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18. Juli 2011, 11:33 Uhr

Geologie

Erde schöpft aus ursprünglichem Wärmevorrat

Anti-Neutrinos sind schwer nachzuweisende Elementarteilchen, denn sie  wechselwirken kaum mit anderer Materie. Doch die Winzlinge verraten etwas über das Erdinnere: Ihre Anzahl zeigt, wie oft verschiedene Elemente im Planeten radioaktiv zerfallen - und wie es um den Wärmevorrat der Erde steht. 

Hamburg - Ständig strahlt Wärme aus dem Inneren der Erde hinaus ins All. Nach Temperaturmessungen in mehr als 20.000 Bohrlöchern rund um den Globus nehmen Geologen an, dass das Innere des Planeten rund 44 Terawatt Wärme abstrahlt. Aber wie entsteht diese Hitze?

Das wollte ein internationales Forscherteam mit Hilfe eines Anti-Neutrinodetektors in Japan klären. Wie die Kamland Collaboration im Fachblatt "Nature Geoscience" berichtet, stammt demnach nur etwa die Hälfe der Wärme aus radioaktivem Zerfallsprozessen. Der Rest der Erdwärme müsse aus dem Hitzevorrat kommen, den die Erde noch aus der Zeit der Planetenbildung in sich trägt, berichten die Forscher.

Die Wissenschaftler haben den Anteil der Radioaktivität über die beim Zerfall freigesetzten Anti-Neutrinos gemessen. Das sind ungeladene Elementarteilchen, die kaum mit normaler Materie wechselwirken. Die auch als "Geoneutrinos" bezeichneten Teilchen lassen sie sich am besten in gewaltigen unterirdischen Flüssigkeitsbecken von speziellen Detektoren nachweisen. Der Kamland-Detektor etwa befindet sich unter dem Berg Ikenoyama in einer alten Mine. "Kamland" steht für Kamioka Liquid-scintillator Antineutrino Detektor.

Anti-Neutrinos entstehen allerdings auch durch Zerfallsprozesse in Atomkraftwerken, ursprünglich diente der Kamland-Detektor auch dazu, Anti-Neutrinos nachzuweisen, die in den mehr als 50 japanischen AKW entstanden sind.

Daten von 2135 Messtagen ausgewertet

Wenn Anti-Neutrinos mit den Protonen der Flüssigkeit kollidieren, erzeugt dies erst einen Lichtblitz und dann einen kurzen Gammastrahl; beide Signale werden von den in den Wänden installierten Detektoren aufgefangen. Für ihre Studie sammelten die Forscher Daten von 2135 Messtagen.

"Wir haben 841 Kandidaten-Ereignisse beobachtet, die vorhergesagte Anzahl durch Atomreaktoren und andere Hintergrundstörungen liegt bei 729. Den Überschuss von rund 111 Ereignissen werten wir daher als Geoneutrino-Signal", schreiben die Forscher in ihrem Artikel. Dieser Wert stimme gut mit Modellrechnungen überein, die auf 106 Ereignisse kommen. Die Wissenschaftler schließen daraus, dass der ursprüngliche Wärmevorrat der Erde noch nicht erschöpft ist.

"Wir haben festgestellt, dass der Zerfall von Uran 238 und Thorium 232 zusammen rund 20 Terawatt zum Wärmefluss der Erde beiträgt", sagen die Forscher um Itaru Shimizu von der Tohoku University im japanischen Miyagi. Ihren Angaben zufolge trägt zudem der radioaktive Zerfall von Kalium 40 rund vier Terawatt zum Wärmefluss bei, das sei aus früheren Experimenten bekannt. Die Messungen des Kamland-Detektors bestätigen nun sowohl theoretische Modellrechnungen als auch die Daten anderer Forschergruppen.

Messungen des Borexino-Neutrinodetektors im italienischen Gran Sasso seien nahezu identisch. "Wir erwarten, dass weitere Geoneutrinodetektoren an verschiedenen Standorten unser Wissen über die radioaktiv erzeugte Wärme in der Erde signifikant verbessern werden", schließen die Forscher. Vor allem größere Detektoren fernab von Atomreaktoren könnten die verbleibenden Unsicherheiten reduzieren.

wbr/dapd

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