„Jeśli kiedykolwiek upuścisz swoje klucze do rzeki roztopionej lawy, puść je, bo, człowieku, już ich nie ma.” -Jack Handey
Spójrzcie na naszą rodzimą planetę, Ziemię, a jedną z rzeczy, które zauważycie, jest to, że ponad 70% jej powierzchni jest pokryte wodą.
Wszyscy wiemy, dlaczego tak jest, oczywiście: to dlatego, że oceany Ziemi unoszą się na szczycie skał i brudu, które tworzą to, co znamy jako ląd.
Ta koncepcja pływalności i wyporu – gdzie mniej gęste obiekty unoszą się nad gęstszymi, które opadają na dno – robi o wiele więcej niż tylko wyjaśnia oceany.
Ta sama zasada wyjaśnia, dlaczego lód unosi się na wodzie, dlaczego balon z helem unosi się w atmosferze lub dlaczego kamienie opadają na dno jeziora, z których ostatni polega na tym, że mniej gęsta woda unosi się wokół kamienia. Ta sama zasada – wyporu – wyjaśnia również, dlaczego Ziemia jest tak uwarstwiona.
Najmniej gęsta część Ziemi, atmosfera, unosi się na wodnistych oceanach, które z kolei unoszą się na skorupie ziemskiej, która leży nad bardziej gęstym płaszczem, który sam nie może zapaść się do najgęstszej części Ziemi: jądra.
Idealnie, najbardziej stabilny stan, w jakim Ziemia mogłaby się znaleźć, to taki, który byłby idealnie ułożony warstwowo jak cebula, z najgęstszymi elementami w centrum, z każdą warstwą na zewnątrz stopniowo złożoną z mniej gęstych elementów. W rzeczywistości, każde trzęsienie ziemi, które ma miejsce na Ziemi jest w rzeczywistości planeta porusza się jeden bardzo mały krok bliżej w kierunku tego idealnego stanu, jak nasze tempo rotacji przyspiesza nieznacznie w następstwie każdego z nich.
I ten obraz naszego świata, warstwowy przez gęstość z mniej gęstych warstw otaczających stopniowo gęstsze, wewnętrzne, wyjaśnia strukturę nie tylko Ziemi, ale wszystkich planet. Musimy tylko pamiętać, skąd w ogóle wzięły się te wszystkie pierwiastki.
Gdy Wszechświat był bardzo młody – miał zaledwie kilka minut – praktycznie jedynymi pierwiastkami, które istniały, były wodór i hel. Wszystkie cięższe z nich powstawały w gwiazdach i dopiero gdy te gwiazdy umierały, te ciężkie pierwiastki były zawracane z powrotem do Wszechświata, umożliwiając powstawanie nowych pokoleń gwiazd.
Ale tym razem mieszanka wszystkich tych nowych pierwiastków – nie tylko wodoru i helu, ale także węgla, azotu, tlenu, krzemu, magnezu, siarki, żelaza i innych – idzie w kierunku formowania nie tylko nowych gwiazd, ale także dysku protoplanetarnego wokół każdej z tych gwiazd.
Ciśnienie zewnętrzne z nowo tworzącej się gwiazdy preferencyjnie wypycha lżejsze elementy w kierunku zewnętrznych części Układu Słonecznego, podczas gdy grawitacja powoduje niestabilności w dysku, aby zapaść się i utworzyć to, co stanie się planetami.
W przypadku naszego Układu Słonecznego, cztery najbardziej wewnętrzne światy są czterema najgęstszymi planetami w naszym Układzie Słonecznym, z Merkurym składającym się z najgęstszych elementów. Wszystkie cztery z nich nie były w stanie grawitacyjnie utrzymać dużych ilości wodoru i helu, z którymi się uformowały, co uniemożliwiło im stanie się gazowymi olbrzymami, jak pozostałe cztery planety naszego Układu Słonecznego.
Ale planety zewnętrzne, będąc zarówno bardziej masywne, jak i bardziej oddalone od Słońca (a więc otrzymując mniej promieniowania), zdołały zachować duże ilości tych ultralekkich pierwiastków i utworzyły gazowe olbrzymy.
Każdy z tych światów, podobnie jak Ziemia, ma – ogólnie rzecz biorąc – najgęstsze pierwiastki skoncentrowane w jądrze, z lżejszymi tworzącymi stopniowo coraz mniej gęste warstwy wokół niego.
Nie powinno być wielką niespodzianką, że żelazo, najbardziej stabilny pierwiastek i najcięższy pierwiastek wytwarzany w dużych ilościach poza supernowych, jest najbardziej obfitym pierwiastkiem w jądrze Ziemi. Ale zaskoczeniem może być fakt, że pomiędzy stałym jądrem wewnętrznym a stałym płaszczem znajduje się ciekła warstwa o grubości ponad 2000 kilometrów: zewnętrzne jądro Ziemi.
Bardzo podobnie jak obrzydliwa guma do żucia, którą nosiła twoja babcia, Ziemia ma w swoim wnętrzu ogromną płynną warstwę, zawierającą pełne 30 procent masy naszej planety! Sposób, w jaki wiemy, że zewnętrzne jądro jest płynne, jest dość genialny: z fal sejsmicznych wytwarzanych podczas trzęsień ziemi!
Istnieją dwa różne rodzaje fal sejsmicznych wytwarzanych w trzęsieniach ziemi: pierwotna fala ściskająca, znana jako fala P, która działa jak impuls przez slinky,
oraz wtórną falę ścinającą, zwaną falą S, która rozchodzi się jak fale na powierzchni morza.
