How we know what lies at Earths core

Ludzie byli na całej Ziemi. Podbijaliśmy lądy, lataliśmy w powietrzu i nurkowaliśmy do najgłębszych rowów oceanicznych. Byliśmy nawet na Księżycu. Ale nigdy nie dotarliśmy do jądra naszej planety.

Nawet się do niego nie zbliżyliśmy. Centralny punkt Ziemi znajduje się ponad 6 000 km niżej, a nawet najbardziej zewnętrzna część jądra jest prawie 3 000 km pod naszymi stopami. Najgłębsza dziura, jaką udało nam się stworzyć na powierzchni, to Supergłęboki Otwór Kola w Rosji, który sięga zaledwie 12,3 km w dół.

Wszystkie znane wydarzenia na Ziemi również dzieją się blisko powierzchni. Lawa, która tryska z wulkanów, najpierw topi się zaledwie kilkaset kilometrów w dół. Nawet diamenty, które do powstania potrzebują ekstremalnego ciepła i ciśnienia, powstają w skałach na głębokości mniejszej niż 500 km.

To, co znajduje się pod tym wszystkim, jest owiane tajemnicą. Wydaje się to niezgłębione. A jednak o jądrze wiemy zaskakująco dużo. Mamy nawet pewne pojęcie o tym, jak uformowało się ono miliardy lat temu – a wszystko to bez jednej fizycznej próbki. Oto jak odkryto jądro.

Jednym z dobrych sposobów, aby zacząć, jest zastanowienie się nad masą Ziemi, mówi Simon Redfern z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii.

Większość masy Ziemi musi znajdować się w kierunku środka planety

Możemy oszacować masę Ziemi, obserwując wpływ grawitacji planety na obiekty na powierzchni. Okazuje się, że masa Ziemi wynosi 5,9 sekstylionów ton: to 59, po których następuje 20 zer.

Na powierzchni nie ma śladu niczego tak masywnego.

„Gęstość materiału na powierzchni Ziemi jest znacznie niższa niż średnia gęstość całej Ziemi, więc to mówi nam, że jest tam coś znacznie gęstszego” – mówi Redfern. „To pierwsza rzecz.”

W zasadzie większość masy Ziemi musi znajdować się w centrum planety. Kolejnym krokiem jest pytanie, z jakich ciężkich materiałów składa się jądro.

Odpowiedź brzmi, że prawie na pewno składa się ono głównie z żelaza. Uważa się, że jądro składa się w około 80% z żelaza, choć dokładna liczba jest przedmiotem debaty.

Żelazny rdzeń odpowiadałby za całą tę brakującą masę

Głównym dowodem na to jest ogromna ilość żelaza w otaczającym nas wszechświecie. Jest to jeden z dziesięciu najbardziej powszechnych pierwiastków w naszej galaktyce, często spotykany w meteorytach.

Zważywszy na to, jak wiele go jest, żelazo jest znacznie mniej powszechne na powierzchni Ziemi, niż moglibyśmy się spodziewać. Teoria głosi więc, że kiedy Ziemia uformowała się 4,5 miliarda lat temu, dużo żelaza przedostało się do jądra.

Tam znajduje się większość masy i tam też musi być większość żelaza. Żelazo jest stosunkowo gęstym pierwiastkiem w normalnych warunkach, a pod ekstremalnym ciśnieniem w jądrze Ziemi zostałoby zmiażdżone do jeszcze większej gęstości, więc żelazne jądro odpowiadałoby za całą tę brakującą masę.

Ale poczekaj chwilę. Jak to żelazo znalazło się tam w pierwszej kolejności?

Żelazo musiało w jakiś sposób grawitować – dosłownie – w kierunku centrum Ziemi. Ale nie od razu wiadomo, w jaki sposób.

Większość pozostałej części Ziemi składa się ze skał zwanych krzemianami, a stopione żelazo z trudem się przez nie przedostaje. Podobnie jak woda na tłustej powierzchni tworzy kropelki, żelazo przylega do siebie w małych zbiornikach, odmawiając rozprzestrzenienia się i przepływu.

Ciśnienie faktycznie zmienia właściwości tego, jak żelazo oddziałuje z krzemianem

Możliwe rozwiązanie zostało odkryte w 2013 roku przez Wendy Mao z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii i jej kolegów. Zastanawiali się oni, co się stało, gdy żelazo i krzemian zostały wystawione na działanie ekstremalnego ciśnienia, co ma miejsce głęboko w ziemi.

Przyciskając obie substancje niezwykle mocno za pomocą diamentów, byli oni w stanie zmusić stopione żelazo do przejścia przez krzemian.

