Tajemnice wnętrza ziemi

Czy wiecie, że wnętrze ziemi jest „piecem hutniczym” z wytopionym żelazem o temperaturze 10 tysięcy stopni i pod ciśnieniem 3 milionów atmosfer?

Jest rzeczą zastanawiającą, jak mało interesowała się ludzkość wewnętrzną budową Ziemi i jak niewiele uczyniła dla jej poznania, mimo że zamieszkuje jej powierzchnię od wielu tysięcy lat. Wprawdzie badania wnętrza naszego globu są szczególnie utrudnione przez to, że nie jest ono bezpośrednio dostępne dla człowieka. Niemniej jednak godnym uwagi jest fakt, że rozmiary Ziemi zostały w przybliżeniu ustalone już przez Eratostenesa w III wieku przed Chr., podczas gdy poznanie jej tajemniczego wnętrza w najgrubszych zary­sach stało się udziałem dopiero ostatnich kilkudziesięciu lat. Obraz tego wnętrza, jaki nam obecnie kreśli geofizyka, jest więc bar­dzo świeży, a przy tym niezupełny i ulega jeszcze zmianom w miarę postępu badań naukowych.

Niech nam wolno będzie przedstawić tu pokrótce niektóre z dotychczasowych wy­ników oraz aktualnych zagadnień, odnoszą­cych się do tego przedmiotu.

Jednym z podstawowych problemów geo­fizyki jest gęstość Ziemi. Do XVIII wieku trudno było coś konkretnego powiedzieć na ten temat wobec braku jakichkolwiek da­nych. W roku 1797 przyrodnik angielski Caven­dish pierwszy znalazł za pomocą swej mi­sternej wagi skręceń masę Ziemi, a znając jej objętość, mógł tym samym wyznaczyć jej gęstość średnią. Według Cavendisha gę­stość naszej planety jako całości wynosiła 5,45 (gęstość wody = 1,0), dziś przyjmuje­my wartość 5,52. Ponieważ gęstość wierzchnich warstw skorupy wynosi zale­dwie 2,7, więc zrozumiałą jest rzeczą, że wnętrze Ziemi musi mieć znacznie większą gęstość niż jej gęstość średnia. Dawniej przyjmowano, że gęstość wzrasta wraz z głę­bokością w sposób ciągły aż do środka Ziemi, gdzie osiąga maksimum, były to jednak tyl­ko przypuszczenia, oparte na dowolnym za­łożeniu, że budowa wgłębna Ziemi jest ciągła.

Prawdziwą epokę w tej dziedzinie stworzyła dopiero nauka o trzęsieniach ziemi —sejsmologia. Gdy zaczęto analizować fale sejsmiczne, przychodzące z odległych trzę­sień ziemi, to okazało się, że niektóre z fal, przebiegając na wskroś poprzez glob ziemski, ulegają na pewnych głębokościach załama­niom i odbiciom. To zaś z kolei prowadziło do wniosku, że wnętrze Ziemi nie jedno­lite, lecz że składa sie z różnych warstw o różnych własnościach fizycznych, a przede wszystkim o różnych gęstościach.

Jak wygląda budowa Ziemi w świetle fal sejsmicznych? Składa się ona co naj­mniej z czterech warstw koncentrycznych o różnej grubości, złożonych z różnych ma­teriałów.

Najbardziej zewnętrzną warstwą jest sko­rupa ziemska, której powierzchnię zamiesz­kujemy wraz z całym światem zwierzęcym i roślinnym. Ma ona grubość około 60 km i składa się ze skał krystalicznych o średniej gęstości 3,0. Górną jej część (z wyjątkiem wierzchniej warstwy o bardzo zmiennym składzie skał osadowych) tworzą przeważnie granity, dolną zaś — podłoże bazaltowe. W stosunku do całej Ziemi masa skorupy jest zadziwiająco mała, wynosi bowiem za­ledwie nieco więcej niż 1 proc. ogólnej masy.

Następną z kolei warstwą jest tzw. płaszcz, zalegający od głębokości 60 km aż do 1600 km, złożony głównie z tlenków krzemu, ma­gnezu i żelaza. Gęstość jego jest jeszcze nie­wielka (3,4). Osobliwością płaszcza jest, że materiał jego jest w stanie stałym, lecz sto­pniowym wskutek działania wysokiej tem­peratury.

Co do następnej warstwy, tzw. przejścio­wej, to wypełnia ona wnętrze od głębokości 1600 km aż do 2900 km i jest złożona pra­wdopodobnie głównie z krzemianów i związków żelaza, przy czym gęstość w niej szybko wzrasta z głębokością. Wraz z płaszczem sta­nowi ona 70% masy globu ziemskiego. Cechą charakterystyczną warstwy przejściowej jest jej niezwykła sztywność, kilkakrotnie więk­sza od sztywności stali w warunkach nor­malnych. Co do tego nie ma żadnych wątpli­wości, gdyż od sztywności ośrodka zależy prędkość fal sejsmicznych, ta zaś z łatwo­ścią może być wyznaczona na stacjach sej­smograficznych.

Najciekawszą jednak częścią wnętrza kuli ziemskiej jest jej jądro. Jak pestka w owocu wiśni zajmuje ono centralną część Ziemi w postaci kuli o promieniu nieco większym niż połowa promienia ziemskiego.

Jądro wypełnia 1/6 objętości Ziemi, stano­wi przeszło jedną czwartą jej masy, ma gę­stość od 10 do 11 i najprawdopodobniej skła­da się z płynnego żelaza w stanie białego ża­ru. Ponieważ jądro jest najgłębszą strefą ku­li ziemskiej, mogłoby się wydawać, że wiado­mości nasze o nim są najmniej pewne. Tak jednak nie jest. Najlepiej może wyjaśnimy nasuwające się tu wątpliwości w formie dia­logu między osobami A (adeptem wiedzy) i G (geofizykiem).

A. Na jakiej podstawie nauka przyjmuje istnienie jądra we wnętrzu Ziemi?
G. Głównie na podstawie wyników sejs­mologii. Stwierdzono mianowicie, że na głę­bokości 2900 km fale odległych trzęsień zie­mi silnie się załamują i odchylają od pier­wotnego kierunku. Sprawiać to może tylko ciężkie jądro centralne o promieniu około 3470 km. Podobnie jak kula szklana koncen­truje promienie świetlne na ekranie w posta­ci jasnej plamy, otoczonej cieniem kuli, tak jądro ziemskie skupia fale sejsmiczne na pewnym obszarze powierzchni Ziemi, a je­dnocześnie rzuca „cień naokoło niego w po­staci szerokiego pierścienia. Cień ten jest najlepszym dowodem istnienia jądra ziem­skiego.