„Pokud vám někdy spadnou klíče do řeky roztavené lávy, nechte je být, protože, člověče, jsou pryč.“ -Jack Handey
Podívejte se na naši domovskou planetu Zemi a jednou z věcí, které si všimnete, je, že více než 70 % povrchu pokrývá voda.
Všichni samozřejmě víme, proč tomu tak je: je to proto, že pozemské oceány plují na horninách a hlíně, které tvoří to, co známe jako pevninu.
Tento koncept vznášení a vztlaku – kdy se méně husté předměty vznášejí nad těmi hustšími, které klesají ke dnu – vysvětluje mnohem více než jen oceány.
Tentýž princip vysvětluje, proč led plave na vodě, proč heliový balón stoupá atmosférou nebo proč kameny klesají na dno jezera, přičemž poslední z nich spočívá v tom, že kolem kamene stoupá méně hustá voda. Tentýž princip – vztlaku – také vysvětluje, proč je Země vrstevnatá tak, jak je.
Nejméně hustá část Země, atmosféra, se vznáší nad vodnatými oceány, které se zase vznášejí nad zemskou kůrou, jež leží nad hustším pláštěm, který se sám nemůže propadnout do nejhustší části Země: jádra.
Nejstabilnější stav, v jakém by se Země mohla nacházet, je takový, který by byl dokonale rozvrstvený jako cibule, přičemž nejhustší prvky by byly všechny směrem k jejímu středu a každá vnější vrstva by byla postupně tvořena méně hustými prvky. Každé zemětřesení, ke kterému na Zemi dojde, je vlastně přiblížením planety o jeden velmi malý krůček k tomuto ideálnímu stavu, protože rychlost naší rotace se po každém zemětřesení mírně zrychlí.
A tento obraz našeho světa, rozvrstveného podle hustoty s méně hustými vrstvami obklopujícími postupně hustší vnitřní vrstvy, vysvětluje strukturu nejen Země, ale všech planet. Stačí si jen uvědomit, kde se všechny tyto prvky vůbec vzaly.
Když byl vesmír velmi mladý – starý jen několik minut – existovaly prakticky jen vodík a helium. Všechny těžší vznikaly ve hvězdách a teprve když tyto hvězdy zanikly, byly tyto těžké prvky recyklovány zpět do vesmíru, což umožnilo vznik nových generací hvězd.
Tentokrát se však směs všech těchto nových prvků – nejen vodíku a helia, ale i uhlíku, dusíku, kyslíku, křemíku, hořčíku, síry, železa a dalších – podílí nejen na vzniku nových hvězd, ale i protoplanetárního disku kolem každé z těchto hvězd.
Vnější tlak nově vznikající hvězdy přednostně vytlačuje lehčí prvky směrem k vnějším částem sluneční soustavy, zatímco gravitace způsobuje nestabilitu v disku, který se hroutí a vytváří to, co se stane planetami.
V případě naší sluneční soustavy jsou čtyři nejvnitřnější světy čtyřmi nejhustšími planetami sluneční soustavy, přičemž Merkur je složen z nejhustších prvků. Všechny čtyři z nich si nedokázaly gravitačně udržet velké množství vodíku a helia, s nimiž vznikly, což jim zabránilo stát se plynnými obry jako ostatní čtyři planety naší Sluneční soustavy.
Vnější planety, které jsou jednak hmotnější, jednak vzdálenější od Slunce (a tudíž přijímají méně záření), si však dokázaly udržet velké množství těchto ultralehkých prvků a vytvořily plynné obry.
Každý z těchto světů, podobně jako Země, má – celkově – nejhustší prvky soustředěné v jádře, přičemž lehčí prvky tvoří postupně méně a méně husté vrstvy v jeho okolí.
Nemělo by být velkým překvapením, že železo, nejstabilnější prvek a nejtěžší prvek, který vzniká ve velkém množství mimo supernovy, je nejhojnějším prvkem v jádru Země. Možná vás ale překvapí, že mezi pevným vnitřním jádrem a pevným pláštěm leží více než 2000 kilometrů silná vrstva kapaliny: vnější jádro Země.
Podobně jako nechutná žvýkačka, kterou nosila vaše babička, má Země v sobě obrovskou vrstvu kapaliny, která obsahuje plných 30 procent hmotnosti naší planety! Způsob, jakým víme, že vnější jádro je tekuté, je zcela geniální: ze seismických vln vznikajících při zemětřeseních!“
Při zemětřeseních vznikají dva různé typy seismických vln: primární kompresní vlna, známá jako vlna P, která působí jako puls přes šlajsnu,
a sekundární smykovou vlnu, známou jako S-vlna, která se šíří jako vlny na mořské hladině.