„Ciśnienie faktycznie zmienia właściwości tego, jak żelazo oddziałuje z krzemianem”, mówi Mao. „Przy wyższym ciśnieniu tworzy się 'sieć topnienia'.”

To sugeruje, że żelazo było stopniowo przeciskane przez skały Ziemi przez miliony lat, aż dotarło do jądra.

W tym momencie możesz się zastanawiać, skąd znamy rozmiar jądra. Co sprawia, że naukowcy uważają, że zaczyna się ono 3000 km niżej? Odpowiedź jest jedna: sejsmologia.

Wszystkie stacje sejsmiczne rozsiane po całej Ziemi zarejestrowały nadejście wstrząsów

Gdy następuje trzęsienie ziemi, wysyła ono fale uderzeniowe na całą planetę. Sejsmolodzy rejestrują te wibracje. To tak, jakbyśmy uderzyli w jedną stronę planety gigantycznym młotkiem, a po drugiej stronie słuchali odgłosów.

„W latach 60. ubiegłego wieku miało miejsce trzęsienie ziemi w Chile, które wygenerowało ogromną ilość danych” – mówi Redfern. „Wszystkie stacje sejsmiczne rozsiane po całej Ziemi zarejestrowały nadejście wstrząsów pochodzących z tego trzęsienia.”

Zależnie od trasy, jaką przebywają te drgania, przechodzą one przez różne fragmenty Ziemi, a to wpływa na to, jak „brzmią” na drugim końcu.

Wcześniej w historii sejsmologii zdano sobie sprawę, że niektóre drgania umykają. Oczekiwano, że te „fale S” pojawią się po jednej stronie Ziemi po tym, jak powstaną po drugiej, ale nie było po nich śladu.

Okazało się, że skały stały się płynne około 3000 km w dół

Powód tego był prosty. Fale S mogą rozchodzić się tylko w materiale stałym, nie mogą przechodzić przez ciecz.

Musiały natrafić na coś stopionego w centrum Ziemi. Dzięki odwzorowaniu ścieżek fal S okazało się, że skały stały się płynne około 3000 km niżej.

To sugerowało, że całe jądro było stopione. Jednak sejsmologia miała w zanadrzu jeszcze jedną niespodziankę.

W latach 30. XX wieku duński sejsmolog Inge Lehmann zauważył, że inny rodzaj fal, zwany falami P, nieoczekiwanie przemieszczał się przez jądro i mógł zostać wykryty po drugiej stronie planety.

Fale P naprawdę podróżowały przez jądro

Wymyśliła zaskakujące wyjaśnienie: jądro jest podzielone na dwie warstwy. Jądro „wewnętrzne”, które zaczyna się około 5 000 km niżej, było w rzeczywistości stałe. Dopiero znajdujący się nad nim rdzeń „zewnętrzny” był stopiony.

Pomysł Lehmanna został ostatecznie potwierdzony w 1970 r., kiedy to bardziej czułe sejsmografy stwierdziły, że fale P rzeczywiście wędrują przez rdzeń, a w niektórych przypadkach są od niego odchylane pod kątem. Oczywiście, nadal kończyły się po drugiej stronie planety.

Nie tylko trzęsienia ziemi wysyłały użyteczne fale uderzeniowe przez Ziemię. W rzeczywistości sejsmologia zawdzięcza wiele ze swojego sukcesu rozwojowi broni jądrowej.

Detonacja jądrowa również tworzy fale w ziemi, więc narody używają sejsmologii do nasłuchiwania testów broni. Podczas zimnej wojny było to postrzegane jako niezwykle ważne, więc sejsmolodzy tacy jak Lehmann otrzymywali wiele zachęt.

Okazuje się, że jest to dość trudne do ustalenia

Rywalizujące ze sobą kraje dowiadywały się nawzajem o swoich możliwościach nuklearnych, a po drodze dowiadywaliśmy się coraz więcej o jądrze Ziemi. Sejsmologia jest do dziś wykorzystywana do wykrywania detonacji jądrowych.

Możemy teraz nakreślić przybliżony obraz struktury Ziemi. Istnieje stopione jądro zewnętrzne, które zaczyna się mniej więcej w połowie drogi do środka planety, a wewnątrz niego znajduje się stałe jądro wewnętrzne o średnicy 1220 km.

Jest jednak jeszcze wiele do odkrycia, zwłaszcza na temat jądra wewnętrznego. Na początek, jak gorące ono jest?

To okazuje się być dość trudne do określenia i do niedawna wprawiało naukowców w zakłopotanie, mówi Lidunka Vočadlo z University College London w Wielkiej Brytanii. Nie możemy włożyć tam termometru, więc jedynym rozwiązaniem jest stworzenie odpowiedniego ciśnienia zgniatania w laboratorium.

