Radioaktivität liefert Hälfte der Erdwärme

Physiker analysieren Zerfallsprozesse und ermöglichen bisher genauesten Einblick in Wärmehaushalt der Erde

Aufbau der Erde
Aufbau der Erde

Miyagi (Japan) - Speiende Vulkane, Erdbeben und das Erdmagnetfeld - die Energie für all diese Prozesse gewinnt die Erde aus der großen Hitze im Inneren des Planeten. Etwa 44.000 Milliarden Watt Wärme strahlt die Erde permanent in die Kälte des Weltraums ab. Die Hälfte davon stammt aus radioaktiven Kernprozessen, die vor allem in der Erdkruste und in dem bis zu 2900 Kilometer tiefen Mantel stattfinden. Diese neue Abschätzung gelang dem internationalen Forscherteam der KamLAND-Kooperation, die in Japan einen der größten Anti-Neutrino-Detektoren in der Nähe der Stadt Toxama betreiben. Ihre bisher genaueste Analyse des Wärmehaushalts der Erde veröffentlichte die Gruppe aus Dutzenden Teilchenphysikern in der Fachzeitschrift "Nature Geoscience".

"Die Erde hat sich seit ihrer Bildung abgekühlt", berichten Itaru Shimizu von der Tohoku Universität in Miyagi und seine Kollegen. Doch die Restwärme der kosmischen Zusammenballung reicht nicht aus, um die komplette Hitze in der Erde mit Temperaturen von bis zu 5000 Grad zu erklären. Der radioaktive Zerfall der Elemente Uran, Thorium und Kalium liefern allein etwa 24.000 Milliarden Watt Wärme. Möglich wurde diese neue, bisher genaueste Abschätzung mit dem KamLAND-Neutrino-Detektor.

Bei den Zerfallsprozessen entstehen Antineutrinos, die kaum mit anderen Teilchen wechselwirken und deshalb durch die Erdschichten hindurch fliegen können. Im KamLAND-Detektor treffen sie auf einen Stahlbehälter von 18 Metern Durchmesser, der mit 1000 Tonnen Mineralöl, Benzol und fluoreszierenden Substanzen gefüllt ist. In sehr seltenen Fällen treten einzelne Antineutrinos mit Protonen in den Atomkernen der Ölmoleküle in Wechselwirkung und wandeln diese in Neutronen um. Dabei wird ein Positron, das Antiteilchen zum Elektron, freigesetzt. Trifft das Positron dann auf ein Elektron, entstehen winzige Lichtblitze, die mit knapp 2000 hochempfindlichen Nachweisgeräten gezählt werden können. Aus gerade einmal 841 solcher Ereignisse, die zwischen März 2002 und November 2009 beobachtet wurden, konnten die Forscher auf die radioaktiven Zerfälle in der Erde schließen. So sind zerfallendes Uran und Thorium für 20.000 Milliarden und das radioaktive Kalium-Isotop K-40 für etwa 4000 Milliarden Watt Wärme verantwortlich.

"Mit großer Sicherheit können wir sagen, dass der radioaktive Zerfall allein nicht genug Energie für die Erdhitze liefert", sagt der KamLAND-Forscher Stuart Freedman vom amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratory. Ob aber allein die Restwärme aus der Entstehungszeit der Erde oder noch andere Quellen die verbleibenden Terawatt liefern, sei bisher nicht eindeutig zu beantworten.

Diese Studie, die zusätzlich mit Daten vom italienischen Neutrino-Detektor Borexino im Gran Sasso-Massiv gestützt wird, liefert den bisher genauesten Einblick in den Wärmehaushalt der Erde. Auf dieser Basis können Geophysiker nun die gigantischen Wärmeflüsse, die die Erdplatten antreiben und die Basis für Vulkanismus, Erdbeben und das Erdmagnetfeld legen, besser verstehen.