”Jos joskus pudotat avaimesi sulaan laavajokeen, anna niiden mennä, koska ne ovat mennyttä.” -Jack Handey
Katsokaa kotiplaneettaamme Maata, ja huomaatte muun muassa, että yli 70 prosenttia sen pinnasta on veden peitossa.
Me kaikki tietysti tiedämme, miksi näin on käynyt: se johtuu siitä, että Maapallon valtameret ajelehtivat niiden kivien ja maan päällä, jotka muodostavat sen, minkä tunnemme nimellä maa.
Tämä kellumisen ja kelluvuuden käsite – jossa vähemmän tiheät esineet nousevat tiheämpien esineiden yläpuolelle, jotka vajoavat pohjaan – selittää paljon muutakin kuin vain valtameret.
Tämä sama periaate selittää, miksi jää kelluu veden päällä, miksi heliumpallo nousee ilmakehän läpi tai miksi kivet vajoavat järven pohjalle, joista viimeisessä vähemmän tiheä vesi nousee kiven ympärille. Tämä sama periaate – kelluvuus – selittää myös sen, miksi maapallo on kerrostunut niin kuin se on.
Maailman vähiten tiheä osa, ilmakehä, leijuu vesipitoisten valtamerien päällä, jotka puolestaan leijuvat maankuoren päällä, joka sijaitsee tiheämmän vaipan päällä, joka ei itse voi vajota alaspäin Maan tiheimpään osaan: ytimeen.
Ideaalisesti vakaimmassa tilassa, jossa maapallo voisi kuvitellusti olla, olisi sellainen, joka olisi täydellisesti kerrostunut sipulin tapaan siten, että tiheimmät alkuaineet ovat kaikki kohti sen keskustaa, ja jokainen ulospäin oleva kerros koostuu asteittain harvemmista alkuaineista. Itse asiassa jokainen maapallolla tapahtuva maanjäristys on itse asiassa sitä, että planeetta siirtyy yhden hyvin pienen askeleen lähemmäs tuota ihanteellista tilaa, koska pyörimisnopeutemme nopeutuu hieman jokaisen järistyksen jälkimainingeissa.
Ja tämä kuva maapallostamme, joka on kerroksittain kerrostunut tiheyden mukaan siten, että vähemmän tiheät kerrokset ympäröivät asteittain tiheämpiä sisempiä kerroksia, selittää maapallon lisäksi myös kaikkien planeettojen rakenteen. Meidän on vain muistettava, mistä kaikki nämä alkuaineet ovat alun perin peräisin.
Kun maailmankaikkeus oli hyvin nuori – vain muutaman minuutin ikäinen – käytännössä ainoat alkuaineet, joita oli olemassa, olivat vety ja helium. Kaikki raskaammat alkuaineet syntyivät tähdissä, ja vasta kun nämä tähdet kuolivat, nämä raskaat alkuaineet kierrätettiin takaisin maailmankaikkeuteen, jolloin uudet sukupolvet tähtiä saattoivat muodostua.
Mutta tällä kertaa sekoitus kaikkia näitä uusia alkuaineita – ei vain vetyä ja heliumia, vaan myös hiiltä, typpeä, happea, piitä, magnesiumia, rikkiä, rautaa ja paljon muuta – menee muodostamaan paitsi uusia tähtiä myös protoplanetaarisen kiekon jokaisen tällaisen tähden ympärille.
Uuden muodostuvan tähden ulospäin suuntautuva paine työntää ensisijaisesti kevyempiä alkuaineita ulospäin kohti aurinkokunnan ulompia osia, kun taas painovoima saa kiekon epävakaudet luhistumaan ja muodostamaan planeettoja.
Aurinkokunnassamme neljä sisintä maailmaa ovat aurinkokuntamme neljä tiheimpiä planeettoja, ja elohopea muodostuu tiheimmistä alkuaineista.
Mutta ulommat planeetat, jotka olivat sekä massiivisempia että kauempana Auringosta (ja saivat siten vähemmän säteilyä), onnistuivat pitämään kiinni suurista määristä näitä ultrakevyitä alkuaineita ja muodostivat kaasujättiläisiä.
Jokaiseen näistä maailmoista, aivan kuten Maassa, on – kaiken kaikkiaan – tiheimmät alkuaineet keskittyneet ytimeen, ja kevyemmät alkuaineet muodostavat asteittain yhä vähemmän tiheitä kerroksia sen ympärille.
Ei liene suuri yllätys, että rauta, joka on stabiilein alkuaine ja raskain alkuaine, jota valmistetaan suuressa määrin supernovien ulkopuolella, on Maan ytimessä runsain alkuaine.
Samoin kuin mummollasi oli tapana kantaa mukanaan ällöttävää purukumia, maapallon sisällä on valtava nestekerros, joka sisältää kokonaiset 30 prosenttia planeettamme massasta! Tapa, jolla tiedämme, että ulompi ydin on nestemäinen, on varsin nerokas: maanjäristysten tuottamista seismisistä aalloista!
Maajäristyksissä syntyviä seismisiä aaltoja on kahta erilaista tyyppiä: ensisijainen puristusaalto, joka tunnetaan nimellä P-aalto ja joka toimii kuin impulssi lenkin läpi,
ja toissijainen leikkausaalto, joka tunnetaan nimellä S-aalto ja joka etenee aaltojen tavoin meren pinnalla.
