Helium uit het binnenste der aarde

by | jun 19, 2017 | Geologie, Natuurkunde, Onderwijs, Scheikunde

In het binnenste van de aarde vinden radioactieve vervalprocessen plaats, die helium en warmte produceren. De uittredende hoeveelheid helium is echter slechts 4%, van wat men op basis van de uittredende warmte mag verwachten. Een mogelijke verklaring voor deze tegenstrijdigheid is, dat het grootste gedeelte van de helium in het binnenste der aarde zou achterblijven. Een andere mogelijkheid is, dat de aarde nog uit de ontstaanstijd een grote warmtevoorraad in zich heeft (hetgeen betekent, dat niet alle warmte door radioactief verval ontstaat). Beide mogelijkheden zijn nauwelijks met het model van een oude aarde in overeenstemming te brengen.

Uit het binnenste van de aarde stroomt tengevolge van radioactieve vervalprocessen helium. Tegelijk ontstaat warmte, die eveneens naar het aardoppervlak ontwijkt. Onomstreden is het verval van uranium, thorium en kalium. Nu heeft men de warmte- en heliumaanvoer vanuit het binnenste der aarde gemeten:

Bij het verval van uranium, thorium en kalium ontstaan de edelgassen helium en argon. De door het vervalproces geproduceerde warmtehoeveelheid moet corresponderen met de hoeveelheid helium, die uit de aardkorst naar buiten komt. Ter opwekking van een Joule warmte moeten in het binnenste der aarde 10^12 He-atomen en 2×10^11 Ar-atomen geproduceerd worden. De warmtestroom, die in het gebied van de zeeën uit de aardkorst komt, bedraagt 0,1 W/m2. De hoeveelheid helium, die in het gebied van de zeeën uit het binnenste der aarde komt, bedraagt 4×10^9 heliumatomen per vierkante meter per seconde. De daaruit berekende helium/warmte verhouding is 4×10^10 atomen per Joule, wat slechts 4% uitmaakt, van wat men op basis van de uittredende helium verwacht.1

Twee alternatieven en twee problemen in het model van een 4,5 miljard jaar oude aarde

a)     Laten we ons voorstellen, dat er zich op tijdstip nul geen helium in het binnenste der aarde bevindt. Wanneer we nu een vervalproces starten dat zoveel warmte produceert als we heden vaststellen, dat zou het inderdaad te verwachten zijn, dat aanvankelijk slechts een klein deel van de helium de weg naar het aardoppervlak vindt. Het grootste gedeelte zou in de aardkorst achterblijven. Na verloop van tijd zou echter een evenwicht moeten ontstaan. Het is niet voor te stellen, dat na 4,5 miljard jaar nog steeds een mismatch bestaat tussen het geproduceerde en uittredende helium. 

b)     Laten we ons voorstellen, dat de uittredende warmte slechts voor een klein deel door radioactieve vervalprocessen veroorzaakt wordt. Ook dit is in het model van een miljarden jaar oude aarde nauwelijks denkbaar. Het is moeilijk voor te stellen, dat de aarde in deze lange tijd nog steeds niet afgekoeld zou zijn.

Helium in de aardatmosfeer

Interessant is in dit opzicht ook het feit, dat zich in de atmosfeer van de aarde minder helium bevindt, dan het model van een oude aarde voorspelt. Dit hoeft echter nog niet veel te betekenen, aangezien nog niet duidelijk is, hoeveel helium uit de atmosfeer naar de ruimte ontwijkt en hoeveel heliumkernen door de zonnewind in de atmosfeer terechtkomen.2

Voetnoten

  1. E. Ronald Oxburgh und R. Keith O´Nions, Helium Loss, Tectonics, and the Terrestrial Heat Budget, Science 237, 25 september 1987, p. 1583-1588.
  2. Melvin A. Cook, Where is the Earth´s Radiogenic Helium?, Nature 179, 26. januari 1957, p. 213.
M
"

Artikelen

Artikelen