Obě vlny se pohybují v kulovém obalu směrem ven z místa svého vzniku na Zemi, zasahují a vlní se nejen na povrchu v blízkosti svého epicentra, ale po celém světě! Seismické monitorovací stanice po celém světě jsou vybaveny tak, aby zachytily vlny P i S, ale vlny S neprocházejí kapalinou (jsou však tlumeny), zatímco vlny P nejenže procházejí kapalinou, ale jsou lomeny!
V důsledku toho se můžeme dozvědět, že Země má tekuté vnější jádro, k němu pevný vnější plášť a k němu pevné vnitřní jádro! Proto má Země ve svém jádru nejtěžší a nejhustší prvky a proto víme, že její vnější jádro je kapalné.
Ale proč je vnější jádro kapalné? Stejně jako u všech ostatních prvků závisí to, zda je železo pevné, kapalné, plynné nebo „jiné“, na jeho tlaku i teplotě.
Železo je však mnohem složitější než mnohé prvky, na které jste možná zvyklí. Jistě, může nabývat různých krystalických pevných fází, jak je znázorněno výše, ale nás nezajímají tyto běžné tlaky, znázorněné na schématech výše. Jdeme až do nitra Země, kde tlak není jen několikanásobkem (nebo dokonce několikasetnásobkem) atmosférického tlaku, na který jsme zvyklí, ale spíše milionkrát vyšší než na úrovni hladiny moře. Jak vypadá fázový diagram pro takové nadměrné tlaky?“
Na vědě je úžasné, že i když neznáte odpověď z hlavy, je pravděpodobné, že někdo provedl výzkum, kde můžete odpověď najít! V tomto případě mají Ahrens, Collins a Chen, 2001 odpověď, kterou hledáme!
Ačkoli tento diagram ukazuje obrovské tlaky – až 120 GigaPascalů – je důležité si uvědomit, že naše atmosféra má pouze 0,0001 GigaPascalů, zatímco ve vnitřním jádru panují tlaky odhadované na 330-360 Gpa! Nejvyšší plná čára představuje hranici mezi roztaveným železem (nad čarou) a pevným železem (pod ní). Všimněte si však, jak se hned na samém okraji pevné čáry prudce stáčí vzhůru?
K roztavení železa při tlaku 330 GigaPascalů je zapotřebí obrovské teploty, srovnatelné s teplotami na povrchu Slunce. Stejné teploty však při nižších tlacích snadno udrží železo v kapalné fázi, zatímco při vyšších tlacích se železo zformuje do pevné fáze. Co to znamená pro jádro Země?“
Nejvyšší teplota – ve středu Země -, které naše planeta dosahuje, je něco málo pod 6 000 Kelvinů, přičemž teplota tání železa na hranici vnitřního jádra a vnějšího jádra se podle nejnovějších odhadů pohybuje také těsně kolem této hodnoty.
Ale tady je ten kámen úrazu: Země se časem ochlazuje, protože její teplo je vyzařováno do vesmíru rychleji, než generuje vlastní teplo z radioaktivního rozpadu. Uvnitř Země její vnitřní teplota klesá, zatímco tlak zůstává konstantní.
Jinými slovy, když Země poprvé vznikla, byla žhavější; je velmi pravděpodobné, že celé jádro bylo kdysi tekuté, a jak se stále ochlazuje, vnitřní jádro stále roste! A jak se tak děje, protože pevné železo má vyšší hustotu než tekuté, Země se mírně smrští, což si vyžádá co?
Více zemětřesení!“
Zemské jádro je tedy tekuté, protože je dostatečně horké na to, aby roztavilo železo, ale jen v místech, kde je dostatečně nízký tlak. Jak Země stárne a ochlazuje se, stále větší část jádra se stává pevnou, a když se tak stane, Země se trochu smrští!“
Pokud se chceme podívat daleko do budoucnosti, můžeme očekávat, že nakonec získáme rysy, jako jsou velké jizvy nalezené na Merkuru!
Protože je Merkur tak malý, už se ohromně ochladil a smrskl a má v sobě stokilometrové trhliny, odkud se musel v důsledku tohoto ochlazení smrštit!“
Takže nakonec, proč má Země tekuté jádro? Protože ještě neskončilo jeho ochlazování! A každé zemětřesení, které cítíš, je to, že se Země jen o kousek přiblížila ke svému konečnému, vychladlému, pevnému stavu!
(Neboj se, Slunce vybuchne a ty i všichni, které znáš, budete mrtví ještě hodně dlouho předtím, než se to stane!)
