地球内部熱源の放射性物質が地上に出ない理由

質問

地球内部の物質が半減期のきわめて長い放射性物質であるにもかかわらず、プルームやマグマなどとして出てくる物質に放射能がそれほど含まれていない理由」を教えてください。
（「フィッショントラック法」の原理は知っています。）

また、放射性物質は具体的には、どこに（内核にとか）、どのような形（鉄の同位体とか）で、どのくらいの量（内核の３０％とか）存在するのでしょうか？

疑問の理由の一つは、地球生成と関係が深い隕石、隕鉄、小惑星、月面などから放射性物質が多量に検出されたというニュースを知らない（忘れた？見落とし？）からです。

回答No.4

joshua01 · ベストアンサー

こんにちは。
面白い質問ですね。
次のような答えではいかがでしょう。

ポイントは、「宇宙でも放射性元素は多くなく、さらに、その崩壊は、地球が生まれる前から始まっていたので、すっかりスカスカ・・・」

　まず、直感的に、放射性元素の多くは重いので、なかなか地表には「浮いてこない」ことはご理解でしょう。だからこそ質問者さんも、地表近くに出てくる理由としてプルームを上げておられると思います。

　では、コア部分には放射性元素がたくさん（高い濃度で）含まれていて、それがプルームに入りにくいのか・・・というと、実はコア部分でも大した濃度ではない・・というところでしょう。

　この、「放射性元素の濃度」という基準の考え方もあいまいですし、私も濃度の正確な値についての学術的情報を持っていないのですが、他の方の回答にもあるように、地殻部分よりは「濃い」とは想定されつつも、多分、平均とすれば重量比で１／（10の10乗）を超えることはないと思われます。

次のように考えると良いかもしれません。

・ウランなどの放射性物質は、物質自体がエネルギーを持っており、少しずつ崩壊してエネルギーを放出する。ではそのエネルギーはどこから来たのか。
・実は、ウランなどの放射性物質は超新星の残骸。宇宙のもともとのエネルギーは「場の相転移」らしいが、その結果宇宙の誕生時にできるのは軽い水素かヘリウムだけであるし、それらの核融合でできるのはエネルギーの低い（核反応としての最終的燃えかすの）鉄まで。だから、宇宙全体での物質は、放射性物質になりにくいこれら「比較的軽い物質」がほとんど。
・ウランなどの、重く放射能力を持つ物質は、超新星爆発の「重力崩壊」の中心部での圧縮・衝突エネルギーをもらわないと生成しない。おまけに、その放射性物質は、生成の直後から崩壊（半減期）が始まり、崩壊しながら宇宙を漂い、やがてやっと他の惑星系の材料となる・・・
・地球ができたのが約45億年前。超新星爆発はそのさらに前なので、仮に5億年前とすると、今、地球の中心にある放射性物質は約50億年の時間を経ている。
・放射性物質の平均の半減期が仮に100万年としても、50億年はさらにその5千倍。２の５千乗分の１ともなるとさすがに濃度は低くなり、放射性としてはスカスカ・・。

　もっとも実際には、宇宙を漂っている際に宇宙放射線を受けてあらためて放射性物質になる場合や、物質同士が超高速で衝突して放射性物質になる場合、さらには地球として固まったあと、その内部での放射性崩壊の結果飛び出した粒子を受け取って新たに放射性物質になる場合もあるので、放射性物質としての量はもう少し多いでしょうが、まあ、大した比率ではないと言えるでしょう。

　他方、それでも、”放射性物質は地殻部分では無視できるほど少ないのが当たり前”とは言えないようです。以前アフリカの「オクロ」という場所で天然原子炉（誰も制御しない原子核暴走！）の形跡が発見されています。ｗｉkiによると、約20億年前に終わった反応であり、マグマと火山地殻の熱水により自然にウランの精錬・濃縮作用があったようで、放射性ウランの濃度が3％（！）になっていたらしいとか。その意味では、20億年前の段階では、地球平均としては既にスカスカだったとしても一定の条件では「濃く」なる可能性があったわけで、質問者さんのご質問も意外に的を得ているようにも思います。
（まあ、現在ではその可能性も極端に減っていますが。なお、いろいろな物質との混合物からウランだけが集まる「精錬」と、ウランのうち核反応性のあるU２３５の濃度が高まる「濃縮」の語は本来もっと正確に使い分ける必要があります）

