Теплота Земли. Вероятные источники внутренней теплоты

Геотермия – наука, изучающая тепловое поле Земли. Средняя температура поверхности Земли имеет общую тенденцию к уменьшению. Три млрд. лет назад средняя температура на поверхности Земли составляла 71 о, сейчас – 17 о. Источниками теплового (термического) поля Земли являются внутренние и внешние процессы. Теплота Земли вызывается солнечной радиацией и зарождается в недрах планеты. Величины притока тепла от обоих источников количественно крайне неодинаковы и различны их роли в жизни планеты. Солнечный нагрев Земли составляет 99,5% от всей суммы тепла, получаемого ее поверхностью, а на долю внутреннего нагревания приходится 0,5 %. К тому же приток внутреннего тепла очень неравномерно распределен на Земле и сосредоточен в основном в местах проявления вулканизма.

Внешний источник - это солнечная радиация. Половина солнечной энергии поглощается поверхностью, растительностью и приповерхностным слоем земной коры. Другая половина отражается в мировое пространство. Солнечная радиация поддерживает температуру поверхности Земли в среднем около 0 0 С. Солнце прогревает приповерхностный слой Земли на глубину в среднем 8 – 30 м, при средней глубине в 25 м, влияние солнечного тепла прекращается и температура становится постоянной (нейтральный слой). Глубина эта минимальна в зонах с морским климатом и максимальна в Приполярье. Ниже этой границы располагается пояс постоянной температуры, соответствующей средней годовой температуры данной местности. Так, например, в Москве на территории сельхоз. академии им. Тимирязева, на глубине 20 м температура с 1882 г неизменно сохраняется равной 4,2 о С. В Париже на глубине 28 м термометр уже более 100 лет неизменно показывает 11,83 о С. Слой с постоянной температурой самый глубокий там, где развита многолетняя (вечная) мерзлота. Ниже пояса постоянной температуры следует зона геотермии, для которой свойственно тепло, генерируемое самой Землей.

Внутренними источниками являются недра Земли. Земля излучает в мировое пространство больше тепла, чем она получает от Солнца. К внутренним источникам относят остаточное тепло с того времени, когда планета была расплавлена, тепло термоядерных реакций, протекающих в недрах Земли, тепло гравитационного сжатия Земли под действием силы тяжести, тепло химических реакций и процессов кристаллизации и др. (например приливное трение). Тепло из недр идет в основном из подвижных зон. Увеличение температуры с глубиной связано с существованием внутренних источников тепла – распадом радиоактивных изотопов – U, Th, K, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, экзотермическими окислительно-восстановительными химическими реакциями, метаморфизмом и фазовыми переходами. Скорость возрастания температуры с глубиной определяется рядом факторов – теплопроводностью, проницаемостью горных пород, близостью вулканических очагов и т.п.

Ниже пояса постоянных температур идет повышение температуры, в среднем 1 о на 33 м (геотермическая ступень ) или на 3 о через каждые 100 м (геотермический градиент ). Эти величины являются показателями теплового поля Земли. Понятно, что эти величины средние и разные по величине в различных областях или зонах Земли. Геотермическая ступень в различных точках Земли различна. Например, в Москве – 38,4 м, в Ленинграде 19,6, в Архангельске – 10. Так, при бурении глубокой скважины на Кольском полуострове на глубине в 12 км предполагали температуру 150 о, в действительности она оказалась порядка 220 градусов. При бурении скважин в северном Прикаспии на глубине 3000 м предполагали температуру 150 о градусов, а она оказалась 108 о.

Следует отметить, что климатические особенности местности и среднегодовая температура не влияют на изменение величины геотермической ступени, причины кроются в следующем:

1) в различной теплопроводности горных пород, слагающих тот или иной район. Под мерой теплопроводности понимают количество тепла в калориях, передаваемое в 1 сек. Через сечение в 1 см 2 при градиенте температуры в 1 о С;

2) в радиоактивности горных пород, чем больше теплопроводность и радиоактивность, тем меньше геотермическая ступень;

3) в различных условиях залегания горных пород и возрасте нарушения их залегания; наблюдения показали, что температура нарастает быстрее в слоях собранных в складки, в них чаще бывают нарушения (трещины), по которым облегчается доступ тепла из глубин;

4) характером подземных вод: потоки горячих подземных вод прогревают горные породы, холодные – охлаждают;

5) удаленностью от океана: около океана за счет охлаждения горных пород массой воды, геотермическая ступень больше, а на контакте – меньше.

