กึ่งหนึ่งของความร้อนใต้พิภพเกิดจากการสลายกัมมันตรังสี
Radioactive decay accounts for half of Earth's heat

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

         “ความร้อนราวร้อยละ 50 ที่โลกปลดปล่อย เกิดจากการสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay) ของบางธาตุ อาทิเช่น ยูเรเนียมและทอเรียม และจากธาตุผลผลิตจากการสลายกัมมันตรังสีของธาตุเหล่านั้น” นี่เป็นข้อสรุป ของกลุ่มนักฟิสิกส์นานาชาติกลุ่มหนึ่ง ซึ่งใช้อุปกรณ์ตรวจหาที่มีชื่อว่า KamLAND ของญี่ปุ่นสำหรับวัดฟลักซ์ (อัตราไหลต่อพื้นที่) ของจำนวนอนุภาคแอนตินิวทริโนที่ถูกปล่อยออกมาจากส่วนลึกใต้พื้นโลก ผลลัพธ์ที่ได้นี้ สอดคล้องกับผลการคำนวณความร้อนใต้พื้นพิภพที่ได้จากการสลายกัมมันตรังสี ที่มีการคำนวณกันไว้ก่อนหน้านี้ และผลลัพธ์นี้จะช่วยให้นักฟิสิกส์นำไปปรับปรุงแบบจำลองต่าง ๆ ที่จำลองว่าความร้อนผลิตขึ้นใต้พื้นโลกได้อย่างไรบ้าง

         นักธรณีฟิสิกส์ (geophysicist) เชื่อกันว่าความร้อนจากใต้พิภพใหลออกสู่บรรยากาศรอบ ๆ โลกด้วยอัตรา ประมาณ 44 ? 10¹² วัตต์ (44 เทระวัตต์) แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่า ความร้อนทั้งหมดนี้มีสัดส่วนความร้อนเกิดพร้อมโลก (primordial) ที่ยังหลงเหลืออยู่ และเป็นสัดส่วนของความร้อนที่เกิดจากการสลายกัมมันตรังสีเป็นเท่าใด

         แบบจำลองความร้อนเกิดจากการสลายกัมมันตรังสีที่แพร่หลายที่สุด ใช้หลักแบบจำลอง bulk silicate Earth (BSE) model ซึ่งตั้งสมมติฐานว่า วัสดุกัมมันตรังสี เช่น ยูเรเนียม และทอเรียม สามารถพบได้ในธรณีภาคชั้นนอก (lithosphere) และเปลือกโลก (mantle) โดยไม่พบในแกนเหล็ก (iron core) ของโลก แบบจำลองนี้ยังอธิบายด้วยว่า สามารถประเมินความอุดม (abundance) ของวัสดุกัมมันตรังสีได้โดยการศึกษาหินอัคนี (igneous rocks) ที่พบเกิดอยู่บนผิวโลก รวมถึงจากองค์ประกอบของดาวตก

         จากผลลัพธ์ของแบบจำลองนี้ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า ความร้อนประมาณ 20 เทระวัตต์เกิดจาก โซ่การสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay chain) ของยูเรเนียม-238 และทอเรียม-232 อย่างละ 8 เทระวัตต์ และจากโพแทสเซียม-40 อีก 4 เทระวัตต์ โดยที่โซ่การสลายกัมมันตรังสีเหล่านี้ นอกจากจะผลิตความร้อนออกมาแล้ว ก็ยังผลิตและปล่อยอนุภาคที่แทบจะไม่มีมวล คือ นิวทริโนชนิดแอนติอิเล็กตรอน (anti-electron-neutrino) ออกมาด้วย อนุภาคชนิดนี้สามารถทะลุผ่านโลกไปได้ แต่มนุษย์ก็สามารถสรรหาวิธีตรวจหาอนุภาคชนิดนี้ได้สำเร็จแล้ว ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงมีหนทางที่จะวัดอัตราการสลายกัมมันตรังสีได้ และท้ายที่สุดก็สามารถย้อนคำนวณความร้อน ที่ผลิตจากใต้พื้นโลกได้

         ปี 2005 นักวิจัยที่ KamLAND แถลงว่าพวกเขาสามารถตรวจพบ “นิวทริโนธรณี” (geoneutrino) ชนิดนี้ได้ 22 อนุภาค ในขณะที่ปีที่แล้วนี้เอง นักวิทยาศาสตร์ที่ Borexino ซึ่งทำการทดลองในอิตาลีบอกว่าพวกเขาตรวจพบ 10 อนุภาค ถึงวันนี้ (ผ่านมา 5 ปี เศษ) ทีมที่ KamLAND ตรวจพบอนุภาคชนิดนี้รวมกันแล้วได้ 111 อนุภาค ทำให้พวกเขาสรุปได้ว่า ฟลักซ์ความร้อนอันเนื่องมาจากโซ่การสลายกัมมันตรังสีของของยูเรเนียมและทอเรียม ตกประมาณ 20 เทระวัตต์โดยมีความคลาดเคลื่อนไม่แน่นอนประมาณ 8 เทระวัตต์ แต่ทว่าการทดลองที่ KamLAND ไม่สามารถตรวจหาแอนตินิวทริโนพลังงานต่ำจากการสลายของโพแทสเซียม-40 ได้ อย่างไรก็ดี พวกนักวิจัยเห็นว่า ค่าที่ทำนายด้วยแบบจำลอง BSE คือ 4 เทระวัตต์ ถูกต้องแล้ว