いかがでしょうか。ご参考になれば幸です。

お礼

大変長文の詳しい解答をありがとうございます。

放射性物質が極微量でも、地球全体としては莫大な量であり、放射性物質の自然崩壊がまわりの物質と衝突してできる熱エネルギーで地球内部の莫大な熱量が維持できる仕組みがよくわかりました。

ガボンの「オクロの天然原子炉」について教えていただいてありがとうございます。
・・日経サイエンス　 2006年2月号「20億年前の天然の原子炉」
http://www.nikkei-science.com/page/magazine/0602/oklo.html
・・「オクロの天然原子炉」WIKI
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AA%E3%82%AF%E3%83%AD%E3%81%AE%E5%A4%A9%E7%84%B6%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%82%89#.E5.8F.82.E8.80.83.E6.96.87.E7.8C.AE

回答No.3

kabo-cha

地球から見ると膜のように薄い地殻中に、地球の放射性元素の半分が濃集しています。
でなければウラン鉱を人類が利用することもできなかったでしょう。

核はほとんど鉄やニッケルで出来ているので、元素としてはかなり安定しています。
放射性元素はほとんど含まれないと思ってよいでしょう。

あと、隕石なんかにもちゃんと放射性元素は含まれています。人間が被曝してどうこうというレベルには遥かに及ばないのでニュースにならないだけです。

そもそも、岩石中に放射性元素が何十パーセントも含まれているというのがとんでもない勘違いです。

お礼

早速詳しい説明をありがとうございます。

回答No.2

kv2007

放射性元素はもともと単位質量あたりでごく微量しか含まれていないんです．地球を構成する物質に含まれる主な放射性元素としてウラン、トリウム、カリウムなどがありますが、平均的な含有量はカリウムで数～0.01%程度，ウランやトリウムで数ppm程度です．放射性元素は岩石が溶けるときにマグマ側に集まりやすいので，マントルよりマグマやそれが冷えた地殻に多く含まれます．

地殻を構成する岩石の質量から，含まれる放射性元素の質量を求めると大体10の20乗kgくらいのオーダーになります．地殻岩石にくらべマントルを構成する超塩基性岩には1/100程度しか含まれませんが，マントルは地殻の約100倍の質量なので、放射性元素の総量では地殻と同じくらい含まれていることになります。また金属であるコアには金属元素であるウランは比較的多く含まれていると考えられますが，それでも%オーダーにはなりません．でもコアの質量も大きいので放射性元素含有質量はやはりマントルや地殻と同程度の質量になります．つまり単位質量あたりの含有量はごく微量ですが，総質量が大きいので，地球には10の20乗kgの数倍，つまり10京トン以上の放射性元素が含まれているわけです．
これだけの放射性元素が発する崩壊熱は膨大で，岩石の熱伝導率が低いこともあって，地球形成時の重力エネルギー，相変移エネルギーを補って地球内部を高温に保っているわけです．

回答No.1

あずき なな（@azuki-7）

月は放射線だらけです　大気がないのでモロに来ます
宇宙服着ててもヤバイらしいですよ？

隕石や小惑星にも放射性物質は含まれてます
6550万年前　メキシコのユカタン半島に落ちた隕石(恐竜を滅ぼした有名な奴)にはかなりの放射線物質が
含まれていたみたいです
そいつは地球上に広がったけど大昔なので今は消えました

それぐらいの巨大隕石なら落下しても残りますが小さい隕石は大気圏に突入するとき放射能は燃え尽きます
あとはヴァンアレン帯に阻まれて地球まで届かないとか

お礼

「巨大隕石なら落下しても残ります」映画「ディープインパクト」を思い出しました。

「ヴァンアレン帯」映画「地球の危機（原子力潜水艦シービュー号）」を思い出しました。

「月は放射線だらけです　大気がないのでモロに来ます。宇宙服着ててもヤバイらしいですよ」読売新聞で読みましたが、7月20日は人類唯一の月面着陸から43年の記念日なんだそうですね。アームストロング船長はお元気でしょうか（「アームストロング」と放射線では「鉄腕アトム」ですか。読売風に言うと）
確かにヴァンアレン帯がなく、大気圏もないので、結構放射能が強そうですね。