Знание конкретной величины геотермической ступени имеет большое практическое значение.

1. Это важно при проектировании шахт. В одних случаях нужно будет принимать меры для искусственного понижения температуры в глубоких выработках (температура – 50 о С является предельной для человека при сухом воздухе и 40 о С при влажном); в других – можно будет вести работы на больших глубинах.

2. Большое значение имеет оценка температурных условий при проходке туннелей в горных местностях.

3. Изучение геотермических условий недр Земли дает возможность использовать пар и горячие источники, выходящие на поверхность Земли. Подземное тепло используется, например, в Италии, Исландии; в России на природном тепле построена на Камчатке экспериментально-промышленная электростанция.

Используя данные о величине геотермической ступени, можно сделать некоторые предположения о температурных условиях глубоких зон Земли. Если принять среднюю величину геотермической ступени за 33 м и допустить, что увеличение температуры с глубиной происходит равномерно, то на глубине 100 км будет температура 3000 о С. Эта температура превышает точки плавления всех веществ известных на Земле, следовательно на этой глубине должны быть расплавленные массы. Но за счет огромного давления 31000 атм. Перегретые массы не имеют признаков, свойственных жидкостей, а наделены признаками твердого тела.

С глубиной геотермическая ступень видимо должна значительно увеличиваться. Если считать, что ступень не меняется с глубиной, то температура в центре Земли должна составлять порядка 200 000 о градусов, а по расчетам она не может превышать 5000 - 10 000 о.

Термин “геотермальная энергия” происходит от греческого слова земля (гео) и тепловой (термальный). По сути, геотермальная энергия исходит из самой земли . Тепло от ядра земли, температура которого в среднем составляет 3600 градусов Цельсия, излучается в сторону поверхности планеты.

Обогрев источников и гейзеров под землей на глубине в несколько километров может осуществляться с помощью специальных скважин, через которые поступает горячая вода (или пар от неё) до поверхности, где она может использоваться непосредственно как тепло или косвенно для выработки электроэнергии путем включения вращающихся турбин.

Так как вода под поверхностью земли постоянно пополняется, а ядро Земли будет продолжать вырабатывать тепло относительно человеческой жизни бесконечно, геотермальная энергия,в конечном счете, чистая и возобновляемая.

Методы сбора энергетических ресурсов Земли

Сегодня есть три основных метода сбора геотермальной энергии: сухой пар, горячая вода и бинарный цикл. Процесс с сухим паром прямо вращает привода турбин генераторов электроэнергии. Горячая вода поступает снизу вверх, затем распыляется в бак, чтобы создать пар для привода турбин. Эти два метода являются наиболее распространенными, генерируя сотни мегаватт электроэнергии в США, Исландии, Европе, России и других странах. Но расположение ограничено, так как эти заводы работают только в тектонических регионах, где легче получить доступ к подогретой воде.

При технологии бинарного цикла извлекается на поверхность теплая (не обязательно горячая) вода и объединяют её с бутаном или пентаном, который имеет низкую температуру кипения. Эта жидкость перекачивается через теплообменник, где испаряется и направляется через турбину перед рециркуляцией обратно в систему. Технологии бинарного цикла дает десятки мегаватт электроэнергии в США: Калифорнии, Неваде и на Гавайских островах.

Принцип получения энергии

Недостатки получения геотермальной энергии

На уровне полезности, геотермальные электростанции являются дорогостоящими, чтобы построить и работать. Для поиска подходящего места требуется дорогостоящее обследование скважин без гарантии попадания в продуктивную подземную горячую точку. Тем не менее, аналитики ожидают увеличения этой мощности почти вдвое в течение следующих шести лет.

