“Ha valaha is beleejted a kulcsaidat egy olvadt lávafolyóba, engedd el őket, mert, ember, eltűnnek.” -Jack Handey
Vessünk egy pillantást szülőbolygónkra, a Földre, és az egyik dolog, amit észrevehetünk, hogy a felszín több mint 70%-át víz borítja.
Mindannyian tudjuk persze, miért van ez így: azért, mert a Föld óceánjai a kőzetek és a föld felett úsznak, amelyekből az általunk szárazföldnek nevezett dolgok állnak.
A lebegésnek és a felhajtóerőnek ez a fogalma – ahol a kevésbé sűrű tárgyak a sűrűbbek fölé emelkednek, amelyek a fenékre süllyednek – sokkal többre képes, mint az óceánok magyarázata.
Ugyanez az elv magyarázza, miért úszik a jég a vízen, miért emelkedik a héliumos léggömb a légkörben, vagy miért süllyednek le a kövek egy tó fenekére, utóbbiak közül a kevésbé sűrű víz emelkedik a kő körül. Ugyanez az elv – a felhajtóerő – magyarázza azt is, hogy a Föld miért olyan rétegzett, amilyen.
A Föld legkevésbé sűrű része, a légkör, a vizes óceánok fölött lebeg, amelyek viszont a földkéreg fölött lebegnek, amely a sűrűbb köpeny fölött fekszik, amely maga sem tud lesüllyedni a Föld legsűrűbb részébe: a magba.
A Föld elképzelhető legstabilabb állapota valójában az, amely tökéletesen rétegzett, mint egy hagyma, a legsűrűbb elemek mind a közepe felé helyezkednek el, és minden kifelé eső réteg fokozatosan kevésbé sűrű elemekből áll. Valójában minden földrengés, ami a Földön történik, valójában azt jelenti, hogy a bolygó egy nagyon apró lépéssel közelebb kerül ehhez az ideális állapothoz, mivel a forgási sebességünk egy kicsit felgyorsul minden egyes földrengést követően.
És ez a kép a világunkról, amely sűrűség szerint rétegzett, a kevésbé sűrű rétegekkel, amelyek a fokozatosan sűrűbb, belső rétegeket veszik körül, megmagyarázza nemcsak a Föld, hanem az összes bolygó szerkezetét. Mindössze annyit kell tennünk, hogy emlékezzünk, honnan származnak egyáltalán ezek az elemek.
Amikor az Univerzum nagyon fiatal volt – mindössze néhány perces -, gyakorlatilag csak hidrogén és hélium létezett. Az összes nehezebb elem a csillagokban keletkezett, és csak amikor ezek a csillagok elpusztultak, akkor kerültek vissza ezek a nehéz elemek az Univerzumba, lehetővé téve a csillagok új generációinak kialakulását.
De ezúttal ezeknek az új elemeknek a keveréke – nem csak hidrogén és hélium, hanem szén, nitrogén, oxigén, szilícium, magnézium, kén, vas és még sok más elem – nem csak új csillagok, hanem egy-egy protoplanetáris korong kialakulásába is belekerül az egyes csillagok körül.
Az újonnan keletkező csillag kifelé irányuló nyomása előnyben részesíti a könnyebb elemeket a Naprendszer külső részei felé, míg a gravitáció hatására a korongban lévő instabilitások összeomlanak és bolygókká alakulnak.
Naprendszerünk esetében a négy legbelső világ a négy legsűrűbb bolygó a Naprendszerben, a Merkúr a legsűrűbb elemekből áll. Mind a négy nem tudta gravitációsan megtartani azt a nagy mennyiségű hidrogént és héliumot, amellyel keletkezett, így nem váltak gázóriássá, mint Naprendszerünk másik négy bolygója.
A külső bolygók azonban, mivel egyrészt nagyobb tömegűek, másrészt távolabb vannak a Naptól (és így kevesebb sugárzás éri őket), nagy mennyiségű ilyen ultrakönnyű elemet tudtak megtartani, és gázóriásokat alkottak.
A Földhöz hasonlóan e világok mindegyikén – összességében – a legsűrűbb elemek a magban koncentrálódnak, a könnyebbek pedig fokozatosan egyre kevésbé sűrű rétegeket alkotnak körülöttük.
Nem lehet nagy meglepetés, hogy a Föld magjában a vas, a legstabilabb elem és a szupernóvákon kívül nagy mennyiségben előforduló legnehezebb elem a legnagyobb mennyiségben előforduló elem. De talán meglepő lehet, hogy a szilárd belső mag és a szilárd köpeny között egy több mint 2000 kilométer vastag folyékony réteg húzódik: a Föld külső magja.
