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Geologie: Ursprünglicher Wärmevorrat der Erde noch immer aktiv

Geologie: Ursprünglicher Wärmevorrat der Erde noch immer aktiv (Wordle) Als Anti-Neutrinos bezeichnet man schwer nachzuweisende Elementarteilchen. Da sie mit andere Materie kaum in Wechselwirkung treten, sind Anti-Neutrinos auch so schwer fassbar. Doch gerade das macht sie für Wissenschaftler so interessant, da diese winzigen Bausteine Details über das Erdinnere verraten. Über ihre Anzahl zeigen sie an, wie die radioaktiven Zerfallsprozesse bei verschiedenen Elementen voranschreiten. Damit sind sie auch indirekt ein Indikator für den Wärmevorrat der Erde.

Im Vergleich mit der Kälte des Weltalls, ist die Erde doch irgendwo ein mittelgroßes Heizkraftwerk, dessen Wärme auch ins All abstrahlt. Geologen maßen die Temperaturen in 20.000 Bohrlöchern auf dem ganzen Erdball und können nun die Abstrahlungswärme der Erde berechnen. Die Summe klingt gigantisch. Rund 44 Terawatt – also 44 Billionen Watt  – Wärme strahlen aus dem zwischen 4000 und 5000 Grad warmen Erdinneren nach außen.
Doch woher kommt die Wärme?

Ein internationales Forscherteam von der Kamland Collaboration wollte die Antworten auf genau diese Fragen finden. Dazu nutzten sie die Mithilfe eines Anti-Neutrinodetektors in Japan. Ihre Erkenntnisse wurden im Fachblatt „Nature Goescience“ veröffentlicht. Man fand Hinweise, wonach lediglich die Hälfte der Wärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen stammt. Die verbleibende Menge an Erdwärme stammt aus dem Hitzevorrat der Erde, der sich in ihrer Entstehungszeit ansammelte. Diese Rückschlüsse basieren auf den Anti-Neutrinos. Mit ihrer Hilfe lässt sich der Anteil der Radioaktivität bestimmen. Denn beim radioaktiven Zerfall werden Antineutrinos in einem bestimmten Verhältnis freigesetzt. Es handelt sich hierbei um Elementarteilchen, die keine Wechselwirkung mit anderer Materie eingehen. In Fachkreisen werden sie auch als Geoneutrinos bezeichnet. Sie lassen sich nur mit Hilfe spezieller Detektoren nachweisen. In der Regel sind dies unterirdische Flüssigkeitsbecken. Der bereits erwähnte Kamland-Detektor befindet sich in einer alten Mine unter dem Berg Ikenoyama. Dieser liegt in der Nähe der Stadt Toxama in Japan. Kamland ist dabei nur die Abkürzung für „Kamioka Liquid-scintillator Antineutrino Detektor“.

Antineutrinos aus AKWs müssen bei den Messergebnissen berücksichtigt werden

Allerdings werden die Messergebnisse ein wenig verfälscht, da Anti-Neutrinos auch in Atomkraftwerken entstehen. Ursprünglich wurde der Kamland-Detektor dazu errichtet, genau jene Anti-Neutrinos, die in den japanischen Atomkraftwerken entstanden, nachzuweisen.

Die Forscher protokollierten an 2135 Messtagen die Anti-Neutrino-Signale. In der Kurzfassung liest sich der entstehende Prozess wie folgt: Antineutrinos erzeugen einen Lichtblitz und anschließend einen kurzen Gammastrahl – nämlich dann, wenn Geoneutrinos und die Protonen der Flüssigkeit aufeinanderprallen. Die durch Lichtblitz und Gammastrahl entstehenden Signale werden im Detektor durch die in den Wänden installierten Messinstrumente aufgezeichnet.
(Für Physik- und Chemie-Interessierte gibt’s folgende Langfassung: Der Kamland-Detektor besteht aus einem Stahltank, der einen Durchmesser von 18 Metern hat. In ihm befinden sich ca. 1000 Tonnen Mineralöl, dem fluoreszierende Substanzen beigemischt wurden. Sehr selten trifft nun ein Antineutrino einen Atomkern des Öls. Dieser wird dadurch in ein Protron und ein Neutron umgewandelt. Es entsteht außerdem noch ein Positron, das das Antiteilchen eines Elektrons ist. Trifft das Positron letztlich wieder auf ein Elektron, so neutralisiert sich das Teilchenpaar. Es entsteht ein Lichtblitz, der mit 2000 äußerst sensiblen Detektoren nachgewiesen wird.)

Die Forscher beobachten insgesamt 841 Ereignisse. Vorhergesagt hatten sie 729 Ereignisse, deren Ursache sie in Atomreaktoren und andere Hintergrundstörungen sehen. Es gibt also einen Überschuss von 111 Ereignissen, die wahrscheinlich natürliche Geoneutrino-Signale sein müssen. Vorangegangene Modellrechnungen kam zu einem Ergebnis von 106 Ereignissen. Daher stimmt das Messergebnis mit den erwarteten Ergebnissen erstaunlich gut überein. Für die Forscher ist dies ein klares Indiz dafür, dass sich der ursprüngliche Wärmevorrat des Planeten noch nicht erschöpft hat.

Nur die reichliche Hälfte der abgestrahlten Energie stammt aus radioaktiven Zerfallsprozessen

In ihrer Studie schreiben die Forscher weiterhin, dass der Zerfall von Uran 238 und Thorium 232 einen Beitrag zum Wärmefluss im Erdinneren leistet. Allerdings liegt dieser bei zusammen etwa 20 Terawatt, was nur die Hälfte der täglich abgestrahlten Wärme entspricht. Es kommen noch einmal 4000 Gigawatt durch den Zerfall von Kalium hinzu. Aber auch dies reicht nicht aus, um die Energie-Lücke zu schließen. Die Forscher bezweifeln jedoch auch, dass allein der ursprüngliche Wärmevorrat aus den Anfangstagen der Erde die Differenz erklären kann. Sie vermuten daher, dass es noch unbekannte Mechanismen gibt, die im Erdinneren Wärme produzieren. Allerdings gibt es noch eine weitere Erkenntnis. Auch Erdwärme ist bis zu einem gewissen Maße Kernenergie.

Die Forscher aus Japan konnten nicht nur die theoretischen Modellrechnungen sondern auch die Daten anderer Wissenschaftler-Teams bestätigen. Letztlich erbrachten Messungen des Borexino-Neutrinodetektors, der in Gran Sasso (Italien) installiert ist, ein ähnliches Ergebnis. Dennoch sind sich die Forscher einig, dass weitere Messungen an anderen Standorten das Wissen um radioaktiv erzeugte Wärme im Erdinneren noch weiter verbessern werden.

 


Quellen:

Aktualisiert ( Mittwoch, 01. Februar 2012 um 22:15 Uhr )
 

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