Кроме того районы с высокой температурой подземного источника находятся в районах с активными геологохимическими вулканами. Эти «горячие точки» образовались на границах тектонических плит в местах, где кора достаточно тонкая. Тихоокеанский регион, часто называют как кольцо огня для многих вулканов, где есть много горячих точек, в том числе на Аляске, Калифорнии и Орегоне. Невада имеет сотни горячих точек, охватывающих большую часть северной части США.

Есть и другие сейсмически активные районы. Землетрясения и движение магмы позволяют воде циркулировать. В некоторых местах вода поднимается к поверхности и природные горячие источники и гейзеры происходят, такие, как на Камчатке. Вода в гейзерах Камчатки достигает 95° C.

Одна из проблем открытой системы гейзеров является выделение некоторых загрязнителей воздуха. Сульфид водорода - токсичный газ с очень узнаваемым запахом «тухлого яйца» - небольшое количество мышьяка и минералов, выпущенных с паром. Соль также может представлять экологическую проблему.

На геотермальных электростанциях расположенных в море значительное количество мешающей соли накапливается в трубах. В замкнутых системах нет выбросов и возвращается вся жидкость доведенная до поверхности.

Экономический потенциал энергоресурса

Сейсмически активные точки не являются единственными местами, где можно найти геотермальную энергию. Существует постоянный запас полезного тепла для целей прямого нагрева на глубине везде от 4 метров до нескольких километров ниже поверхности практически в любом месте на земле. Даже земля на собственном заднем дворе или в местной школе имеет экономический потенциал в виде тепла, чтобы выдавать в дом или другие здания.

Кроме того существует огромное количество тепловой энергии в сухих скальных образованиях очень глубоко под поверхностью (4 – 10 км).

Использование новой технологии может расширить геотермальные системы, где люди смогут использовать это тепло для производства электроэнергии в гораздо большем масштабе, чем обычные технологии. Первые демонстрационные проекты этого принципа получения электричества показаны в Соединенных Штатах и Австралии еще в 2013 году.

Если полный экономический потенциал геотермальных ресурсов может быть реализован, то это будет представлять огромный источник электроэнергии для производственных мощностей. Ученые предполагают, что обычные геотермальные источники имеют потенциал 38 000 МВт, который может производить 380 млн МВт электроэнергии в год.

Горячие сухие породы залегают на глубинах от 5 до 8 км везде под землей и на меньшей глубине в определенных местах. Доступ к этим ресурсам предполагает введение холодной воды, циркулирующей через горячие скальные породы и отвода нагретой воды. В настоящее время нет коммерческого применения этой технологии. Существующие технологии пока не позволяют восстанавливать тепловую энергию непосредственно из магмы, очень глубоко, но это самый мощный ресурс геотермальной энергии .

С комбинацией энергоресурсов и ее последовательности, геотермальная энергия может играть незаменимую роль как более чистая, более устойчивая энергетическая система.

Конструкции геотермальных электростанций

Геотермальная энергия — это чистое и устойчивое тепло от Земли. Большие ресурсы находятся в диапазоне в нескольких километрах под поверхностью земли, и еще глубже, до высокой температуры расплавленной породы, называемой магмой. Но как описано выше люди пока не добрались к магме.

Три конструкции геотермальных электростанций

Технология применения определяется ресурсом. Если вода поступает из скважины как пар, она может использоваться непосредственно. Если горячая вода достаточно высокой температуры она должна пройти через теплообменник.

Первая скважина для производства энергии была пробурена до 1924 года. Более глубокие скважины были пробурены в 1950-х, но реальное развитие происходит в 1970-х и 1980-х годов.

Прямое использование геотермального тепла

Геотермальные источники также могут использоваться непосредственно для целей отопления. Горячая вода используется для обогрева зданий, выращивания растений в теплицах, сушки рыбы и сельскохозяйственных культур, улучшение добычи нефти, помощи в промышленных процессах как пастеризаторы молока и обогрев воды на рыбных фермах. В США Кламат-Фолс, штат Орегон и Бойсе, Айдахо геотермальная вода используется для обогрева домов и зданий более века. На восточном побережье, город Уорм-Спрингс, Вирджиния получает тепло непосредственно из родниковой воды, используя источники тепла на одном из местных курортов.

