Pode não ser óbvio enquanto você está deitado ao sol em um dia quente de verão, mas uma quantidade considerável de calor também vem de baixo de você - emana das profundezas da Terra. Este calor é equivalente a mais de três vezes o consumo total de energia de todo o mundo e impulsiona processos geológicos importantes, como o movimento das placas tectônicas e o fluxo de magma próximo à superfície da Terra. Mas apesar disso, de onde exatamente metade desse calor realmente vem é um mistério.

Pensa-se que um tipo de neutrinos - partículas com massa extremamente baixa - emitidos por processos radioativos no interior da Terra podem fornecer pistas importantes para resolver este mistério. O problema é que eles são quase impossíveis de serem capturados. Mas em um novo jornal, publicado no jornal Nature Communications , nós estabelecemos uma maneira de fazer exatamente isso.

As fontes conhecidas de calor do interior da Terra são decaimentos radioativos, e calor residual de quando nosso planeta foi formado. A quantidade de aquecimento da radioatividade, estimado com base em medições da composição de amostras de rocha, é altamente incerto - respondendo por algo entre 25-90% do fluxo de calor total.

Partículas evasivas

Os átomos em materiais radioativos têm núcleos instáveis, o que significa que eles podem se dividir (decair a um estado estável), emitindo radiação nuclear - parte da qual é convertida em calor. Essa radiação consiste em várias partículas com energias específicas - dependendo do material que as emitiu - incluindo neutrinos. Quando os elementos radioativos decaem dentro da crosta e manto da Terra, eles emitem "geo-neutrinos". Na verdade, cada segundo, a Terra irradia mais de um trilhão de trilhões dessas partículas para o espaço. Medir sua energia pode informar aos pesquisadores sobre o material que os produziu e, portanto, a composição do interior oculto da Terra.

As principais fontes conhecidas de radioatividade na Terra são tipos instáveis ​​de urânio, tório e potássio - algo que sabemos com base em amostras de rocha até 200 km abaixo da superfície. O que se esconde sob essa profundidade é incerto. Sabemos que os geo-neutrinos emitidos quando o urânio se decompõe têm mais energia do que os emitidos quando o potássio se divide. Então, medindo a energia dos geo-neutrinos, podemos saber de que tipo de material radioativo eles vêm. Na verdade, esta é uma maneira muito mais fácil de descobrir o que está dentro da Terra do que perfurar dezenas de quilômetros abaixo da superfície.

Infelizmente, geo-neutrinos são notoriamente difíceis de detectar. Em vez de interagir com matéria comum, como dentro dos detectores, eles tendem a passar direto por eles. É por isso que foi necessário um enorme detector subterrâneo cheio de cerca de 1, 000 toneladas de líquido para fazer a primeira observação de geo-neutrinos, em 2003. Esses detectores medem neutrinos registrando sua colisão com átomos no líquido.

Desde então, apenas um outro experimento conseguiu observar geo-neutrinos, usando uma tecnologia semelhante. Ambas as medições implicam que aproximadamente metade do calor da Terra causado pela radioatividade (20 terawatts) pode ser explicada pela decomposição do urânio e do tório. A fonte dos 50% restantes é uma questão em aberto.

Contudo, as medições até agora não conseguiram medir a contribuição dos decaimentos de potássio - os neutrinos emitidos neste processo têm uma energia muito baixa. Portanto, pode ser que o resto do calor venha da decomposição do potássio.

Nova tecnologia

Nossa nova pesquisa sugere que podemos fazer um mapa do fluxo de calor de dentro da Terra medindo a direção de onde vem o geo-neutrino, bem como sua energia. Isso parece simples, mas o desafio tecnológico é formidável, exigindo uma nova tecnologia de detecção de partículas.

Propomos o uso de "detectores de câmara de projeção do tempo" preenchidos com gás. Esses detectores funcionam criando uma imagem 3-D de um geo-neutrino colidindo com o gás dentro dele - arrancando um elétron de um átomo de gás. O movimento desse elétron pode então ser rastreado ao longo do tempo para reconstruir uma dimensão do processo (tempo). A tecnologia de imagem de alta resolução pode reconstruir as duas dimensões espaciais de seu movimento. Nos detectores de líquidos usados ​​atualmente, as partículas que são lançadas em colisões percorrem uma distância tão curta (porque estão em um líquido) que a direção é impossível de determinar.

Detectores semelhantes, em uma escala menor, são usados ​​atualmente para fazer medições precisas de interações de neutrinos, e para procurar matéria escura. Calculamos que o tamanho do detector necessário para descobrir os geo-neutrinos do potássio radioativo seria de 20 toneladas. Para mapear adequadamente a composição do manto pela primeira vez, precisaria ser 10 vezes mais massivo. Construímos um protótipo para esse detector, e estamos trabalhando na ampliação.

Medir geo-neutrinos desta forma pode ajudar a mapear o fluxo de calor no interior da Terra. Isso nos ajudaria a entender a evolução do núcleo interno, avaliando a concentração de elementos radioativos. Também poderia ajudar a desvendar o antigo mistério de qual fonte de calor alimenta a convecção (transferência de calor pelo movimento de fluidos) no núcleo externo que gera o campo geomagnético da Terra. Este campo é vital para reter nossa atmosfera, que protege a vida na Terra da radiação nociva do sol.

É estranho que saibamos tão pouco sobre o que está acontecendo sob o solo em que caminhamos. Isso torna emocionante pensar sobre como essas medições poderiam finalmente permitir a exploração pioneira do funcionamento interno velado da Terra.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.