¿De dónde proviene la mitad del calor de la Tierra?

El equipo del detector de neutrinos KamLAND ha combinado datos obtenidos por su propio detector con los de Borexino (Italia) para llegar a la conclusión de que la desintegración radiactiva contribuye con unos 24 TW al total de 44 TW de calor que emite la Tierra. Ello implicaría que casi la mitad del calor emitido es, o bien el llamado primordial, el generado durante la formación del planeta, o existe otra fuente de calor desconocida. Los resultados se publican en Nature Geoscience.

Se estima que el interior del planeta genera 44 teravatios (4,4·10¹³ julios cada segundo) que se radian al espacio. Es este calor el que mueve los continentes. El que hace que permanezca fundido el hierro del núcleo externo generando el campo magnético terrestre. Pero, ¿de dónde proviene el calor de la Tierra?

Se sabe que la desintegración radioactiva del uranio, el torio y el potasio de la corteza y el manto es la fuente principal. La cuestión está en medir realmente a cuánto asciende esta contribución para, a partir de ahí ajustar los modelos existentes del funcionamiento de la Tierra. En 2005 se demostró que una forma de realizar esta medición es la detección de geoantineutrinos emitidos cuando los isótopos radioactivos se desintegran.

Los neutrinos se detectan en telescopios especialmente construidos para ello (véase Sobre telescopios de neutrinos). Pero para la medición que nos ocupa no sirve cualquiera; de hecho debe reunir dos condiciones: que esté diseñado para la detección de antineutrinos y que tenga sensibilidad suficiente como para discriminar los geoantineutrinos del ruido de fondo (básicamente neutrinos procedentes de reactores nucleares). La colaboración KamLAND, basada en Japón, reúne estas condiciones.

KamLAND se diseñó originalmente para detectar los antineutrinos procedentes de los más de 50 reactores japoneses, algunos próximos al telescopio, otros muy alejados, con la idea de estudiar un fenómeno llamado oscilación del neutrino. Los reactores producen neutrinos electrónicos pero conforme viajan oscilan y se convierten en neutrinos muónicos y neutrinos tau, los otros dos sabores leptónicos. La oscilación del neutrino es una prueba de que su masa es distinta de cero, pero esta es otra historia.

El KamLAND es capaz de diferenciar los neutrinos procedentes de reactores nucleares de los provenientes de la desintegración natural basándose en la diferente energía de unos y otros y en el ritmo de producción, siendo el de los de origen geológico constante. Éstos provienen fundamental, pero no exclusivamente, de la desintegración del uranio-238, el torio-232 y el potasio-40. Estos tres elementos, según la clasificación de Goldschmidt, son litófilos, por lo que se encuentran en la corteza y el manto.

Pero no todo iba a ser perfecto. El sistema de detección de KamLAND (de doble coincidencia) siendo muy sensible no lo es lo suficiente para detectar los neutrinos de la parte baja del rango de energías de la desintegración del ²³⁸U y del ²³²Th, y es completamente insensible a los antineutrinos del ⁴⁰K. También es insensible a otras desintegraciones, pero la contribución de éstas se considera despreciable.

KamLAND detectó 841 eventos candidatos a antineutrino entre marzo de 2002 y noviembre de 2009, de los cuales 730 fueron eventos de reactores o similares. El resto, 111, fueron de la desintegración de uranio y torio terrestres. Estos resultados combinados con los del experimento Borexino en el Gran Sasso (Italia) permitieron el cálculo del calor terrestre proveniente de la desintegración del uranio y el torio: 20 TW. Este dato, junto con el ya conocido previamente de 4TW de contribución del potasio y otras fuentes radioactivas, arrojan el total de 24 TW. Eso sí, con una incertidumbre importante (± 8 TW), debido a todos los factores a tener en cuenta.

Este dato habría que confirmarlo con mediciones hechas en otros detectores de antineutrinos, idealmente localizados en islas en mitad del océano, alejadas de reactores nucleares, donde la corteza es muy fina y las concentraciones locales de radiactividad son muy bajas. Porque de confirmarse este valor queda una pregunta sin respuesta: ¿de dónde proviene la mitad del calor de la Tierra?

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la III Edición del Carnaval de Geología que acoge El Pakozoico. 

Referencia:

Gando, A., Gando, Y., Ichimura, K., Ikeda, H., Inoue, K., Kibe, Y., Kishimoto, Y., Koga, M., Minekawa, Y., Mitsui, T., Morikawa, T., Nagai, N., Nakajima, K., Nakamura, K., Narita, K., Shimizu, I., Shimizu, Y., Shirai, J., Suekane, F., Suzuki, A., Takahashi, H., Takahashi, N., Takemoto, Y., Tamae, K., Watanabe, H., Xu, B., Yabumoto, H., Yoshida, H., Yoshida, S., Enomoto, S., Kozlov, A., Murayama, H., Grant, C., Keefer, G., Piepke, A., Banks, T., Bloxham, T., Detwiler, J., Freedman, S., Fujikawa, B., Han, K., Kadel, R., O’Donnell, T., Steiner, H., Dwyer, D., McKeown, R., Zhang, C., Berger, B., Lane, C., Maricic, J., Miletic, T., Batygov, M., Learned, J., Matsuno, S., Sakai, M., Horton-Smith, G., Downum, K., Gratta, G., Tolich, K., Efremenko, Y., Perevozchikov, O., Karwowski, H., Markoff, D., Tornow, W., Heeger, K., & Decowski, M. (2011). Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements Nature Geoscience DOI: 10.1038/ngeo1205