В Исландии практически каждое здание в стране нагревается горячей родниковой водой. В самом деле Исландия получает более 50 процентов первичной энергии из геотермальных источников. В Рейкьявике, например, (население 118 тыс. чел), горячая вода передается по конвейеру на 25 километров, и жители используют её для отопления и естественных нужд.

Новая Зеландия, получает 10% своей электроэнергии дополнительно. находится в недостаточном развитии, несмотря на наличие термальных вод.

Данная энергия относится к альтернативным источникам. В наши дни всё чаще упоминают о возможностях получения ресурсов, которые дарит нам планета. Можно сказать, что мы живем в эпоху моды на возобновляемую энергетику. Создается множество технических решений, планов, теорий в данной области.

Он находится глубоко в земляных недрах и имеет свойства возобновления, другими словами он бесконечный. Классические ресурсы, по данным учёных начинают заканчиваться, иссякнет нефть, уголь, газ.

Несьявеллир ГеоТЭС, Исландия

Поэтому можно постепенно готовиться принимать на вооружение новые альтернативные методы добычи энергии. Под земной корой находится мощное ядро. Его температура составляет от 3000 до 6000 градусов. Перемещение литосферных плит демонстрирует его огромнейшую силу. Она проявляется в виде вулканического выплескивания магмы. В недрах происходит радиоактивный распад, побуждающий иногда к таким природным катаклизмам.

Обычно магма нагревает поверхность не выходя за её пределы. Так получаются гейзеры или теплые бассейны воды. Таким образом, можно использовать физические процессы в нужных целях для человечества.

Виды источников геотермальной энергии

Её принято разделять на два вида: гидротермальную и петротермальную энергию. Первый образуется за счет теплых источников, а второй тип – это разница температур на поверхности и в глубине земли. Объясняя своими словами, гидротермальный источник состоит из пара и горячей воды, а петротермальный спрятан глубоко под грунтом.

Карта потенциала развития геотермальной энергетики в мире

Для петротермальной энергии необходимо пробурить две скважины, одну наполнить водой, после чего произойдет процесс парения, который выйдет на поверхность. Существует три класса геотермальных районов:

• Геотермальный – расположен вблизи континентальных плит. Градиент температуры более 80С/км. В качестве примера, итальянская коммуна Лардерелло. Там размещена электростанция
• Полутермальный – температура 40 – 80 С/км. Это естественные водоносные пласты, состоящие из раздробленных пород. В некоторых местах Франции обогреваются таким способом здания
• Нормальный – градиент менее 40 С/км. Представительство таких районов наиболее распространено

Они являются отличным источником для потребления. Они находятся в горной породе, на определенной глубине. Более подробно рассмотрим классификацию:

• Эпитермальные – температура от 50 до 90 с
• Мезотермальные – 100 – 120 с
• Гипотермальные – более 200 с

Данные виды состоят из разного химического состава. В зависимости от него, можно использовать воды для различных целей. Например, в производстве электроэнергии, теплообеспечении (тепловые трассы), сырьевой базе.

Видео: Геотермальная энергия

Процесс теплоснабжения

Температура воды 50 -60 градусов, является оптимальной для отопления и горячего снабжения жилого массива. Нужда в отопительных системах зависит от географического расположения и климатических условий. А в потребностях ГВС люди нуждаются постоянно. Для этого процесса сооружаются ГТС (геотермальные тепловые станции).

Если для классического производства тепловой энергии используется котельная, потребляющая твёрдое или газовое топливо, то при данном производстве используется гейзерный источник. Технический процесс очень простой, те же коммуникации, тепловые трассы и оборудование. Достаточно пробурить скважину, очистить её от газов, далее насосами направить в котельную, где будет поддерживаться температурный график, а после она попадёт в теплотрассу.

Главное отличие в том, что нет необходимости использовать топливный котлоагрегат. Это существенно снижает себестоимость тепловой энергии. Зимой абоненты получают тепло и горячее водоснабжение, а летом только ГВС.

