Geologen zijn het erover eens dat de aarde zo’n 44 Terawatt (TW) aan warmte produceert. Dat is 44 biljoen (44 met twaalf nullen) joule per seconde. Ter vergelijking: wij verbruiken met de hele wereld gemiddeld zo’n 15 TW aan energie. Maar de vraag is hoe al die hitte van onze aardse kachel precies tot stand komt. We weten dat een deel daarvan ‘oerwarmte’ is, een gevolg van het nog altijd afkoelen van de aarde sinds zijn geboorte, en dat een deel door radioactief verval binnenin de planeet veroorzaakt wordt. Maar hoeveel precies de afzonderlijke bijdragen zijn, is niet helemaal duidelijk.

De vervalreeks van uranium-238. Bij elke reactie komt alfastraling of bètastraling vrij.

Wikimedia Commons

Iets meer dan de helft

Een internationaal onderzoeksteam verschaft nu meer helderheid. Ze geven deze week in Nature Geoscience de nauwkeurigste schatting tot nu toe over de bijdrage van radioactief verval.

Uranium, thorium en kalium zijn de voornaamste radioactieve elementen in het binnenste van de aarde. Deze vervallen van nature in andere atomen onder uitzending van straling, de bron van de warmte. Het team heeft nu vastgesteld dat deze warmte voor iets meer dan de helft aan de totale warmte-uitstoot bijdraagt.

Ze baseerden zich op metingen van de – hou je vast – Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector, of kortweg KamLAND. Dit is een detector die, verscholen binnenin een berg van de Japanse Alpen op het eiland Honshu, zeer gevoelige sensoren bevat om antineutrino’s te meten. Dit zijn de antideeltjes van neutrino’s, de massaloze deeltjes die ongehinderd door materie heenvliegen. Waarom anti-neutrino’s meten? Simpel: deze deeltjes komen vrij bij bètaverval, een type radioactief verval. Dus uit het aantal gemeten anti-neutrino’s kun je afleiden hoeveel radioactief verval er plaatsvindt binnenin de aarde.

Hoe meet KamLAND anti-neutrinos?

The KamLAND collaboration

De KamLAND-detector is in feite een enorme ballon gevuld met 1000 ton aan olie. De binnenwand van de ballon bevat ruim 2000 lichtgevoelige sensoren. Een anti-neutrino die door de olie vliegt kan reageren met een proton en overgaan in een neutron en een positron (het anti-deeltje van een elektron). De positron vernietigt zichzelf vrij snel door reactie met een elektron, maar zendt hierbij een klein beetje gammastraling uit dat de sensoren meten. Het neutron dat ook ontstond, vormt een paar honderd milliseconden later met een proton een deuteron. Hierbij ontstaat ook een beetje gammastraling. De detector kan uit de tijd tussen de twee metingen opmaken of het hier om een zeldzame anti-neutrino ging of om achtergrondstraling.

En de rest?

Tussen maart 2002 en november 2009 telde het team in totaal 111 anti-neutrino’s die afkomstig moesten zijn uit vervalreacties binnenin de aarde. Daaruit leidden ze af dat het verval van uranium en thorium verantwoordelijk is voor 20 TW warmte.

Soms wordt aan de oppervlakte van de aarde angstig duidelijk hoeveel hitte zich daar binnenin bevindt.

USGS

Het verval van kalium konden de Japanse sensoren niet meten, maar eerdere studies stelden dit vast op 4 TW. Dat maakt samen 24 TW, zoals gezegd net iets meer dan de helft van het totaal. Dat is vergelijkbaar met een eerdere schatting die het team in 2005 deed, alleen hebben ze in tegenstelling tot zes jaar geleden nu harde data die het ondersteunen.

De vraag die nu openblijft is waar de rest van de warmte door veroorzaakt wordt. De onderzoekers durven niet te zeggen of dat volledig op het conto van oerwarmte geschreven kan worden, of dat er nog een andere warmtebron is, zoals de kristallisatie van ijzer in de aardkern.

Eén ding is wel zeker: aangezien het radioactief verval voor een groot de warmte veroorzaakt en de lange halfwaardetijden (honderden miljoenen jaren) garanderen dat dit voorlopig ook zo blijft, weten we ook dat de tektonische platen niet snel tot stilstand komen. De beweging van de platen wordt namelijk veroorzaakt door de aardse kachel. En de radioactieve elementen houden deze nog wel een tijdje aan.