Obydwie fale przemieszczają się w sferycznej powłoce na zewnątrz od ich punktu pochodzenia na Ziemi, uderzając i falując nie tylko na powierzchni w pobliżu ich epicentrum, ale na całym świecie! Stacje monitorowania sejsmicznego na całym świecie są wyposażone tak, aby odbierać zarówno fale P jak i S, ale fale S nie podróżują przez ciecz (są jednak tłumione), podczas gdy fale P nie tylko podróżują przez ciecz, ale są załamywane!
W wyniku tego możemy się dowiedzieć, że Ziemia ma płynne jądro zewnętrzne, stały płaszcz zewnętrzny i stałe jądro wewnętrzne! Więc to jest jak przychodzą Ziemia ma najcięższe, najgęstsze elementy w jego rdzeniu, i jak wiemy, że jego zewnętrzne jądro jest płynną warstwą.
Ale dlaczego zewnętrzne jądro jest płynne? Jak wszystkie pierwiastki, czy żelazo jest stałe, ciekłe, gazowe lub „inne” zależy zarówno od ciśnienia, jak i temperatury żelaza.
Żelazo jest jednak o wiele bardziej skomplikowane niż wiele pierwiastków, do których możesz być przyzwyczajony. Jasne, może przybierać różne krystaliczne fazy stałe, jak pokazano powyżej, ale nie jesteśmy zainteresowani tymi normalnymi ciśnieniami, pokazanymi na diagramach powyżej. Schodzimy aż do jądra Ziemi, gdzie ciśnienie nie jest kilka razy (czy nawet kilkaset razy) wyższe od ciśnienia atmosferycznego, do którego jesteśmy przyzwyczajeni, ale miliony razy wyższe od ciśnienia na poziomie morza. Jak wygląda diagram fazowy dla nadmiernych ciśnień takich jak to?
Cudowną rzeczą w nauce jest to, że nawet jeśli nie znasz odpowiedzi z wierzchołka swojej głowy, są szanse, że ktoś przeprowadził badania, w których możesz znaleźć odpowiedź! W tym przypadku, Ahrens, Collins i Chen, 2001 mają odpowiedź, której szukamy!
Pomimo, że diagram ten pokazuje ogromne ciśnienia – do 120 GigaPaskali – należy pamiętać, że nasza atmosfera ma tylko 0,0001 GigaPaskala, podczas gdy wewnętrzne jądro doświadcza ciśnień szacowanych na 330-360 Gpa! Najwyżej położona linia stała reprezentuje granicę pomiędzy roztopionym żelazem (powyżej linii) a stałym żelazem (poniżej). Ale zauważ, że tuż przy samej krawędzi linii ciągłej następuje ostry zakręt w górę?
Przy ciśnieniu 330 GigaPaskali, do stopienia żelaza potrzebna jest ogromna temperatura, coś porównywalnego do tych, które można znaleźć na powierzchni Słońca. Jednak te same temperatury, przy niższych ciśnieniach, z łatwością utrzymają żelazo w stanie ciekłym, podczas gdy przy wyższych ciśnieniach żelazo przekształci się w ciało stałe. Co to oznacza dla jądra Ziemi?
Najwyższa temperatura – w centrum Ziemi – jaką osiąga nasza planeta to nieco poniżej 6000 Kelwinów, podczas gdy temperatura topnienia żelaza na granicy jądra wewnętrznego i zewnętrznego jest ostatnio szacowana również w okolicach tej wartości.
Ale oto sedno sprawy: Ziemia ochładza się z czasem, ponieważ jej ciepło jest wypromieniowywane w przestrzeń kosmiczną szybciej niż generuje własne ciepło z rozpadu radioaktywnego. Wewnątrz Ziemi jej temperatura spada, podczas gdy ciśnienie pozostaje stałe.
Innymi słowy, kiedy Ziemia uformowała się po raz pierwszy, była gorętsza; jest bardzo prawdopodobne, że całe jądro było kiedyś płynne, a ponieważ nadal się ochładza, wewnętrzne jądro nadal rośnie! A ponieważ stałe żelazo ma większą gęstość niż ciekłe, Ziemia będzie się lekko kurczyć, co będzie wymagało czego?
Więcej trzęsień ziemi!
Więc jądro Ziemi jest płynne, ponieważ jest wystarczająco gorące, aby stopić żelazo, ale tylko w miejscach, gdzie ciśnienie jest wystarczająco niskie. W miarę jak Ziemia się starzeje i ochładza, coraz większa część jądra staje się stała, a kiedy to się dzieje, Ziemia trochę się kurczy!
Jeśli chcemy patrzeć daleko w przyszłość, możemy się spodziewać, że w końcu uzyskamy cechy takie jak wielkie skarpy znalezione na Merkurym!
Ponieważ jest tak mały, Merkury już ochłodził się i skurczył w ogromnym stopniu, i ma stumilowe pęknięcia w miejscu, gdzie był zmuszony do skurczenia się z powodu tego chłodzenia!
Więc, ostatecznie, dlaczego Ziemia ma płynne jądro? Ponieważ nie skończyła się jeszcze chłodzić! A każde trzęsienie ziemi, które czujesz, to Ziemia zbliżająca się tylko trochę do swojego ostatecznego, schłodzonego, stałego stanu!
(Nie martw się jednak, Słońce eksploduje, a ty i wszyscy, których znasz, będą martwi przez naprawdę długi czas, zanim to się kiedykolwiek stanie!)
.