Производство электроэнергии

Горячие источники, гейзеры служат основным компонентами в производстве электричества. Для этого применяется несколько схем, сооружаются специальные электростанции. Устройство ГТС:

• Бак ГВС
• Насос
• Газоотделитель
• Паросепаратор
• Генерирующая турбина
• Конденсатор
• Повысительный насос
• Бак – охладитель

Как видим основным элементом схемы, является паровой преобразователь. Это позволяет получать очищенный пар, так как в нем содержатся кислоты, разрушающие оборудование турбин. Существует возможность применение смешанной схемы в технологическом цикле, то есть вода и пар участвуют в процессе. Жидкость проходит всю стадию очистки от газов, так же как и пар.

Схема с бинарным источником

Рабочим компонентом является жидкость с низкой температурой кипения. Термальная вода также участвует в производстве электроэнергии и служит второстепенным сырьем.

С её помощью образуется пар низкокипящего источника. ГТС с таким циклом работы могут быть полностью автоматизированы и не требовать наличия обслуживающего персонала. Более мощные станции используют двухконтурную схему. Такой вид электростанций позволяет выходить на мощность 10 МВт. Двухконтурная структура:

• Паровой генератор
• Турбина
• Конденсатор
• Эжектор
• Питательный насос
• Экономайзер
• Испаритель

Практическое применение

Огромные запасы источников во много раз превосходят ежегодное потребление энергии. Но лишь малая доля используется человечеством. Строительство станций датировано 1916 годом. В Италии была создана первая ГеоТЭС мощностью 7,5 МВт. Отрасль активно развивается в таких странах как: США, Исландия, Япония, Филиппины, Италия.

Ведутся активные изучение потенциальных мест и более удобные методы добывания. Из года в год растёт производственная мощность. Если брать в расчёт экономический показатель, то себестоимость такой отрасли равна угольным ТЭС. Исландия практически полностью покрывает коммунально-жилой фонд ГТ-источником. 80 % домов для отопления используют горячую воду из скважин. Эксперты из США утверждают, что при должном развитии ГеоТЭС могут произвести в 30 раз больше ежегодного потребления. Если говорить о потенциале, то 39 стран мира смогут полностью себя обеспечить электроэнергией, если на 100 процентов используют недра земли.

И.М. Капитонов

Ядерное тепло Земли

Земное тепло

Земля – довольно сильно нагретое тело и является источником тепла. Она нагревается, прежде всего, за счёт поглощаемого ею солнечного излучения. Но Земля имеет и собственный тепловой ресурс сопоставимый с получаемым теплом от Солнца. Считается, что эта собственная энергия Земли имеет следующее происхождение. Земля возникла около 4.5 млрд лет назад вслед за образованием Солнца из вращающегося вокруг него и уплотняющегося протопланетного газо-пылевого диска. На раннем этапе своего формирования происходил разогрев земной субстанции за счёт сравнительно медленного гравитационного сжатия. Большую роль в тепловом балансе Земли играла также энергия, выделявшаяся при падении на неё мелких космических тел. Поэтому молодая Земля была расплавленной. Остывая, она постепенно пришла к своему нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью, значительная часть которой покрыта океаническими и морскими водами. Этот твёрдый наружный слой называют земной корой и в среднем на участках суши его толщина около 40 км, а под океаническими водами – 5-10 км. Более глубокий слой Земли, называемый мантией , также состоит из твёрдого вещества. Он простирается на глубину почти до 3000 км и в нём содержится основная часть вещества Земли. Наконец самая внутренняя часть Земли – это её ядро . Оно состоит из двух слоёв – внешнего и внутреннего. Внешнее ядро это слой расплавленного железа и никеля при температуре 4500-6500 K толщиной 2000-2500 км. Внутреннее ядро радиусом 1000-1500 км представляет собой нагретый до температуры 4000-5000 K твёрдый железо-никелевый сплав плотностью около 14 г/см 3 , возникший при огромном (почти 4 млн бар) давлении.
Помимо внутреннего тепла Земли, доставшегося её в наследство от самого раннего горячего этапа её формирования, и количество которого должно уменьшаться со временем, существует и другой, – долговременный, связанный с радиоактивным распадом ядер с большим периодом полураспада – прежде всего, 232 Th, 235 U, 238 U и 40 K. Энергия, выделяющаяся в этих распадах – на их долю приходится почти 99% земной радиоактивной энергии – постоянно пополняет тепловые запасы Земли. Вышеперечисленные ядра содержатся в коре и мантии. Их распад приводит к нагреву как внешних, так и внутренних слоёв Земли.
Часть огромного тепла, содержащегося внутри Земли, постоянно выходит на её поверхность часто в весьма масштабных вулканических процессах. Тепловой поток, вытекающий из глубин Земли через её поверхность известен. Он составляет (47±2)·10 12 Ватт , что эквивалентно теплу, которое могут генерировать 50 тысяч атомных электростанций (средняя мощность одной АЭС около 10 9 Ватт). Возникает вопрос, играет ли какую-либо существенную роль радиоактивная энергия в полном тепловом бюджете Земли и если играет, то какую? Ответ на эти вопросы долгое время оставался неизвестным. В настоящее время появились возможности ответить на эти вопросы. Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино (антинейтрино), которые рождаются в процессах радиоактивного распада ядер, входящих в состав вещества Земли и которые получили название гео-нейтрино .

Гео-нейтрино

Гео-нейтрино – это объединённое название нейтрино или антинейтрино, которые испускаются в результате бета-распада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности, регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли. Примером такого распада является β − -распад ядра 228 Ra, которое является продуктом α-распада долгоживущего ядра 232 Th (см. таблицу):

Период полураспада (T 1/2) ядра 228 Ra равен 5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет около 46 кэВ. Энергетический спектр антинейтрино непрерывен с верхней границей близкой к выделяющейся энергии.
Распады ядер 232 Th, 235 U, 238 U представляют собой цепочки последовательных распадов, образующих так называемые радиоактивные ряды . В таких цепочках α-распады перемежаются β − -распадами, так как при α-распадах конечные ядра оказываются смещёнными от линии β-стабильности в область ядер, перегруженных нейтронами. После цепочки последовательных распадов в конце каждого ряда образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z = 82, N = 126). Такими конечными ядрами являются стабильные изотопы свинца или висмута. Так распад T 1/2 завершается образованием дважды магического ядра 208 Pb, причем на пути 232 Th → 208 Pb происходит шесть α-распадов, перемежающихся четырьмя β − -распадами (в цепочке 238 U → 206 Pb восемь α- и шесть β − -распадов; в цепочке 235 U → 207 Pb семь α- и четыре β − -распада). Таким образом, энергетический спектр антинейтрино от каждого радиоактивного ряда представляет собой наложение парциальных спектров от отдельных β − -распадов, входящих в состав этого ряда. Спектры антинейтрино, образующихся в распадах 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, показаны на рис. 1. Распад 40 K это однократный β − -распад (см. таблицу). Наибольшей энергии (до 3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214 Bi → 214 Po, являющемся звеном радиоактивного ряда 238 U. Полная энергия, выделяющаяся при прохождении всех звеньев распада ряда 232 Th → 208 Pb, равна 42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235 U и 238 U эти энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ. Энергия, освобождающаяся в распаде
40 K → 40 Ca, составляет 1.31 МэВ.

Характеристики ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Ядро	Доля в % в смеси изотопов	Число ядер относит. ядер Si	T 1/2 , млрд лет	Первые звенья распада
232 Th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6.48·10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 K	0.0117	0.440	1.25

Оценка потока гео-нейтрино, сделанная на основе распада ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, содержащихся в составе вещества Земли, приводит к величине порядка 10 6 см -2 сек -1 . Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно получить информацию о роли радиоактивного тепла в полном тепловом балансе Земли и проверить наши представления о содержании долгоживущих радиоизотопов в составе земного вещества.

