Nauka i Technika

Co kryją głębokie warstwy Ziemi

~ Metody badawcze

Podróż do wnętrza Ziemi z pewnością byłaby fascynującym przeżyciem, a dodatkowo wyposażyłaby ludzkość w nową wiedzę. Jednak starcia z temperaturami sięgającymi kilku tysięcy stopni nikt nie byłby w stanie przeżyć. Skąd w takim razie wiemy co znajduje się w najgłębszych warstwach Ziemi, choć nigdy tam nie byliśmy?

Kadr z filmu autorstwa Ridddle, źródło: https://www.youtube.com/watch?v=bRKkuqSn9nI

Wiedzę na temat skorupy, płaszcza i jądra ziemskiego czerpiemy z badań fal sejsmicznych powstających podczas trzęsień ziemi, materiałów dostających się na powierzchnię wskutek erupcji wulkanów, a nawet badań fal świetlnych emitowanych przez Słońce i badań meteorytów.

Bezpośrednie badanie wnętrza Ziemi dochodzącego do głębokości 6 000 km uniemożliwiają przede wszystkim warunki tam panujące. Temperatura sięga 9800 stopni Fahrenheita, prawie tak jak na Słońcu. Do tego dochodzi niesamowicie wysokie ciśnienie.

Modelowanie komputerowe ujawnia cenne obrazy wnętrza

Ścieranie się płyt tektonicznych prowadzi do pęknięć, które wytwarzają pokłady energii zgromadzonej w falach przemieszczających się na duże odległości od źródła. Uwolnione fale sejsmiczne mają zbyt niskie wibracje dźwiękowe, abyśmy mogli je usłyszeć, ale naukowcy opracowali metody, dzięki którym mogą przewidywać, kiedy i gdzie nastąpi trzęsienie ziemi.

Możliwości wykrywania fal sejsmicznych nie są wbrew pozorom nowością. Chiński naukowiec Zhang Heng zbudował sejsmometr już prawie 2000 lat temu. Jednak upłynęło dużo czasu zanim przyrządy pomiaru stały się precyzyjne i wiarygodne. W 1889 roku dokonano w tym obszarze przełomu szczególnie istotnego dla zrozumienia globalnego wymiaru procesów sejsmologicznych. Niemiecki badacz wykrył trzęsienie ziemi, jednak okazało się, że w okolicach Berlina nic podobnego nie ma miejsca. Tymczasem do trzęsienia ziemi rzeczywiście dochodziło, ale w Japonii, a rozchodzące się w niesamowitym tempie fale sejsmiczne dotarły do Niemiec ponad godzinę później.

Trzęsienie ziemi powoduje wibracje rozchodzące się po różnych częściach planety w różnym tempie. Rejestrują je sejsmometry, a dzięki modelowaniu komputerowemu możliwe jest wykonanie obrazów tego, co dzieje się pod powierzchnią. Obrazy te stanowią cenną informację o tym, jak i gdzie przemieszczają się fale.

Jak na podstawie obrazów fal sejsmologicznych można dojść do dalszych wniosków dotyczących tego, co kryje się daleko pod naszymi stopami? Sejsmolodzy interpretując takie dane dowiedli, że wnętrze Ziemi musi składać się z kilku warstw, a niektóre z nich są łatwiejsze do pokonania przez fale sejsmiczne niż inne. Byli również w stanie podać przybliżone wartości gęstości poszczególnych warstw. Z kolei fizycy badający minerały mogli określić ich skład.

Istotne wskazówki przynoszą badania Słońca

Co ciekawe, rozkład pierwiastków na Ziemi powinien w przybliżeniu odpowiadać elementom składowym meteorytów i Słońca. Dzieje się tak, ponieważ reakcje chemiczne wewnątrz gwiazd wytwarzają pierwiastki, które później tworzą planety, takie jak nasza. Idąc dalej, biorąc pod uwagę długości fal światła, które wydziela Słońce, i porównując te długości fal ze światłem odbijającym się od danych pierwiastków, naukowcy mogą poznać skład chemiczny Słońca.