         แม้ว่าความร้อน 20 เทระวัตต์จากยูเรเนียมและทอเรียมนี้จะสูงกว่า 16 เทระวัตต์ที่แบบจำลอง BSE ทำนายไว้ แต่ความแตกต่างคือ 4 เทระวัตต์ ก็ยังอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนของ การทดลอง และยังน้อยกว่าฟลักซ์รวมคือ 44 เทระวัตต์เป็นอันมาก ซึ่งสจวร์ต ฟรีดแมน (Stuart Freedman) ผู้ประสานงานของ KamLAND จากห้องปฏิบัติการ ลอว์เรนซ์แห่งเบิร์กลี (Lawrence Berkeley Laboratory) ในแคลิฟอร์เนีย กล่าวว่า “สิ่งหนึ่งที่เราสามารถพูดได้ ค่อนข้างจะแน่นอนก็คือ ความร้อนจากใต้พิภพไม่ได้เกิดจากการสลายกัมมันตรังสีเพียงอย่างเดียว แม้ความร้อนส่วนที่เหลือ จะเกิดจากความร้อนที่หลงเหลือมาพร้อมกับการกำเนิดของโลกหรือจากแหล่งอื่น เป็นคำถามที่ยังไม่มีคำตอบ”

         ที่ผ่านมาเคยมีการเสนอความเป็นไปได้ประการหนึ่งว่า ลึกลงไปใต้พื้นพิภพอาจมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ เกิดขึ้นได้ และผลิตความร้อนออกมาจากปฏิกิริยาแบ่งแยกนิวเคลียส ข้อมูลจาก KamLAND และ Borexino ไม่ได้ตัดความเป็นไปได้ของเครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติใต้ดินนี้ แต่ระบุขีดจำกัดสูงสุดไว้ โดยถ้ามีอยู่จริง KamLAND และ Borexino ให้ขีดจำกัดความร้อนที่เครื่องปฏิกรณ์ธรรมชาติใต้ดินจะปล่อยออกมาไม่เกิน 5 และ 3 เทระวัตต์ตามลำดับ

         เครื่องตรวจหาที่ KamLAND มีลักษณะเป็นบอลลูนขนาดใหญ่ที่บรรจุไว้ด้วยน้ำมันอนินทรีย์ (mineral oil) ปริมาณถึง 1000 ตัน ซึ่งใช้หลอดทวีคูณโฟตอน (photomultiplier tube) จำนวน 1800 หลอดคอยเฝ้าตรวจ เครื่องนี้อยู่ที่ประเทศญี่ปุ่น โดยติดตั้งอยู่ภายในเหมืองใต้ดิน เพื่อกำบังเครื่องตรวจหาเอาไว้จากรังสีคอสมิก

         นาน ๆ ครั้งก็จะมีแอนตินิวทริโนผ่านเข้ามาสักอนุภาคหนึ่ง ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับอนุภาคโปรตอนในน้ำมัน เกิดเป็นอนุภาคนิวตรอน (ไม่มีประจุ) กับโพซิตรอน (ปฏิยานุภาคของอิเล็กตรอน และมีประจุบวก) อย่างละ 1 อนุภาค และโพซิตรอนนี้เอง เมื่อเคลื่อนไปในน้ำมันได้ไม่ไกลก็ถ่ายโอนพลังงานให้กับโมเลกุลของน้ำมันจนเกิดการ แตกตัวเป็นไอออน ซึ่งจะเกิดแสงแวบขึ้นด้วย ในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนที่เกิดจากการแตกตัวเป็นไอออน ของโมเลกุลน้ำมันก็เกิดปฏิกิริยาเรียกว่า ประลัย (annihilation คือ ปฏิกิริยาของอนุภาคใด ๆ กับปฏิยานุภาคของมัน ซึ่งจะหักล้างกันได้พอดี) กับโพซิตรอน ปฏิกิริยานี้จะปล่อยโฟตอนรังสีแกมมาออกมาด้วย 2 โฟตอน กระบวนการทั้งสองนี้เกิดขึ้นรวดเร็วมากและแสงที่เกิดขึ้นจะถูกตรวจจับได้ด้วยหลอดทวีคูณโฟตอน อีกประการหนึ่ง พลังงานของแอนตินิวทริโนก็สามารถประเมินได้ด้วย จากปริมานของแสงที่เกิดระหว่างการแตกตัวเป็นไอออน

         หลังจากนั้นหลายร้อยมิลลิวินาที อนุภาคนิวตรอน เองก็จะถูกจับยึดด้วย อนุภาคโปรตอน และเกิดเป็น อนุภาคดิวเทอรอน พร้อมกับปล่อยรังสีแกมมาออกมาอีก ซึ่งก็ถูกตรวจจับได้ด้วยหลอดทวีคูณโฟตอนเช่นกัน จากสัญญาณทั้งสองที่หลอดทวีคูณโฟตอนตรวจจับได้ในช่วงเวลาที่ห่างกันอย่างเหมาะเจาะ KamLAND ก็สามารถแยกชัดได้ระหว่างเหตุการณ์ที่เกิดจากแอนตินิวทริโนที่มีน้อยกว่าน้อย จากสัญญาณธรรมดา ๆ มากที่เกิดจากรังสีพื้นหลัง (background radiation)

แปลจาก : Radioactive decay accounts for half of Earth's heat โดย Hamish Johnston บรรณาธิการ physicsworld.com