A Föld magja: mi van a középpontban és honnan tudjuk?

Amikor az úttörő sci-fi író, Jules Verne 1864-ben megírta az Utazás a Föld középpontjába című művét, valószínűleg tudta, hogy cselekménye tiszta fantázia. Verne szereplői csak néhány mérföldet jutottak lefelé, de azt a gondolatot, hogy bárki is elgondolkodhatna azon, hogy a Föld magjáig utazzon, már a viktoriánus idők előtt elvetették.

Tény, hogy még ma is a Földbe fúrva a legmesszebbre, körülbelül 12 km-re vagyunk, míg a középpontig több mint 500-szor messzebb, 6370 km-re.

Honnan tudjuk tehát, mi van a föld alatt? Annak kiderítése, hogy mi van bolygónk szívében, nagyszerű tudományos rejtély.

Honnan tudjuk, hogy a Föld kerek?

A gondolat, hogy a Földnek van egy értelmes középpontja, kéz a kézben jár azzal, hogy a bolygó gömb alakú, és már régóta tudjuk, hogy nem egy korongon élünk.

Mítosz, hogy a középkori emberek azt hitték, a Föld lapos – ez valójában a viktoriánus vallásellenes propaganda és a korabeli stilizált térképek félreértelmezésének keverékéből származik.

Több mint 2200 évvel ezelőtt a görög polihisztor Eratoszthenész mérte meg először a Föld gömbje körüli távolságot, és azóta egyértelmű, hogy a Földnek kell, hogy legyen középpontja.

Ez azonban nem jelenti azt, hogy a korai filozófusok úgy gondolkodtak a Földről, mint mi ma.

Az ókori görög fizika szerint a világ négy alapelemből álló koncentrikus gömbök sorozatából állt: föld, víz, levegő és végül tűz.

Ez a legrégebbi tudományos kép szerint a bolygó középpontjának szilárdnak kellett lennie, mivel a levegő nem lehetett a földgömb belsejében.

A földgömböt nyilvánvalóan nem vette teljesen körül víz, különben nem lenne szárazföld, ezért úgy gondolták, hogy a föld egy darabja kiáll – vagyis csak egyetlen kontinens létezhetett.

Az amerikai kontinens felfedezése valójában az egyik első kísérleti tudományos eredmény volt, amely megcáfolta az egyetlen kontinens elképzelését, és jelentős lépést jelentett az ókori görög tudományos gondolkodáson való túllépés útján.

A Föld teljes egészében üreges voltának elképzelése, vagy a középpontig érő hatalmas barlangokkal, mint Verne könyvében, már az ókor óta népszerű a fikcióban és a mitológiában, és az áltudományokban és az összeesküvés-elméletekben is megjelenik.

Az azonban nem egyértelmű, hogy Edmond Halley csillagásztól eltekintve, aki 1692-ben néhány szokatlan iránytűjelzés magyarázataként üreges Földet javasolt, bármely tudós is komolyan vette volna ezt az elképzelést.

1798-ban pedig egy angol tudós és különc beverte az utolsó szöget az “üreges Föld” hipotézis koporsójába. Henry Cavendish lépett elő egy kísérlettel a bolygó pontos mérésére.

Mennyit nyom a Föld?

Cavendish különös ember volt, aki csak jegyzeteken keresztül kommunikált a szolgáival, hogy elkerülje a személyes találkozást.

Az arisztokrata származása ellenére Cavendish a tudománynak szentelte az életét, mind a kémia, mind a fizika területén dolgozott, és a leghíresebb kísérletet a Föld sűrűségének kiszámítására dolgozta ki.

Egy egyszerű torziós mérleg segítségével, amely azt a csavaró erőt mérte, amelyet két nagy golyó gravitációs vonzása okozott egy kisebb párra, Cavendish ki tudta számítani a két golyópár közötti gyenge gravitációs vonzást.

Ezt összevetve a Föld saját gravitációs vonzásával, ki tudta számítani a bolygó sűrűségét (és mivel a Föld mérete már ismert volt, a tömegét is).

A sűrűségszám azonban azt mutatta, hogy a bolygónknak nagyrészt szilárdnak kell lennie, hacsak nincsenek valahol a mélyben rendkívül sűrű ismeretlen anyagok.

Honnan tudjuk, mi van a Föld magjában?

Mára a Föld belsejét három szegmensre osztottuk: a kéreg, ami a külső réteg, 5 km és 75 km közötti vastagsággal, a köpeny, ami körülbelül 2900 km mélységig terjed, a mag vastagsága – az a rész, ami itt minket érdekel – pedig a Föld középpontjától mintegy 3500 km-re húzódik, két különálló szegmenssel.

