Skąd wiadomo, co jest w środku Ziemi? Naukowcy nie muszą schodzić pod powierzchnię
Nikt nigdy nie dotarł do jądra Ziemi. Co więcej, człowiek nie przebił się nawet przez całą skorupę ziemską. Najgłębszy odwiert w historii, rosyjski odwiert kolański, osiągnął nieco ponad 12 kilometrów. To ogromna odległość z naszej perspektywy, ale w skali całej planety to wciąż zaledwie ułamek promienia Ziemi. A jednak wiemy całkiem dużo o tym, co kryje się tysiące kilometrów pod naszymi stopami. Jak to możliwe?
Fale sejsmiczne zdradzają wnętrze planety
Kluczem są fale sejsmiczne, czyli drgania powstające podczas trzęsień ziemi i dużych eksplozji. Gdy Ziemia się trzęsie, przez jej wnętrze rozchodzą się różne typy fal, a każda z nich zachowuje się inaczej w zależności od materiału, przez który przechodzi.
Fale P i fale S – czym się różnią?
Jedne fale są szybkie i ściskają skały. To fale podłużne, czyli fale P. Inne poruszają materiał poprzecznie. To fale S. I właśnie one okazują się szczególnie cenne dla naukowców, ponieważ zdradzają, czy dana warstwa we wnętrzu Ziemi jest stała, czy ciekła.
Fale P mogą przechodzić przez ciała stałe, ciecze i gazy. Fale S nie przechodzą przez ciecze. Gdy sejsmografy na całym świecie zaczęły dokładnie rejestrować, gdzie te fale docierają, a gdzie znikają, pojawił się bardzo wyraźny obraz budowy wnętrza planety.
Jak odkryto, że jądro zewnętrzne Ziemi jest płynne?
Na pewnych odległościach od epicentrum trzęsienia ziemi fale S po prostu nie docierają. To oznaczało, że po drodze trafiają na warstwę ciekłą. Właśnie w ten sposób naukowcy doszli do wniosku, że zewnętrzne jądro Ziemi jest płynne.
Fale P również dostarczyły ważnych wskazówek. W tej samej strefie mocno zwalniają i załamują się, co potwierdza istnienie granicy między płaszczem a jądrem. Później zauważono także, że część fal P odbija się i przyspiesza głębiej niż płynne jądro zewnętrzne. To był ślad stałego jądra wewnętrznego.
Budowa Ziemi: skorupa, płaszcz, jądro zewnętrzne i jądro wewnętrzne
Dziś wiemy, że Ziemia nie jest jednolitą kulą. Ma cienką skorupę, pod nią ogromny płaszcz, dalej ciekłe jądro zewnętrzne i stałe jądro wewnętrzne.
- Skorupa oceaniczna ma zwykle około 7 kilometrów grubości.
- Skorupa kontynentalna najczęściej ma od 30 do 70 kilometrów.
- Płaszcz sięga do głębokości około 2900 kilometrów.
- Na tej głębokości zaczyna się jądro Ziemi.
To jednak dopiero początek odpowiedzi. Same fale sejsmiczne nie wystarczają, by stwierdzić, z czego dokładnie zbudowane są poszczególne warstwy Ziemi.
Z czego zbudowane jest wnętrze Ziemi? Pomagają meteoryty i eksperymenty
W badaniach wnętrza Ziemi ogromną rolę odgrywają inne źródła danych. Pierwszym z nich są meteoryty, zwłaszcza chondryty. To bardzo pierwotne okruchy materii z początków Układu Słonecznego, których skład chemiczny stanowi ważny punkt odniesienia dla materiału, z którego powstała nasza planeta.
Drugim źródłem są eksperymenty laboratoryjne. Geofizycy ściskają minerały do ciśnień i temperatur panujących setki lub tysiące kilometrów pod powierzchnią Ziemi. Następnie sprawdzają, jak zmienia się ich gęstość, struktura oraz prędkość fal sejsmicznych.
Jeśli wyniki z laboratorium pasują do danych z wnętrza planety, można zawęzić listę minerałów i pierwiastków, które rzeczywiście tam występują.
Co wiemy o składzie płaszcza i jądra Ziemi?
Dzięki takim badaniom wiadomo, że płaszcz Ziemi jest zdominowany przez krzemiany bogate w magnez i żelazo. Jądro składa się głównie z żelaza z domieszką niklu oraz lżejszych pierwiastków. Dokładna proporcja tych dodatków nadal pozostaje przedmiotem badań.
Pole magnetyczne Ziemi jako dowód na ciekłe jądro
Kolejną ważną wskazówką jest ziemskie pole magnetyczne. Nie powstaje ono w stałym metalu znajdującym się w środku planety, lecz w wyniku ruchu przewodzącego płynu w jądrze zewnętrznym. Ten mechanizm nazywamy geodynamem.
Gdyby całe jądro było stałe, taki proces nie mógłby działać. A ponieważ pole magnetyczne Ziemi istnieje i jest stabilne, to dodatkowy dowód na to, że we wnętrzu planety musi znajdować się ciekła warstwa.
Gęstość Ziemi mówi nam, że ciężkie pierwiastki są blisko środka
Wiedzę o budowie planety uzupełniają dane dotyczące masy Ziemi, momentu bezwładności i średniej gęstości. Wynika z nich jasno, że cięższy materiał musi być skoncentrowany bliżej środka.
Średnia gęstość całej Ziemi wynosi około 5,5 grama na centymetr sześcienny. Tymczasem skały skorupy są wyraźnie lżejsze. Skoro powierzchnia planety nie może wyjaśnić tak dużej średniej gęstości, to znaczy, że znaczna część masy musi znajdować się głęboko pod nią.
Czy wnętrze Ziemi to gigantyczny ocean magmy?
To częsty mit, ale niezgodny z wiedzą naukową. Wnętrze Ziemi nie jest jednym wielkim zbiornikiem stopionej skały. Większość płaszcza jest stała.
Nie oznacza to jednak, że jest całkowicie nieruchomy. W skali geologicznej zachowuje się plastycznie i bardzo powoli płynie. To właśnie ten ruch napędza tektonikę płyt, wulkanizm oraz recykling skorupy ziemskiej.
Jak naprawdę poznaliśmy wnętrze Ziemi?
Najbardziej imponujące w tej historii jest to, że wnętrze Ziemi poznaliśmy głównie, słuchając drgań naszej planety. Nie trzeba było kopać na tysiące kilometrów w głąb. Wystarczyły precyzyjne zapisy fal sejsmicznych, fizyka minerałów i porównywanie danych z różnych źródeł.
Innymi słowy, wiemy, co jest w środku Ziemi, ponieważ sama Ziemia od czasu do czasu wysyła nam sygnały ze swojego wnętrza. Trzeba je tylko umieć odczytać.
Materiał wideo
Zobacz materiał wideo:
