Wnętrze Ziemi

Ziemia - błękitna planeta, piąta największa w Układzie Słonecznym, ma obwód około 40 076 km, średnicę 12 756 km i szacuje się, że liczy 4,6 mld lat. Zewnętrzna warstwa Ziemi jest stosunkowo młoda, ma zaledwie 500 mln lat. Powierzchnia naszego globu wynosi
510 mln km2, z czego 71% pokrywa woda. Waga Ziemi wynosi 5,972 sekstylionów ton
(co oznacza, że po liczbie 5,972 znajduje się aż 18 zer) i większość masy zawarta jest
w płaszczu. Skorupa stanowi nie więcej niż około jednej dwusetnej całkowitej wagi.
Ziemia zbudowana jest z wielu pierwiastków. Jedne z nich występują w śladowych ilościach, innych jest nieco więcej. Największy udział w budowie mają dwa pierwiastki: żelazo (44,8%) oraz tlen (24,4%) w sumie razem 69,2%. Dalsze miejsca zajmują: krzem
12,1 %, magnez 9,4%, nikiel 4,0%, siarka 1,4%, glin, wapń oraz pozostałe 1,7%.
Wydawałoby się, że wiemy, gdzie my ludzie żyjemy. Podczas gdy satelity i teleskopy obserwują najbardziej odległe zakątki Układu Słonecznego, wgląd we wnętrze Ziemi ogranicza się jedynie do wierceń na głębokość około 13 kilometrów.
W 1864 roku francuski pisarz Juliusz Verne określił środek naszego globu jako fantastyczne królestwo ciemności. Dziś wiemy, że świat pod naszymi stopami nie jest przyjemnym miejscem do złożenia wizyty. Jednak dzięki zastosowaniu nowych metod pomiarów i analiz, naukowcy są w stanie uzyskiwać coraz więcej informacji na temat potężnych sił panujących wewnątrz błękitnej planety.
Wnętrze Ziemi nie jest jednorodne. Ziemia zbudowana jest warstwowo, o czym świadczy odbijanie i załamywanie fal sejsmicznych na pewnych głębokościach. Warstwy budujące wnętrze Ziemi posiadają grubość od kilku do kilkudziesięciu kilometrów, różnią się składem chemicznym i gęstością (świadczy o tym szybkość przechodzenia fal – przez warstwy o większej gęstości fale przechodzą szybciej), porozdzielane są warstwami
o cechach przejściowych, które nazywamy warstwami nieciągłości. Powierzchnie nieciągłości oddzielają warstwy o różnych właściwościach. Podstawowa granica nieciągłości występuje
na głębokości 2 900 km.
Zewnętrzną część planety Ziemi stanowi skorupa ziemska. Podłoże kontynentów zbudowane jest z granitów, natomiast w dnie oceanów odnajdujemy duże pokrywy bazaltowe. Temperatura w skorupie ziemskiej wzrasta wraz z głębokością średnio o 3oC na 100 metrów. Pod skorupą znajduje się płaszcz, który ma około 2 900 km grubości i stanowi 80% objętości kuli ziemskiej. Panują tam bardzo wysokie temperatury, dlatego skały są plastyczne. Skorupa ziemska oraz górna część płaszcza Ziemi to litosfera. Pod płaszczem znajduje się jądro Ziemi. Jądro dzieli się na jądro zewnętrzne i jądro wewnętrzne. Jądro zewnętrzne znajduje się
na głębokości pomiędzy 2900 km a 5 200 km. Zbudowane jest z metali w stanie ciekłym. Przyczyną stopienia się metali są panujące tam bardzo wysokie temperatury. Im dalej w głąb Ziemi, tym temperatura jest wyższa. Jednakże w jądrze wewnętrznym Ziemi, poniżej
5 100 km od powierzchni, metale występują w stanie stałym. Jest to spowodowane panującym tam ogromnym ciśnieniem, które pomimo temperatury sięgającej kilku tysięcy stopni (ponad 6000 oC), uniemożliwia stopienie się metali.

Wnętrze Ziemi badamy za pomocą:
· odwiertów – najgłębszy znajduje się w Rosji na Półwyspie Kolskim i ma 13 km głębokości,
· badania prędkości rozchodzenia fal sejsmicznych – fale te szybciej rozchodzą się
w ośrodkach o dużej gęstości a wolniej w ośrodkach o małej gęstości. Znając gęstość skał występujących na powierzchni Ziemi i prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych możemy wnioskować o rodzajach skał budujących wnętrze Ziemi,
· analizy skał wydostających się z wulkanu w czasie erupcji,
· analizy meteorytów – są to ciała, które powstały w tym samym czasie, co tworzyła się Ziemia. Ich analiza pozwoli wnioskować na temat budowy jądra Ziemi.

Jaskinie - tak samo jak głębiny oceanów, należą do ostatnich nie spenetrowanych regionów na Ziemi. Oba są jakby oknami, przez które można popatrzeć na wnętrze naszej planety. Pierwsza opisana wyprawa naukowa do jaskini odbyła się około 3000 lat temu.
W 852 roku p.n.e. król Asyrii Salamanassar III badał tereny górnego biegu Tygrysu. Jego ekspedycja pozostawiła napisy oraz malowidła władcy na ścianach dwóch pieczar stalagmitowych, które znajdowały się nad strumieniami górnego biegu rzeki. Ci pierwsi speleolodzy pozostawili zapis swojej wyprawy do środka Ziemi na płycie z brązu: prawdopodobnie przedstawia on najwcześniejszy wizerunek stalagmitu.
Systematyczne penetracje jaskiń rozpoczęły się dopiero na początku XX wieku. Badacze jaskiń, by dostać się do miejsc, gdzie nikt jeszcze nie przebywał, gotowi są czołgać się w zupełnie ciemnych tunelach, przeciskać się wraz z ciężkim sprzętem przez wąskie szczeliny skalne, spuszczać się na linie w otchłanie bez dna oraz pływać w lodowatej wodzie podziemnych oceanów. Speleolodzy, to pracownicy interdyscyplinarni, znawcy geologii, mineralogii, hydrologii, archeologii, biologii i różnych innych pokrewnych nauk. Poszukują pyłków kwiatowych w warstwach twardej gliny w celu odtworzenia fauny poprzednich er; badają warunki klimatyczne odległych epok licząc „słoje” w stalaktytach i stalagmitach oraz analizują szczątki naszych przodków zamieszkujących niegdyś w jaskiniach. Speleolodzy opracowali specjalne metody i urządzenia do badania tego podziemnego świata. Stosują na przykład fosforyzujące barwniki do identyfikacji tras podziemnych strumieni.
Jak na razie, nam ludziom udało się przeniknąć do skorupy ziemskiej zaledwie na głębokość 13 kilometrów. Niemniej jednak, pod pewnymi względami, posiadamy bardzo dokładne wiadomości na temat budowy naszej planety i zachodzących w jej wnętrzu procesów. Informacje uzyskują uczeni różnych specjalności z całego świata, którzy pracują nad badaniem coraz to nowych próbek i nieustannie analizują otrzymywane wyniki.
Wszystkie naukowe sondowania i pomiary są pośrednie, ponieważ wnętrze Ziemi jest ciekłe i okrutnie gorące.
Wobec powyższego naukowcy muszą określać temperaturę wnętrza Ziemi sposobami pośrednimi. Pomiary prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych przenikających glob ziemski pozwalają geofizykom określić gęstość i sztywność skał na głębokościach niedostępnych bezpośrednim badaniom. Jeżeli można porównać te własności z własnościami znanych substancji w wysokich ciśnieniach i temperaturach, daje to ogólne pojęcie
o warunkach panujących we wnętrzu Ziemi. Warunki w środku Ziemi są tak ekstremalne, że trudno jest zaproponować jakiekolwiek doświadczenie laboratoryjne, które by wiernie odzwierciedlało warunki panujące w jądrze ziemskim. Mimo wszystko, geofizycy ciągle przeprowadzają takie doświadczenia, stale je ulepszając, tak by wyniki mogły być ekstrapolowane w celu otrzymania wartości istniejących w środku Ziemi, gdzie ciśnienie ponad trzy miliony razy przewyższa ciśnienie atmosferyczne.
Gdybyśmy bardzo dokładnie znali temperaturę topnienia żelaza pod wysokim ciśnieniem, moglibyśmy dokładniej określić temperaturę jądra Ziemi, składającego się głównie ze stopionego żelaza. Kiedy tylko nasze doświadczenia w wysokich temperaturach staną się precyzyjniejsze, rozwieje się niepewność co do tej podstawowej własności naszej planety.
Wiedzę o budowie naszej planety zawdzięczamy również jej własnej, naturalnej sile niszczącej, czyli trzęsieniom ziemi. Sejsmolodzy wykorzystują fale powstałe podczas trzęsień ziemi do badania najbardziej wewnętrznej struktury naszej planety. W celu uzyskania informacji o stanie wnętrza naszego globu, sejsmolodzy badają dane zebrane przez niezwykle czułe urządzenia zainstalowane na stacjach sejsmicznych. Prędkość fal uderzeniowych wychodzących z epicentrum jest tym większa im większa jest gęstość skały przez która przechodzą. To dostarcza uczonym wielu informacji na temat świata znajdującego się pod naszymi stropami. Zebrane od tysięcy sejsmologów dane pozwoliły na utworzenie obrazu Ziemi na wzór zdjęcia rentgenowskiego. Jedna rzecz stała się jasna: nie jest prawdą, że warstwy skał stają się coraz bardziej gęste i ciężkie w miarę zbliżania się do jądra. Fale uderzeniowe, które rozchodzą się we wnętrzu całej planety wskazują na istnienie wyraźnych nieregularności w składzie skał.
Praca wulkanologa może być niebezpieczna, gdyż czasami musi on osobiście pobrać próbki gorącej lawy, które później trafiają do laboratorium geochemika. Dla wulkanologa skład chemiczny próbki lawy jest rodzajem odcisków palców, które kryją wiek oraz pochodzenie skały.
Geochemik musi przygotować próbkę lawy do analizy. Najpierw kruszy ją na mniejsze kawałki, po czym proszkuje i dokładnie rozpuszcza w kwasie. W ten sposób związki chemiczne zostają rozłożone na pierwiastki. Na koniec, próbka jest podgrzewana w celu odparowania kwasu. Po wydzieleniu się pierwiastków, można zastosować spektrometr masowy, by określić jak często występuje dany izotop (izotopy to atomy o różnych masach
z jednego chemicznego pierwiastka). Na przykład, wysoka proporcja izotopów wapnia wskazywałaby na to, że lawa pochodzi z dużych głębokości.

