Jądro Ziemi: co kryje się w środku i skąd wiemy?

Kiedy pionierski pisarz science fiction Jules Verne napisał Podróż do środka Ziemi w 1864 roku, prawdopodobnie wiedział, że jego fabuła była czystą fantazją. Bohaterowie Verne’a dotarli tylko kilka mil w dół, ale pomysł, że ktokolwiek mógłby nawet rozważać podróż do jądra Ziemi, został odrzucony jeszcze przed czasami wiktoriańskimi.

W rzeczywistości nawet dzisiaj najdalszy odwiert, jaki wykonaliśmy w Ziemi, to około 12 km, podczas gdy odległość do centrum jest ponad 500 razy większa i wynosi 6,370 km.

Więc skąd wiemy, co leży pod spodem? Ustalenie, co znajduje się w sercu naszej planety, było wspaniałą naukową zagadką.

Skąd wiemy, że Ziemia jest okrągła?

Pomysł, że Ziemia ma znaczące centrum, idzie w parze z tym, że planeta ma kształt kuli, a my od dawna wiemy, że nie żyjemy na dysku.

Mitem jest, że średniowieczni ludzie myśleli, że Ziemia jest płaska – to faktycznie pochodzi z mieszanki wiktoriańskiej propagandy antyreligijnej i błędnej interpretacji stylizowanych map z tego okresu.

Ponad 2200 lat temu grecki polimat Eratostenes dokonał pierwszego pomiaru odległości wokół kuli ziemskiej i od tego czasu było jasne, że musi ona mieć centrum.

Nie oznacza to jednak, że wcześni filozofowie myśleli o Ziemi tak jak my dzisiaj.

Starożytna grecka fizyka mówiła, że świat składa się z serii koncentrycznych sfer czterech podstawowych elementów: ziemi, wody, powietrza i wreszcie ognia.

W tym najstarszym naukowym obrazie centrum planety musiało być stałe, ponieważ powietrze nie mogło znajdować się wewnątrz sfery ziemi.

Jasne jest, że kula ziemska nie była całkowicie otoczona wodą, bo inaczej nie byłoby suchego lądu, więc uważano, że kawałek ziemi wystaje na zewnątrz – co oznacza, że mógł istnieć tylko jeden kontynent.

W rezultacie odkrycie obu Ameryk było w rzeczywistości jednym z pierwszych eksperymentalnych wyników naukowych, obalającym ideę jednego kontynentu i oznaczającym znaczący krok na drodze do wyjścia poza starożytne greckie myślenie naukowe.

Pomysł, że Ziemia jest całkowicie pusta, lub z ogromnymi jaskiniami sięgającymi do środka, jak w książce Verne’a, była popularna w fikcji i mitologii od czasów starożytnych, pojawiając się również w pseudonauce i teoriach spiskowych.

Jednakże nie jest jasne, czy jakikolwiek naukowiec poza astronomem Edmondem Halleyem, który zaproponował pustą Ziemię, aby wyjaśnić niektóre niezwykłe odczyty kompasu w 1692 roku, kiedykolwiek potraktował ten pomysł poważnie.

A w 1798 roku angielski naukowiec i ekscentryk wbił ostatni gwóźdź do trumny hipotezy „pustej Ziemi”. Henry Cavendish przeprowadził eksperyment, którego celem było dokładne zważenie planety.

Ile waży Ziemia?

Cavendish był dziwnym człowiekiem, który komunikował się ze swoimi służącymi wyłącznie za pomocą notatek, aby uniknąć spotkania z nimi twarzą w twarz.

Mimo arystokratycznego pochodzenia Cavendish poświęcił swoje życie nauce, pracując zarówno w dziedzinie chemii, jak i fizyki, a najbardziej znany był z eksperymentu mającego na celu obliczenie gęstości Ziemi.

Używając prostej wagi skrętnej, która mierzyła siłę skręcającą spowodowaną grawitacyjnym przyciąganiem dwóch dużych piłek do mniejszej pary, Cavendish był w stanie obliczyć słabe przyciąganie grawitacyjne pomiędzy dwoma parami piłek.

Porównując to z własnym przyciąganiem grawitacyjnym Ziemi, mógł obliczyć gęstość planety (a ponieważ rozmiar Ziemi był już znany, również jej masę).

Liczba gęstości pokazała, że nasza planeta musi być w większości stała, chyba że gdzieś w głębi znajdowały się niezwykle gęste nieznane materiały.

Skąd wiemy, co znajduje się w jądrze Ziemi?

Dzisiaj podzieliliśmy wnętrze Ziemi na trzy segmenty: skorupę, która jest zewnętrzną warstwą, o grubości od 5km do 75km, płaszcz, rozciągający się do głębokości około 2900km, z grubością rdzenia – fragmentu, który nas tutaj interesuje – rozciągającego się około 3500km od centrum Ziemi, z dwoma odrębnymi segmentami.

