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Geotektonik: Neutrinos enthüllen radioaktive Heizung des Erdinnern

Erdanalyse mit Anti-NeutrinosLaden...
Zerfallende Radioisotope tragen etwa die Hälfte zum gesamten Wärmefluss aus dem Erdinneren bei, berechneten japanische Forscher auf der Basis von Neutrinodaten des Detektors KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) unter dem Mount Ikenoyama bei Kamioka in Japan. Das Wissenschaftlerteam zählte Elektron-Antineutrinos aus dem Erdkern, die beim Zerfall von Uran-238 und Thorium-232 entstehen und berechnete aus diesen Daten die Konzentration dieser Elemente im Erdinnern. Insgesamt erzeugen diese Radioisotope demnach 20 Terawatt Wärme. Dazu kommen vier Terawatt aus dem Zerfall von Kalium-40. Das reicht nicht aus, um die 44 Terawatt Wärme zu erklären, die die Erde ins All abstrahlt – die zusätzliche Hitze, schließen die Forscher, stammt noch von der Entstehung des Planeten.

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Schemazeichnung des KamLAND-Detektors | Der kugelförmige Tank enthält 1000 Tonnen Szintillatorflüssigkeit, insgesamt 1879 Fotodetektoren in der Wand nehmen die Neutrinosignale auf.
Wissenschaftler der KamLAND-Kollaboration hatten bereits 2005 die Antineutrinos aus dem Erdinneren nachweisen können. Nun, sechs Jahre später, stehen genug Daten zur Verfügung, um zu bestimmen, wie viel Wärme durch diese Zerfälle entsteht. Der KamLAND-Detektor ist ein kugelförmiger Tank, der mit Szintillatorflüssigkeit gefüllt ist – einem speziellen Mineralölgemisch, in dem die seltenen Zusammenstöße von Neutrinos mit Neutronen Lichtblitze erzeugen. Im Zeitraum zwischen März 2002 und November 2009 registrierten die Detektoren in der Wand des Tanks insgesamt 841 Antineutrinoereignisse.

Allerdings haben die meisten dieser Ereignisse einen oberirdischen Ursprung: Die kommerziellen Atomreaktoren Japans erzeugen durch Zerfälle von Uran- und Plutoniumisotopen den Großteil der gemessenen Elektron-Antineutrinos. Anhand der Leistungsdaten dieser Kraftwerke gelang es den Forschern jedoch, dieses Signal zu identifizieren und herauszufiltern: Während der Geoneutrinohintergrund konstant bleibt, schwankt der Neutrinoausstoß der Kraftwerke im Laufe der Zeit. Übrig blieben 98 Ereignisse, die ihren Ursprung im Erdkern haben. Diese Daten reichten den Wissenschaftlern aus, um die Konzentration der Radioisotope im Erdkern mit hinreichender Genauigkeit zu modellieren.

Aus diesen Informationen erhoffen sich die Forscher weitere Erkenntnisse über Entstehung und Entwicklung des Erdinnern, insbesondere die Dynamik des Erdmantels. Dort steht die Zerfallswärme radioaktiver Elemente im Verdacht, beträchtlich zur Konvektion beizutragen, die unter anderem die Plattentektonik und andere geophysikalische Phänomene antreibt. (lf)

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  • Quellen
Nature Geoscience 10.1038/ngeo1205, 2011

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