A mag szívében egy rendkívül forró, de még mindig szilárd nikkel-vas gömb található, amelynek sugara körülbelül 1200 km. Ez a belső mag körülbelül 5400°C-os hőmérséklete a Nap felszínéhez hasonló. A maradék a Föld folyékony külső magja, amely nagyrészt nikkel-vasból áll, hasonló hőmérsékletű, a középpont felé egyre forróbb.

De honnan tudhatunk ilyen részleteket egy olyan helyről, amely ennyire megközelíthetetlen?

Mivel szinte lehetetlen akár ezer kilométerre is megközelíteni a magot, minden tudásunk közvetett, és a szeizmológiától – a földrengések tudományától – függ.

Egy rengés után a szeizmikus hullámok a Földön keresztül haladnak, formájukat és irányukat attól függően változtatják, hogy milyen anyagokon haladnak keresztül. A geofizikusok ezt az információt arra használták fel, hogy következtessenek arra, mi rejlik a Föld magjában.

A szeizmométereik, az ilyen hullámok mérésére szolgáló eszközök a távcsövek megfelelői a Föld belsejének feltárására.

Bővebben a Föld magjáról:

• Mi történne, ha a Föld magja lehűlne?
• A Föld mágneses mezeje gyakrabban fordul meg – most már tudjuk, miért
• Szabadna robotszondát küldeni a Föld magjához?
• A Holdnak van olvadt magja?

A 20. század elejére a Föld mélyére ásva egyre magasabb hőmérséklet, valamint a földi hullámok szeizmológusok által végzett elemzései azt sugallták, hogy bolygónk belső részei legalább részben olvadtak – elég forrók ahhoz, hogy a kőzet és a fém folyékonnyá váljon.

És a kulcsfontosságú felfedezéseket két olyan tudós tette, akiket szégyenletes módon még Nobel-díjra sem jelöltek: Richard Oldham brit geológus és Inge Lehmann dán szeizmológus.

Mit mondhatnak el a hullámok a Föld szerkezetéről?

Ha hullámra gondolunk, valószínűleg egy felszíni hullámra gondolunk, mint amilyet a tengeren látunk. De sok hullám – például a hang – az anyag testén keresztül halad.

Noha a földrengés során károkat okozó szeizmikus hullámok azok, amelyek a felszínen haladnak, kétféle “testhullám” is létezik, amelyek a Földön keresztül mozognak. A P-hullámok (“P” jelentése “elsődleges”) a hanghoz hasonlóan hosszanti hullámok.

A mozgás irányában rezegnek, és áthaladásuk során a Földet összenyomják és kitágítják.

Az P-hullámok gyorsan terjednek – körülbelül 5 km/másodpercenként egy olyan kőzetben, mint a gránit, és akár 14 km/másodpercenként a köpeny legsűrűbb részein.

A testhullámok második típusa, az S-hullámok (“S” a “másodlagos” rövidítése) lassabb, keresztirányú hullámok, amelyek oldalról oldalra mozognak. A P-hullámokkal ellentétben ezek nem tudnak folyadékon keresztül haladni, ezért ez a két hullámtípus alapvető fontosságúnak bizonyult a Föld magjának megértésében.

Képzeljük el, hogy hatalmas földrengés van. A hullámok elkezdenek mozogni a Földön keresztül.

A P-hullámok előre lőnek, míg az S-hullámok körülbelül feleakkora sebességgel követik őket. Mindkét hullámtípust érzékelik a szeizmométerek, amelyekkel a talaj rezgéseit mérik, szerte a Földön.

Ahol azonban a hullámok áthaladnak a magon, hogy elérjenek egy távoli mérőállomást, ott egy úgynevezett árnyékzóna van. Ha a rengés epicentrumától mintegy 104°-kal körbejárjuk a Föld kerületét, a hullámok eltűnnek. De 140°-tól kezdve a P-hullámok újra megjelennek, S-hullámok nélkül.

Richard Oldham már 1906-ban felismerte ennek a furcsa árnyéknak a következményeit. Oldham pályafutása nagy részét az Indiai Földtani Intézetnél töltötte, gyakran dolgozott a Himalájában.

Bővebben a földrengésekről:

• Az állatok segíthetnek a földrengések előrejelzésében?
• Hogyan állítsunk meg egy földrengést
• Milyen egy 10-es erősségű földrengés?
• A lapos lemezek kapcsolatban állnak a mega földrengésekkel

Amikor 1903-ban visszavonult az Egyesült Királyságba, az előző években felhalmozott adatokat felhasználva a Föld belsejét vizsgálta. Rájött, hogy a megfigyelt P- és S-hullámok viselkedését meg lehetne magyarázni, ha a Föld középpontja folyadék lenne.