W sercu jądra znajduje się niezwykle gorąca, ale wciąż stała kula niklowo-żelazowa o promieniu około 1200 km. Przy temperaturze około 5400°C, to wewnętrzne jądro ma temperaturę podobną do powierzchni Słońca. Pozostałą część stanowi płynne jądro zewnętrzne Ziemi, wykonane głównie z niklu i żelaza, o podobnej temperaturze, coraz gorętsze w kierunku centrum.

Ale skąd możemy znać takie szczegóły o miejscu, które jest tak niedostępne?

Zważywszy na niemal niemożliwość dotarcia nawet na odległość tysiąca kilometrów od jądra, cała nasza wiedza jest pośrednia i zależy od sejsmologii – nauki o trzęsieniach ziemi.

Po trzęsieniu ziemi fale sejsmiczne wędrują przez Ziemię, zmieniając swoją formę i kierunek w zależności od materiałów, przez które przechodzą. Geofizycy wykorzystali te informacje, aby wywnioskować, co znajduje się w jądrze Ziemi.

Sejsmometry, urządzenia do pomiaru takich fal, są odpowiednikiem teleskopów do badania wnętrza Ziemi.

Czytaj więcej o jądrze Ziemi:

• Co się stanie, jeśli jądro Ziemi się ochłodzi?
• Pole magnetyczne Ziemi odwraca się częściej – teraz wiemy dlaczego
• Czy moglibyśmy wysłać zrobotyzowaną sondę do jądra Ziemi?
• Czy Księżyc ma stopione jądro?

Na początku XX wieku rosnące temperatury, gdy dokopywaliśmy się głębiej do Ziemi, w połączeniu z analizą fal ziemskich przeprowadzoną przez sejsmologów, sugerowały, że wewnętrzne części naszej planety były przynajmniej częściowo stopione – wystarczająco gorące, by zamienić skałę i metal w ciecz.

A kluczowych odkryć dokonali dwaj naukowcy, którzy, co haniebne, nigdy nie byli nawet nominowani do Nagrody Nobla: Brytyjski geolog Richard Oldham i duńska sejsmolog Inge Lehmann.

Co fale mogą nam powiedzieć o strukturze Ziemi?

Pomyśl o fali, a prawdopodobnie pomyślisz o fali powierzchniowej, takiej, jaką można zobaczyć na morzu. Ale wiele fal – na przykład dźwięk – przemieszcza się przez ciało materiału.

Chociaż fale sejsmiczne, które powodują zniszczenia w trzęsieniu ziemi, to te, które przemieszczają się po powierzchni, istnieją również dwa rodzaje „fal ciała”, które przemieszczają się przez Ziemię. Fale P („P” oznacza „pierwotne”) są falami podłużnymi, tak jak dźwięk.

Wibrują one w kierunku ruchu, powodując zgniatanie i rozszerzanie się Ziemi w miarę ich przechodzenia.

Fale P przemieszczają się szybko – około 5 km na sekundę w skałach takich jak granit i do 14 km na sekundę w najgęstszych częściach płaszcza.

Drugi rodzaj fal ciała, fale S („S” oznacza „wtórne”), są wolniejsze, poprzeczne, przemieszczają się z boku na bok. W przeciwieństwie do fal P, nie mogą one podróżować przez ciecz, dlatego też te dwa rodzaje fal okazały się kluczowe w pomaganiu nam w zrozumieniu jądra Ziemi.

Wyobraźmy sobie, że mamy do czynienia z ogromnym trzęsieniem ziemi. Fale zaczynają przemieszczać się przez Ziemię.

Fale P wystrzeliwują do przodu, podczas gdy fale S podążają za nimi z mniej więcej połową prędkości. Oba rodzaje fal zostaną wykryte przez sejsmometry, które są używane do pomiaru drgań w ziemi, na całej Ziemi.

Ale tam, gdzie fale przechodzą przez jądro, aby dotrzeć do odległej stacji pomiarowej, znajduje się tak zwana strefa cienia. W odległości około 104° na obwodzie Ziemi od epicentrum trzęsienia fale znikają. Ale od 140° fale P pojawiają się ponownie, bez towarzyszących im fal S.

Już w 1906 roku Richard Oldham zdał sobie sprawę z implikacji tego dziwnego cienia. Oldham spędził większość swojej kariery w Geological Survey of India, często pracując w Himalajach.

Czytaj więcej o trzęsieniach ziemi:

• Czy zwierzęta mogą nam pomóc w przewidywaniu trzęsień ziemi?
• Jak powstrzymać trzęsienie ziemi
• Jak wygląda trzęsienie ziemi o magnitudzie 10?
• Płaskie płyty powiązane z mega trzęsieniami ziemi

Po przejściu na emeryturę w Wielkiej Brytanii w 1903 roku, wykorzystał dane zgromadzone w ciągu kilku poprzednich lat do zbadania wnętrza Ziemi. Zdał sobie sprawę, że obserwowane zachowanie fal P i S można by wyjaśnić, gdyby środek Ziemi był płynny.