Ilość pierwiastków występujących na Słońcu jest podobna do tych obserwowanych na meteorytach. Jak mówi Andrew Campbell, fizyk Uniwersytetu w Chicago, „to umacnia nas w przekonaniu, że te prymitywne meteoryty stanowią cegiełki, z których możemy składać planety ziemskie. Dotyczy to również Ziemi ”.

Te pozaziemskie wskazówki mogą zatem dać nam wyobrażenie o składzie naszej planety, tak samo jak skały wulkaniczne zawierające fragmenty płaszcza Ziemi. Naukowcy ustalają rozmieszczenie pierwiastków takich jak krzem, tlen, magnez, żelazo, potas i wapń pod powierzchnią, biorąc pod uwagę, że musi ono współgrać z danymi  sejsmologicznymi.

Podpowiedzi chemików i fizyków

Wiele zależności można wywnioskować także dzięki dotychczasowej wiedzy o przebiegu różnorodnych zjawisk chemicznych i fizycznych. Ważną wskazówką jest dla naukowców na przykład dipolowy charakter pola magnetycznego Ziemi. Za jego sprawą we wnętrzu planety musi dochodzić do tak zwanego dynama magnetohydrodynamicznego. Oznacza to, że musi istnieć ciepły płaszcz lub jądro, które wytwarza to pole magnetyczne. Dodatkowo nasza planeta obraca się stosunkowo szybko wokół własnej osi, co równolegle z istniejącym polem magnetycznym świadczy o istnieniu głębokich warstw półpłynnego jądra, które obraca się z dużą prędkością i generuje to pole.

Z kolei wiedzę o tym, z czego składają się poszczególne elementy wnętrza Ziemi, można opracowywać na podstawie frakcjonowania chemicznego. Kiedy nasza planeta uformowała się około 4,5 miliarda lat temu, jej cięższe składniki próbowały przecisnąć się do środka. To, w jakim stopniu podołały temu zadaniu, zależało od szybkości stygnięcia planety. Ziemia stygła dość powoli za sprawą swoich sporych rozmiarów, dlatego ciężkie pierwiastki, takie jak żelazo, mogły przecisnąć się do środka i wytworzyć stałe jądro. Jednak chociażby Mars stygł dużo szybciej, dlatego pierwiastki takie jak żelazo są wciąż obecne w jego glebie i powodują ciekawe zabarwienie planety widoczne z przestrzeni kosmicznej. Ponadto wolny proces stygnięcia i duże rozmiary to czynniki, które wpłynęły na to, że skorupa ziemska jest dość cienka w porównaniu do skorup innych planet skalistych. Wiemy to również dzięki aktywności wulkanicznej i sejsmicznej. Skorupa nie mogłaby być zbyt gruba, ponieważ ciśnienie znajdującej się pod nią magmy jest w stanie przerwać jej strukturę.

Próba odtworzenia ekstremalnych warunków w laboratorium

Rozumiemy już wiele, a ostatnie dekady przyniosły znaczący progres w docieraniu do danych o ziemskich podziemiach. Wciąż jednak wiele wątpliwości pozostaje nierozwiązanych. Opracowywane są metody, które pozwolą zyskać pewność co do tego, w jaki sposób żelazo w jądrze Ziemi mogło się tam osiedlić dawno temu, powoli przedzierając się przez skalny płaszcz. Prowadzone są też badania mające na celu laboratoryjne odtworzenie warunków tam panujących. Ponieważ nie istnieją sposoby na to, aby podróżować do wnętrza Ziemi, kluczowa jest dalsza współpraca specjalistów z różnorodnych dziedzin.

Inne z tej kategorii

Smartfon wykorzystujący sztuczną inteligencję Vivo V11 debiutuje na światowych rynkach z obietnicą idealnych ujęć i wciągającego projektu

Redakcja

Rosja zbuduje statek kosmiczny dla turystów

Redakcja

MC: Bezpieczeństwo aplikacji mobilnych

Redakcja

Studenci z Polski nagrodzeni

Redakcja

Spółka DataWalk opracowała rozwiązanie, które pozwala identyfikować supernosicieli i osoby narażone na zarażenie koronawirusem

Redakcja

Melita Italia wprowadza nowe usługi światłowodowe z Plume® i Open Fiber

Redakcja
Gazeta Jutro