Egy ilyen esetben a P-hullámokat a folyadék megtörné, elhajolva, ahogy a fény teszi, amikor a vízből a levegőbe jut, és jellegzetes árnyékot hagyna maga után. Az S-hullámokat ezzel szemben a folyékony mag teljesen megállítaná.

Oldham áttörése vezetett az olvadt mag széles körben elfogadott képéhez, de 30 évvel később Inge Lehmann rájött, hogy Oldham elképzelése túl egyszerű volt.

A P-hullámoknak a Föld középpontjában lévő sűrű folyadék általi megtörésének teljes árnyékot kellett volna eredményeznie.

Valójában a Lehmann korában rendelkezésre álló érzékenyebb szeizmométerekkel végzett mérések azt mutatták, hogy az árnyékzónában még mindig érkeztek gyenge P-hullámok.

Lehmann egy 1929-es új-zélandi földrengés bolygón áthaladó adatait tanulmányozva azt javasolta, hogy ezek a hullámok a belső szilárd mag és a külső folyadék közötti határról verődnek vissza.

Az 1936-ban közzétett eredményeit két évvel később Beno Gutenberg és Charles Richter is megerősítette, akik pontosan modellezték a szilárd mag hatását.

Ezeknek a visszavert szeizmikus hullámoknak a közvetlen mérésére végül 1970-ben került sor.

Miből áll a Föld magja?

A további vizsgálatok még finomabb hullámokat észleltek, amelyek késleltetett érkezésükből adódóan a folyékony külső magon P-hullámokként kellett áthaladjanak, mielőtt a belső magban keresztirányú S-hullámokká alakulnának át, majd kifelé menet ismét P-hullámokká.

Ez a csak 2005-ben megerősített felfedezés újabb bizonyíték volt a szilárd magra.

A belső mag pontos természete még így is jelentős viták tárgya. A hőmérsékleteket például csak kísérleti tanulmányok alapján lehet kidolgozni, amelyek azt vizsgálják, hogyan olvadnak és szilárdulnak meg az anyagok nyomás alatt.

A feltételezés, hogy a mag elsősorban vasból és nikkelből áll, valójában annak kombinációjából ered, hogy a különböző elemek milyen gyakorisággal fordulnak elő a Tejútrendszerünk helyi régiójában, valamint a bolygónk kialakulásának módjára vonatkozó ismereteinkből.

A Föld középpontjában uralkodó hatalmas nyomás alatt – a légköri nyomás több mint hárommilliószorosa – az anyagok a normális körülményektől nagyon eltérően viselkedhetnek.

Míg a belső mag legkézenfekvőbb esélyese egy szilárd nikkel-vas ötvözet, lehetséges, hogy egy rendkívül sűrű plazma – a csillagban található anyagállapot – hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. Az egyik nehézség itt az, hogy tudjuk, hogyan viselkednek az anyagok ilyen szélsőséges környezetben.

Lépjünk be a gyémánt üllőcellába.

Ebben a figyelemre méltó eszközben két, mindössze a milliméter töredékének megfelelő átmérőjű gyémánt hegyét szorítják össze.

A kis területre kifejtett erő nagyobb nyomást fejt ki, mint egy nagy területre kifejtett erő – ezért sokkal fájdalmasabb, ha egy tűsarkúval tapossák, mint egy lapos talppal.

A gyémánt üllő a Föld magjának kétszeresét elérő nyomást hoz létre, a fűtés pedig lézerrel történik.

Ha a fémmintákat összezúzzák és magszerű körülményekre hevítik, az eredmények arra utalnak, hogy a Föld középpontjában kristályos szilárd anyag található.

Reálisan nézve soha nem fogunk a Föld magjának közelébe jutni.

A hő, a nyomás és a radioaktivitás (a belső felmelegedés egyik fő forrása) olyan magas, hogy még ha több mint 6000 kilométernyi kőzetet és fémet tudnánk is átfúrni, egy szonda képtelen lenne túlélni.

A mag eléréséhez képest a Naprendszer külső részeire való utazás triviális.

De bolygónk saját rezgései, amelyeket a földrengések keltenek, és amelyeket olyan zseniális tudósok értelmeznek, mint Inge Lehmann, lehetővé teszik számunkra, hogy elménkkel felfedezzük azokat a helyeket, amelyeket személyesen soha nem fogunk meglátogatni.

• Ez a cikk először a BBC Focus 304. számában jelent meg