Petrolodzy to specjaliści od skał, których interesują minerały z najgłębszych części Ziemi. Stosując wyrafinowane techniki analizy, określają wiek minerałów, jak również badają ich skład chemiczny i właściwości fizyczne. Wśród narzędzi petrologów znajdują się najnowocześniejsze instrumenty wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe, dzięki którym naukowcy są w stanie w laboratorium stworzyć warunki panujące na głębokościach
do 300 km pod powierzchnią ziemi.
Bernhard Wood jest jednym z petrologów badających próbki skał pochodzących z wnętrza Ziemi. Aby określić, możliwie jak najdokładniej, z jakiej głębokości pochodzi próbka lawy, stosuje się specjalną metodę: poddaje minerały tworzące lawę warunkom w jakich znajdują
w płaszczu Ziemi. Jeśli próbka zawiera wapń i glin, to naukowiec wnioskuje, że pochodzi ona ze znacznej głębokości. Ale proporcje tych pierwiastków zawartych w różnych minerałach zależą w dużym stopniu od ciśnienia. Wood symuluje różne ciśnienia panujące wewnątrz planety i `używając sztucznych skał obserwuje zmiany zachodzące w ich składzie. Gdy skład skały podobny jest do badanej próbki lawy, to po zestawieniu danych z ciśnieniem może ustalić, ze stosunkowo dużą dokładnością, z jakiej głębokości pochodzi. Petrolog zaczyna
od zamontowania kawałka minerału własnej produkcji pomiędzy kostkami węglika wolframu – bardzo twardego materiału, stosowanego również w produkcji narzędzi do tunelowych maszyn wiertniczych. Kostki są częściowo pokryte powłoką ceramiczną oraz formowane w taki sposób, by siły działające na nie były skoncentrowane w środku. Następnie, cała aparatura eksperymentalna zostaje umieszczona w specjalnym urządzeniu wysokociśnieniowym. Podczas kolejnych 4-5 godzin, naukowiec podnosi ciśnienie aż
do momentu, gdy na próbkę zadziała siła równa 500 tonom, wtedy wystawia ją jeszcze
na promieniowanie cieplne zwiększając temperaturę do 1700 oC. Składy mineralne próbki lawy i sztucznego kamienia będą do siebie pasowały tylko wtedy, kiedy eksperyment przeprowadzony będzie we właściwych warunkach.

Mimo dość dużej wiedzy jaką posiadamy na temat wnętrza naszej Błękitnej Planety, podróż do środka Ziemi nie straciła wcale na swojej atrakcyjności i nadal fascynuje ludzi.