Jądro Ziemi pozostaje ciepłe dzięki ciepłu zachowanemu podczas formowania się planety

W 2013 r. zespół francuskich badaczy dokonał najlepszego jak dotąd oszacowania. Poddali oni czyste żelazo ciśnieniu o połowę niższemu niż w jądrze i na tej podstawie dokonali ekstrapolacji. Doszli do wniosku, że temperatura topnienia czystego żelaza w temperaturach panujących w jądrze wynosi około 6 230 °C. Obecność innych materiałów obniżyłaby nieco temperaturę topnienia rdzenia, do około 6 000 °C. Ale to wciąż jest tak gorące jak powierzchnia Słońca.

Trochę jak smaczny ziemniak, jądro Ziemi pozostało ciepłe dzięki ciepłu zachowanemu podczas formowania się planety. Otrzymuje ono również ciepło z tarcia, gdy gęstsze materiały przesuwają się wokół, jak również z rozpadu pierwiastków radioaktywnych. Mimo to stygnie o około 100°C co miliard lat.

Znajomość temperatury jest przydatna, ponieważ wpływa na prędkość, z jaką drgania przemieszczają się przez jądro. Jest to przydatne, ponieważ jest coś dziwnego w tych wibracjach.

Fale P przechodzą przez wewnętrzne jądro niespodziewanie wolno – wolniej niż gdyby było ono wykonane z czystego żelaza.

To problem Kopciuszka: żaden but nie będzie pasował

„Prędkości fal, które sejsmolodzy mierzą w trzęsieniach ziemi i nie tylko, są znacznie niższe niż wszystko, co mierzymy w eksperymencie lub obliczamy na komputerze”, mówi Vočadlo. „Nikt jak dotąd nie wie, dlaczego tak jest.”

To sugeruje, że w mieszance znajduje się inny materiał.

Może to być równie dobrze inny metal, zwany niklem. Ale naukowcy oszacowali, jak fale sejsmiczne przechodzą przez stop żelaza i niklu, i to też nie do końca pasuje do odczytów.

Vočadlo i jej koledzy zastanawiają się teraz, czy na dole mogą być też inne pierwiastki, takie jak siarka i krzem. Jak dotąd nikt nie był w stanie przedstawić teorii składu jądra wewnętrznego, która zadowoliłaby wszystkich. To problem Kopciuszka: żaden but nie będzie pasował.

To mogłoby wyjaśnić, dlaczego fale sejsmiczne przechodzą wolniej niż się spodziewano.

Vočadlo próbuje symulować materiały jądra wewnętrznego na komputerze. Ma nadzieję znaleźć kombinację materiałów, temperatur i ciśnień, które spowolniłyby fale sejsmiczne o odpowiednią ilość.

Mówi, że sekret może leżeć w tym, że wewnętrzne jądro jest prawie w punkcie topnienia. W rezultacie dokładne właściwości materiałów mogą się różnić od tych, które byłyby, gdyby były one bezpiecznie stałe.

To mogłoby wyjaśnić, dlaczego fale sejsmiczne przechodzą przez nie wolniej niż się spodziewano.

„Jeśli to jest prawdziwy efekt, bylibyśmy w stanie pogodzić wyniki fizyki minerałów z wynikami sejsmologicznymi” – mówi Vocadlo. „Ludzie nie byli jeszcze w stanie tego zrobić.”

Jest wiele zagadek dotyczących jądra Ziemi, które wciąż pozostają do rozwiązania. Jednak bez kopania na tak wielką głębokość naukowcy dowiedzieli się już bardzo wiele o tym, co dzieje się tysiące kilometrów pod nami.

Pole magnetyczne pomaga chronić nas przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym

Te ukryte w głębi Ziemi procesy są kluczowe dla naszego codziennego życia, w sposób, z którego wielu z nas nie zdaje sobie sprawy.

Ziemia ma potężne pole magnetyczne, a to wszystko dzięki częściowo stopionemu jądru. Ciągły ruch stopionego żelaza wytwarza prąd elektryczny wewnątrz planety, a to z kolei generuje pole magnetyczne, które sięga daleko w przestrzeń kosmiczną.

Pole magnetyczne pomaga nam chronić się przed szkodliwym promieniowaniem słonecznym. Gdyby jądro Ziemi nie było takie, jakie jest, nie byłoby pola magnetycznego, a my mielibyśmy różnego rodzaju problemy, z którymi musielibyśmy się zmagać.

Nikt z nas nigdy nie zobaczy jądra, ale dobrze jest wiedzieć, że ono tam jest.

Dzięki temu, że Ziemia jest taka, jaka jest, możemy być pewni, że jest.