Рис. 1. Энергетические спектры антинейтрино от распада ядер

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, нормализованные к одному распаду родительского ядра

Для регистрации электронных антинейтрино используется реакция

P → e + + n, (1)

в которой собственно и была открыта эта частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ. Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся в цепочках распада, стартующих с ядер 232 Th и 238 U, могут быть зарегистрированы в вышеуказанной реакции. Эффективное сечение обсуждаемой реакции крайне мало: σ ≈ 10 -43 см 2 . Отсюда следует, что нейтринный детектор с чувствительным объёмом 1 м 3 будет регистрировать не более нескольких событий в год. Очевидно, что для уверенной фиксации потоков гео-нейтрино необходимы нейтринные детекторы большого объёма, размещённые в подземных лабораториях для максимальной защиты от фона. Идея использовать для регистрации гео-нейтрино детекторы, предназначенные для изучения солнечных и реакторных нейтрино, возникла в 1998 г. . В настоящее время имеется два нейтринных детектора большого объёма, использующих жидкий сцинтиллятор и пригодные для решения поставленной задачи. Это нейтринные детекторы экспериментов KamLAND (Япония, ) и Borexino (Италия, ). Ниже рассматривается устройство детектора Borexino и полученные на этом детекторе результаты по регистрации гео-нейтрино.

Детектор Borexino и регистрация гео-нейтрино

Нейтринный детектор Борексино расположен в центральной Италии в подземной лаборатории под горным массивом Гран Сассо, высота горных пиков которого достигает 2.9 км (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения нейтринной лаборатории под горным массивом Гран Сассо (центральная Италия)

Борексино это несегментированный массивный детектор, активной средой которого являются
280 тонн органического жидкого сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис. 3). Сцинтиллятором является псевдокумол (С 9 Н 12) со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5 г/л). Свет от сцинтиллятора собирается 2212 восьмидюймовыми фотоумножителями (ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей стали (СНС).

Рис. 3. Схема устройства детектора Борексино

Нейлоновый сосуд с псевдокумолом является внутренним детектором, в задачу которого и входит регистрация нейтрино (антинейтрино). Внутренний детектор окружён двумя концентрическими буферными зонами, защищающими его от внешних гамма-квантов и нейтронов. Внутренняя зона заполнена несцинтиллирующей средой, состоящей из 900 тонн псевдокумола с добавками диметилфталата, гасящими сцинтилляции. Внешняя зона располагается поверх СНС и является водным черенковским детектором, содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и отсекающим сигналы от мюонов, попадающих в установку извне. Для каждого взаимодействия, происходящего во внутреннем детекторе, определяется энергия и время. Калибровка детектора с использованием различных радиоактивных источников позволила весьма точно определить его энергетическую шкалу и степень воспроизводимости светового сигнала.
Борексино является детектором очень высокой радиационной чистоты. Все материалы прошли строгий отбор, а сцинтиллятор был подвергнут очистке для максимального уменьшения внутреннего фона. Вследствие высокой радиационной чистоты Борексино является прекрасным детектором для регистрации антинейтрино.
В реакции (1) позитрон даёт мгновенный сигнал, за которым через некоторое время следует захват нейтрона ядром водорода, что приводит к появлению γ-кванта с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал, задержанный относительно первого. В Борексино время захвата нейтрона около 260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы коррелируют в пространстве и во времени, обеспечивая точное распознавание события, вызванного e .
Порог реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40 K и 235 U оказываются ниже этого порога и лишь часть гео-нейтрино, возникших в распадах 232 Th и 238 U, может быть зарегистрирована.
Детектор Борексино впервые зарегистрировал сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно опубликованы новые результаты, основанные на наблюдениях в течение 2056 дней в период с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы приведём полученные данные и результаты их обсуждения, основываясь на статье .
В результате анализа экспериментальных данных были идентифицированы 77 кандидатов в электронные антинейтрино, прошедшие все критерии отбора. Фон от событий, имитирующих e , оценивался величиной . Таким образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
Главным источником фона были реакторные антинейтрино. Для Борексино ситуация была достаточно благоприятной, так как вблизи лаборатории Гран Сассо нет ядерных реакторов. Кроме того, реакторные антинейтрино более энергичные по сравнению с гео-нейтрино, что позволяло отделить эти антинейтрино по величине сигнала от позитрона. Результаты анализа вкладов гео-нейтрино и реакторных антинейтрино в полное число зарегистрированных событий от e показаны на рис. 4. Количество зарегистрированных гео-нейтрино, даваемое этим анализом (на рис. 4 им соответствует затемнённая область), равно . В извлечённом в результате анализа спектре гео-нейтрино видны две группы – менее энергичная, более интенсивная и более энергичная, менее интенсивная. Эти группы авторы описываемого исследования связывают с распадами соответственно тория и урана.
В обсуждаемом анализе использовалось отношение масс тория и урана в веществе Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в таблице эта величина ≈3.8). Указанная цифра отражает относительное содержание этих химических элементов в хондритах – наиболее распространённой группе метеоритов (более 90% метеоритов, упавших на Землю, относятся к этой группе). Считается, что состав хондритов за исключением лёгких газов (водород и гелий) повторяет состав Солнечной системы и протопланетного диска, из которого образовалась Земля.