Kummatkin aallot kulkevat pallomaisena kuorena ulospäin lähtöpaikastaan maapallolla, iskeytyvät ja aaltoilevat pinnan läpi paitsi epikenttänsä lähellä, myös kaikkialla maailmassa! Seismiset mittausasemat eri puolilla maailmaa on varustettu havaitsemaan sekä P- että S-aallot, mutta S-aallot eivät kulje nesteen läpi (ne tosin vaimenevat), kun taas P-aallot eivät ainoastaan kulje nesteen läpi, vaan ne myös taittuvat!
Tämän tuloksena saamme tietää, että maapallolla on nestemäinen ulkosydän, kiinteä vaippa sen ulkopuolella ja kiinteä ydin sen sisällä! Tästä siis johtuu, että maapallon ytimessä on raskaimmat ja tiheimmät alkuaineet, ja että tiedämme, että sen ulkoydin on nestemäinen kerros.
Mutta miksi ulkoydin on nestemäinen? Kuten kaikkien alkuaineiden kohdalla, se, onko rauta kiinteää, nestemäistä, kaasua vai ”muuta”, riippuu sekä raudan paineesta että lämpötilasta.
Rauta on kuitenkin paljon monimutkaisempi kuin monet alkuaineet, joihin olet ehkä tottunut. Toki se voi ottaa erilaisia kiteisiä kiinteitä faaseja, kuten yllä on esitetty, mutta meitä eivät kiinnosta nämä normaalit paineet, jotka on esitetty yllä olevissa kaavioissa. Menemme aina Maan ytimeen asti, jossa paine ei ole vain muutama kerta (tai edes muutama sata kertaa) totuttuun ilmanpaineeseen verrattuna, vaan pikemminkin miljoonia kertoja suurempi kuin merenpinnan tasolla. Miltä faasidiagrammi näyttää tuollaisessa liiallisessa paineessa?
Hienoa tieteessä on se, että vaikka et tietäisikään vastausta ihan tyhjästä, on hyvin mahdollista, että joku on tehnyt tutkimuksen, josta voit löytää vastauksen! Tässä tapauksessa Ahrensilla, Collinsilla ja Chenillä, 2001, on etsimämme vastaus!
Vaikka tämä kaavio osoittaa valtavia paineita – jopa 120 GigaPascalia – on tärkeää muistaa, että ilmakehässämme on vain 0,0001 GigaPascalia, kun taas sisäisessä ytimessä vallitsee arviolta 330-360 Gpa:n paine! Ylin yhtenäinen viiva edustaa sulan raudan (viivan yläpuolella) ja kiinteän raudan (sen alapuolella) välistä rajaa. Mutta huomaa, kuinka aivan yhtenäisen viivan reunalla se tekee jyrkän käännöksen ylöspäin?
Raudan sulattaminen 330 GigaPascalissa vaatii valtavan lämpötilan, joka on verrattavissa Auringon pinnalla vallitsevaan lämpötilaan. Samat lämpötilat pitävät kuitenkin pienemmissä paineissa raudan helposti nestemäisessä olomuodossaan, kun taas suuremmissa paineissa rauta muuttuu kiinteäksi. Mitä tämä tarkoittaa Maan ytimen kannalta?
Korkein lämpötila – maapallon keskipisteessä – jonka planeettamme saavuttaa, on hieman alle 6 000 kelviniä, kun taas raudan sulamislämpötila sisemmän ytimen ja ulomman ytimen rajalla on viimeisimmän arvion mukaan myös aivan tuon arvon tuntumassa.
Mutta tässä on pointtina se, että Maapallo jäähtyy ajan mittaan, koska sen lämpö säteilee ulkoavaruuteen nopeammin kuin se tuottaa omaa lämpöään radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Maan sisällä sen sisälämpötila laskee, kun taas sen paine pysyy vakiona.
Muuten sanoen, kun Maa ensin muodostui, se oli kuumempi; on hyvin todennäköistä, että koko ydin oli aikoinaan nestemäinen, ja kun se edelleen jäähtyy, sisempi ydin jatkaa kasvuaan! Ja kun näin tapahtuu, koska kiinteällä raudalla on suurempi tiheys kuin nestemäisellä raudalla, Maa supistuu hieman, mikä edellyttää mitä?
Enemmän maanjäristyksiä!
Maailman ydin on siis nestemäinen, koska se on tarpeeksi kuuma sulattaakseen rautaa, mutta vain paikoissa, joissa paine on tarpeeksi alhainen. Kun Maa jatkaa ikääntymistään ja jäähtymistään, yhä suurempi osa ytimestä muuttuu kiinteäksi, ja kun näin tapahtuu, Maa kutistuu hieman!
Jos haluamme katsoa kauas tulevaisuuteen, voimme odottaa saavamme lopulta Merkuriukselta löytyneiden suurten arpien kaltaisia piirteitä!
Koska Merkurius on niin pieni, se on jo jäähtynyt ja supistunut valtavasti, ja siinä on satojen kilometrien pituisia halkeamia, joista se on joutunut supistumaan tämän jäähtymisen takia!
Viime kädessä, miksi maapallolla on nestemäinen ydin? Koska se ei ole vielä jäähtynyt loppuun! Ja jokainen tuntemasi maanjäristys on sitä, että Maa on vain vähän lähempänä sen lopullista, jäähtynyttä, kiinteää, koko matkan läpäisevää tilaa!
(Älä kuitenkaan huoli, Aurinko räjähtää, ja sinä ja kaikki tuntemasi ihmiset ovat kuolleet todella pitkään ennen kuin sitä tapahtuu!)
