 700 meter under jorda, nær Guangdong-provinsen sør i Kina.

Akrylballen skal fylles av 20.000 tonn scintillator, som overvåkes av 15.000 fotomultiplikatorer.

– Alle disse detektorene sitter i jordskorpen, så omtrent fire av fem registreringer vil være geonøytrinoer fra jordskorpen. Vi er imidlertid interessert i de som kommer fra mantelen, så utfordringen vil være å lage gode modeller for å skille ut disse fra mengden, sier Šrámek.

Ifølge Šrámek skal de tre detektorene tilføre ytterligere rundt 520 registreringer per år. Tre års data skal være nok til å avsløre mantelens radioaktivitet, noe som betyr at vi får svar i 2025.

Slik kan jordens energipuslespill fortone seg, ifølge Trønnes fra UiO. Det er imidlertid mye usikkerhet knyttet til disse anslagene. I 2025 kan vi få bedre svar.

Jordas indre energisammensetning

Men hva betyr egentlig dette svaret? Flere ting, forteller ekspertene.

Ved å ta utgangspunkt i at det strømmer 46 TW varme fra jordas indre, kan man finne jordas indre energisammensetning.

– Hvis man for eksempel finner ut at radioaktiviteten fra mantelen tilsvarer 11-12 TW, og man fra før vet at radioaktiviteten fra de kontinentale jordplatene er på rundt 8 TW, finner man ut at varmen som kommer ved avkjøling av jordas kjerne og mantel er på mellom 26 og 28 TW. Bidraget fra kjernen blir da på rundt 11 TW, mens en sakte avkjøling av mantelen bidrar med omtrent 16 TW, forteller Trønnes ved UiO.

Denne kunnskapen kan bidra til at vi får vite mer om hvorfor jorda er som den er.

– Når vi vet hvor raskt jorda avkjøles, kan vi forbedre modeller for hvordan jorda har utviklet seg og hvordan den kommer til å avkjøles i fremtiden. Dette kan brukes i modeller for jordas evolusjon, forteller Šrámek.

Man kan også finne ut hvor mye energi som fortsatt befinner seg i jordas indre.

– Radioaktiviteten i jorda stammer fra uran og thorium med spesifikke halveringstider. Det betyr at man ved å bestemme den radioaktive varmen fra mantelen ved hjelp av geonøytrinoer, også kan finne ut hvor mye energi som er igjen, sier Trønnes.

– Vi kan rett og slett finne ut hvor lenge energien fra jordas indre vil vare, sier Trønnes.

– Jordas periodiske system åpner seg

Som om ikke det var nok, kan hyppigheten av uran og thorium i mantelen relateres til innholdet av andre grunnstoffer. Dermed vil prosjektet også gi bedre svar på hva planeten vår er laget av.

Reidar Trønnes, professor ved Naturhistorisk museum på Universitetet i Oslo.
Reidar Trønnes, professor ved Naturhistorisk museum på Universitetet i Oslo. Foto: Universitetet i Oslo

– I bunn og grunn kan vi se forekomsten av alle stoffene i det periodiske system. Dagens modeller for jordas sammensetning spriker. Dataene fra detektorene vil eliminere noen modeller og bekrefte andre, sier Šrámek.

Trønnes mener det er mulig å få svarene Šrámek og kollegene ønsker seg innen 2025.

UiO-professoren forteller at forskningen på geonøytrinoer på få år har endret oppfatninger i det geokjemiske miljøet.

– Tidligere var en utbredt oppfatning at radioaktivitet stod for mesteparten av varmestrømmen fra jordas indre. Etter man begynte med forskning på geonøytrinoer, har vi forstått at varmestrømmen i liten grad er koblet til radioaktiviteten. Det har vært en oppvåkningsprosess for mange geokjemikere, sier han.

Selv om man eventuelt finner ut hvor mye drivstoff som finnes i jorda, betyr ikke det nødvendigvis at vi skal være bekymret for at denne energien vil ta slutt.

– Sola vil ta slutt før det skjer. Om rundt fem milliarder år vil sola ese opp til en kjempestjerne og sluke planetene som befinner seg i nærheten, sier Trønnes. 

Kommentarer (1)

Kommentarer (1)