Рис. 4. Спектр светового выхода от позитронов в единицах числа фотоэлектронов для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино. Сплошная линия – вклад реакторных антинейтрино.

2. Тепловой режим Земли

Земля представляет собой холодное космическое тело. Температура поверхности зависит главным образом от тепла, поступающего извне. 95 % тепла верхнего слоя Земли составляет внешнее (солнечное) тепло, и только 5 % – тепло внутреннее , которое исходит из недр Земли и включающая в себя несколько источников энергии. В недрах Земли температура увеличивается с глубиной от 1300 о С (в верхней мантии) до 3700 о С (в центре ядра).

Внешняя теплота . На поверхность Земли тепло поступает в основном от Солнца. Каждый квадратный сантиметр поверхности получает в течение одной минуты около 2 калорий тепла. Эта величина называется солнечной постоянной и определяет общее количество тепла, поступающего на Землю от Солнца. За год оно составляет величину в 2,26·10 21 калорий. Глубина проникновения солнечного тепла в недра Земли зависит главным образом от количества тепла, которое попадает на единицу площади поверхности, и от тепло­проводности горных пород. Максимальная глубина, на которую проникает внешнее тепло, со­ставляет в океанах 200 м, на суше – около 40 м.

Внутренняя теплота . С глубиной наблюдается повышение температуры, которая происходит весьма неравномерно на различных территориях. Увеличение температуры идет по адиабатическому закону и зависит от сжатия вещества под давлением при невозможности теплообмена с окружающей средой.

Основные источники тепла внутри Земли:

Тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде элементов.

Остаточное тепло, сохранившееся со времен образования Земли.

Гравитационное тепло, выделяющееся при сжатии Земли и распределении вещества по плотности.

Тепло, образующееся за счет химических реакций, протекающих в недрах земной коры.

Тепло, выделяющееся при приливном трении Земли.

Различают 3 температурные зоны:

I – зона переменных температур . Изменение температуры определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубине около 1,5 м, а годовые на глубинах 20…30 м. Iа – зона промерзания.

II – зона постоянных температур , находящаяся на глубинах 15…40 м в зависимости от региона.

III – зона нарастания температур .

Температурный режим горных пород в недрах земной коры принято выражать геотермическим градиентом и геотермической ступенью.

Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом . В Африке на месторождении Витватерсранд оно равно 1,5 °С, в Японии (Эчиго) - 2,9 °С, в Южной Австралии – 10,9 °С, в Казахстане (Самаринда) – 6,3 °С, на Кольском полуострове – 0,65 °С.

Рис. 3. Зоны температур в земной коре: I – зона переменных температур, Iа – зона промерзания; II – зона постоянных температур; III – зона нарастания температур.

Глубина, при которой температура повышается на 1 градус, называется геотермической ступенью. Числовые значения геотермической ступени непостоянны не только на разных широтах, но и на разных глубинах одной и той же точки района. Величина геотермической ступени изменяется от 1,5 до 250 м. В Архангельске она равна 10 м, в Москве - 38,4 м, а в Пятигорске - 1,5 м. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м.

В скважине, пробуренной в Москве на глубину 1630 м, температура в забое составила 41 °С, а в шахте, пройденной в Донбассе на глубину 1545 м, температура оказалась равной 56,3 °С. Наиболее высокая температура зафиксирована в США в скважине глубиной 7136 м, где она равна 224 °С. Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения Согласно расчетам, на глубине 400 км температура должна достигать 1400…1700 °С. Наиболее высокие температуры (около 5000 °С) получены для ядра Земли.