La Terra genera calore. Più vai in profondità, maggiore è la temperatura. A 25 km di discesa, le temperature salgono fino a 750°C; al centro, si dice che sia 4, 000°C. Gli umani hanno fatto uso di sorgenti termali fin dall'antichità, e oggi utilizziamo la tecnologia geotermica per riscaldare i nostri appartamenti. Eruzioni vulcaniche, geyser e terremoti sono tutti segni della centrale elettrica interna della Terra.

Il flusso di calore medio dalla superficie terrestre è di 87 mW/m ² - questo è, 1/10, 000esimo dell'energia ricevuta dal sole, il che significa che la terra emette un totale di 47 terawatt, l'equivalente di diverse migliaia di centrali nucleari. La fonte del calore terrestre è rimasta a lungo un mistero, ma ora sappiamo che la maggior parte è il risultato della radioattività.

La nascita degli atomi

Per capire da dove viene tutto questo calore, dobbiamo tornare alla nascita degli elementi atomici.

Il Big Bang ha prodotto materia sotto forma di protoni, neutroni, elettroni, e neutrini. Ci sono voluti circa 370, 000 anni per la formazione dei primi atomi:i protoni hanno attratto gli elettroni, produzione di idrogeno. Altro, nuclei più pesanti, come il deuterio e l'elio, formata contemporaneamente, in un processo chiamato nucleosintesi del Big Bang.

La creazione di elementi pesanti è stata molto più ardua. Primo, nacquero stelle e nuclei pesanti si formarono per accrescimento nel loro crogiolo infuocato. Questo processo, chiamata nucleosintesi stellare, ci sono voluti miliardi di anni. Quindi, quando le stelle sono morte, questi elementi si diffondono nello spazio per essere catturati sotto forma di pianeti.

La composizione della terra è quindi molto complessa. Fortunatamente per noi, e la nostra esistenza, include tutti gli elementi naturali, dall'atomo più semplice, idrogeno, ad atomi pesanti come l'uranio, e tutto il resto, carbonio, ferro:l'intera tavola periodica. Dentro le viscere della terra c'è un'intera panoplia di elementi, disposti all'interno di vari strati simili a cipolle.

Sappiamo poco dell'interno del nostro pianeta. Le miniere più profonde raggiungono al massimo 10 km, mentre la terra ha raggio 6, 500 km. La conoscenza scientifica dei livelli più profondi è stata ottenuta attraverso misurazioni sismiche. Utilizzando questi dati, geologo ha diviso la struttura della terra in vari strati, con il nucleo al centro, solido all'interno e liquido all'esterno, seguito dai manti inferiore e superiore e, finalmente, la crosta. La terra è fatta di pesanti, elementi instabili ed è quindi radioattivo, il che significa che c'è un altro modo per scoprire le sue profondità e capire la fonte del suo calore.

Cos'è la radioattività?

La radioattività è un fenomeno naturale comune e inevitabile. Tutto sulla terra è radioattivo, vale a dire, tutto produce spontaneamente particelle elementari (gli esseri umani ne emettono qualche migliaio al secondo). Ai tempi di Marie Curie, nessuno aveva paura della radioattività.

Anzi, si diceva avesse effetti benefici:le creme di bellezza erano certificate radioattive e la letteratura contemporanea esaltava le proprietà radioattive dell'acqua minerale. Maurice Leblanc scrisse di una sorgente termale che salvò il suo protagonista Arsène Lupin durante una delle sue avventure:"L'acqua conteneva una tale energia e potenza da renderla una vera e propria fonte di giovinezza, proprietà derivanti dalla sua incredibile radioattività." (Maurice Leblanc, "La demoiselle aux yeux verts", 1927)

Esistono vari tipi di radioattività, ciascuno comporta il rilascio spontaneo di particelle ed emette energia che può essere rilevata sotto forma di depositi di calore. Qui, parleremo di decadimento "beta", dove vengono emessi un elettrone e un neutrino. L'elettrone viene assorbito non appena viene prodotto, ma il neutrino ha la sorprendente capacità di penetrare in un'ampia gamma di materiali. Tutta la Terra è trasparente ai neutrini, quindi rilevare i neutrini generati dal decadimento radioattivo all'interno della Terra dovrebbe darci un'idea di ciò che sta accadendo ai suoi livelli più profondi.

Questi tipi di particelle sono chiamati geoneutrini, e forniscono un modo originale per investigare le profondità della Terra. Sebbene individuarli non sia facile, poiché i neutrini interagiscono poco con la materia, alcuni rivelatori sono abbastanza sostanziali per eseguire questo tipo di ricerca.

I geoneutrini derivano principalmente da elementi pesanti con emivite molto lunghe, le cui proprietà sono ora completamente comprese attraverso studi di laboratorio:principalmente uranio, torio e potassio. Il decadimento di un nucleo di uranio-238, Per esempio, rilascia in media 6 neutrini, e 52 megaelettronvolt di energia trasportati dalle particelle rilasciate che poi si depositano nella materia e depositano calore. Ogni neutrino trasporta circa due megaelettronvolt di energia. Secondo misure standardizzate, un megaelettronvolt equivale a 1,6 10 ^-13 joule, quindi ci vorrebbero circa 10 ²⁵ decade al secondo per raggiungere il calore totale della terra. La domanda è, si possono rilevare questi neutrini?

Rilevamento di geoneutrini

In pratica, dobbiamo effettuare misurazioni aggregate nel sito di rilevamento dei flussi provenienti da tutte le direzioni. È difficile accertare l'esatta provenienza dei flussi, poiché non possiamo misurare la loro direzione. Dobbiamo usare modelli per creare simulazioni al computer. Conoscere lo spettro energetico di ogni modalità di decadimento e modellare la densità e la posizione dei vari strati geologici che influenzano il risultato finale, otteniamo uno spettro complessivo di neutrini attesi che poi deduciamo dal numero di eventi previsti per un dato rivelatore. Questo numero è sempre molto basso:solo una manciata di eventi per kiloton di rivelatore all'anno.

Alla ricerca si sono aggiunti due recenti esperimenti:KamLAND, un rilevatore del peso di 1, 000 tonnellate sotto una montagna giapponese, e Borexino, che si trova in un tunnel sotto il Gran Sasso in Italia e pesa 280 tonnellate. Entrambi usano "scintillatori liquidi". Per rilevare i neutrini dalla terra o dal cosmo, hai bisogno di un metodo di rilevamento che sia efficace a basse energie; questo significa eccitare atomi in un liquido scintillante. I neutrini interagiscono con i protoni, e le particelle risultanti emesse producono luce osservabile.

KamLAND ha annunciato più di 100 eventi e Borexino circa 20 che potrebbero essere attribuiti ai geoneutrini, con un fattore di incertezza del 20-30%. Non possiamo individuare la loro fonte, ma questa misurazione complessiva, sebbene abbastanza approssimativa, è in linea con le previsioni delle simulazioni, nei limiti delle basse statistiche ottenute.

Perciò, l'ipotesi tradizionale di una specie di reattore nucleare al centro della terra, costituito da una palla di uranio fissile come quelle delle centrali nucleari, ora è stato escluso. La fissione non è una radioattività spontanea ma è stimolata da neutroni lenti in una reazione a catena.

Ora ci sono nuovi, rivelatori più efficaci in fase di sviluppo:SNO+ del Canada, e la cinese Giunone, che migliorerà la nostra conoscenza dei geoneutrini.

"Lungi dal sminuirlo, aggiungere l'invisibile al visibile non fa che arricchire quest'ultimo, gli dà significato, lo completa." (Paul Claudel, "Posizioni e proposte", 1928)

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.