W takim przypadku fale P byłyby załamywane przez płyn, uginając się tak jak światło, gdy przechodzi z wody do powietrza, pozostawiając charakterystyczny cień. Fale S, dla kontrastu, zostałyby całkowicie zatrzymane przez płynne jądro.

Przełom Oldhama doprowadził do powszechnie akceptowanego obrazu stopionego jądra, ale 30 lat później, Inge Lehmann zdała sobie sprawę, że pomysł Oldhama był zbyt prosty.

Załamanie fal P przez gęstą ciecz w centrum Ziemi powinno było wytworzyć całkowity cień.

W rzeczywistości pomiary wykonane za pomocą bardziej czułych sejsmometrów dostępnych w czasach Lehmanna wykazały, że słabe fale P wciąż docierały do strefy cienia.

Badając dane przechodzące przez planetę z trzęsienia ziemi w Nowej Zelandii w 1929 roku Lehmann zaproponował, że fale te były odbijane od granicy między wewnętrznym stałym jądrem a zewnętrzną cieczą.

Jego wyniki, opublikowane w 1936 roku, zostały potwierdzone dwa lata później przez Beno Gutenberga i Charlesa Richtera, którzy dokładnie wymodelowali efekty działania stałego jądra.

Bezpośrednie pomiary tych odbitych fal sejsmicznych pojawiły się ostatecznie w 1970 roku.

Z czego zbudowane jest jądro Ziemi?

Późniejsze badania wychwyciły jeszcze bardziej subtelne fale, które, z powodu ich opóźnionego nadejścia, musiały przejść przez płynne jądro zewnętrzne jako fale P, zanim zostały przekształcone w poprzeczne fale S w jądrze wewnętrznym, a następnie z powrotem w fale P w drodze na zewnątrz.

To odkrycie, potwierdzone dopiero w 2005 r., było kolejnym dowodem na istnienie stałego jądra.

Nawet w tym przypadku dokładna natura jądra wewnętrznego jest przedmiotem poważnej debaty. Temperatury, na przykład, mogą być opracowane tylko z badań eksperymentalnych, jak materiały topią się i krzepną pod ciśnieniem.

W rzeczywistości założenie, że jądro składa się głównie z żelaza i niklu pochodzi z połączenia częstotliwości występowania różnych pierwiastków w naszym lokalnym regionie Drogi Mlecznej i naszego zrozumienia, jak uformowała się nasza planeta.

Pod wpływem ogromnego ciśnienia panującego w centrum Ziemi – ponad trzy miliony razy większego od ciśnienia atmosferycznego – materiały mogą zachowywać się zupełnie inaczej niż w normalnych warunkach.

Chociaż najbardziej oczywistym pretendentem do wewnętrznego rdzenia jest stały stop niklu i żelaza, jest to możliwe dla bardzo gęstej plazmy – stan materii znaleźć w gwiazdę – aby mieć podobne właściwości. Jedną z trudności jest wiedza, jak materiały zachowują się w tak ekstremalnych środowiskach.

Wejdź do komórki kowadła diamentowego.

W tym niezwykłym urządzeniu punkty dwóch diamentów, o średnicy zaledwie ułamka milimetra, są ściskane razem.

Przyłożenie siły do małego obszaru wytwarza większe ciśnienie niż przyłożenie jej do szerokiego – dlatego deptanie obcasem szpilki jest o wiele bardziej bolesne niż płaską podeszwą.

Diamentowe kowadło wytwarza ciśnienie dwukrotnie większe niż jądro Ziemi, a ogrzewanie odbywa się za pomocą laserów.

Gdy metaliczne próbki są miażdżone i podgrzewane do warunków podobnych do rdzenia, wyniki sugerują istnienie krystalicznej bryły w centrum Ziemi.

Realistycznie rzecz biorąc, nigdy nie zbliżymy się do jądra Ziemi.

Poziomy ciepła, ciśnienia i radioaktywności (jedno z głównych źródeł wewnętrznego ogrzewania) są tak wysokie, że nawet gdybyśmy mogli przebić się przez ponad 6000 km skał i metalu, sonda nie byłaby w stanie przetrwać.

W porównaniu z dotarciem do jądra, podróż do zewnętrznych krańców Układu Słonecznego jest trywialna.

Ale własne wibracje naszej planety, wytwarzane przez trzęsienia ziemi i interpretowane przez naukowców tak genialnych jak Inge Lehmann, dają nam środki do zbadania umysłem miejsc, których nigdy nie odwiedzimy osobiście.

• Ten artykuł pojawił się po raz pierwszy w numerze 304 BBC Focus

.