Hasonlóan ahhoz az undorító rágógumihoz, amit a nagymamád hordott magával, a Föld belsejében egy hatalmas folyékony réteg található, amely bolygónk tömegének teljes 30 százalékát tartalmazza! Egészen zseniális módon tudjuk, hogy a külső mag folyékony: a földrengések során keletkező szeizmikus hullámokból!
A földrengésekben keletkező szeizmikus hullámoknak két különböző típusa van: az elsődleges kompressziós hullám, az úgynevezett P-hullám, amely úgy működik, mint egy impulzus egy csigán keresztül,
és a másodlagos nyíróhullám, az úgynevezett S-hullám, amely a tenger felszínén hullámként terjed.
Mindkét hullám gömbhéjban halad kifelé a Földön lévő kiindulópontjától, és nem csak az epicentrumuk közelében, hanem az egész világon lecsapódik és hullámzik a felszínen! A szeizmikus megfigyelőállomások szerte a világon úgy vannak felszerelve, hogy mind a P-, mind az S-hullámokat felfogják, de az S-hullámok nem haladnak át folyadékon (bár csillapodnak), míg a P-hullámok nemcsak hogy átmennek folyadékon, de meg is törnek!
Ezekből megtudhatjuk, hogy a Földnek folyékony külső magja van, azon kívül szilárd köpeny, belül pedig szilárd mag! Innen van tehát, hogy a Föld magjában vannak a legnehezebb, legsűrűbb elemek, és innen tudjuk, hogy a külső magja folyékony réteg.
De miért folyékony a külső mag? Mint minden elem, az, hogy a vas szilárd, folyékony, gáz vagy “egyéb”, a vas nyomásától és hőmérsékletétől is függ.
A vas azonban sokkal bonyolultabb, mint sok más elem, amit megszoktál. Persze, különféle kristályos szilárd fázisokat vehet fel, ahogy a fenti ábrán látható, de minket nem érdekelnek ezek a normál nyomások, amelyeket a fenti ábrák mutatnak. Egészen lefelé megyünk a Föld magjába, ahol a nyomás nem csupán néhányszor (vagy akár néhány százszor) nagyobb, mint az általunk megszokott légköri nyomás, hanem milliószor nagyobb, mint a tengerszinten. Hogyan néz ki a fázisdiagram ilyen túlzott nyomás esetén?
A tudományban az a csodálatos, hogy még ha nem is tudod fejből a választ, jó eséllyel valaki már végzett olyan kutatást, ahol megtalálod a választ! Ebben az esetben Ahrens, Collins és Chen, 2001 megvan a válasz, amit keresünk!
Míg ez az ábra óriási nyomást mutat – akár 120 GigaPascalt -, fontos megjegyezni, hogy a légkörünkben mindössze 0,0001 GigaPascalt, míg a belső magban 330-360 Gpa-ra becsült nyomás uralkodik! A legfelső folytonos vonal az olvadt vas (a vonal felett) és a szilárd vas (alatta) közötti határvonalat jelöli. De figyeljük meg, hogy közvetlenül az egybefüggő vonal legvégén éles kanyart vesz felfelé?
A 330 GigaPascalnál a vas megolvasztásához óriási, a Nap felszínén tapasztaltakhoz hasonló hőmérsékletre van szükség. Ugyanezek a hőmérsékletek azonban alacsonyabb nyomáson könnyedén folyékony fázisban tartják a vasat, míg magasabb nyomáson a vas szilárd halmazállapotúvá válik. Mit jelent ez a Föld magjára nézve?
A legmagasabb hőmérséklet – a Föld középpontjában -, amelyet bolygónk elér, valamivel 6000 Kelvin alatt van, míg a vas olvadási hőmérséklete a belső mag és a külső mag határán a legutóbbi becslések szerint is pontosan ez az érték körül van.
De itt jön a csavar: a Föld idővel lehűl, mivel hőjét gyorsabban sugározza ki a világűrbe, mint ahogy saját hőjét termeli a radioaktív bomlásból. A Föld belsejében a belső hőmérséklete csökken, miközben a nyomás állandó marad.
Más szóval, amikor a Föld először keletkezett, forróbb volt; nagyon valószínű, hogy a teljes mag egykor folyékony volt, és ahogy tovább hűl, a belső mag tovább növekszik! És ahogy ez történik, mivel a szilárd vasnak nagyobb a sűrűsége, mint a folyékony vasnak, a Föld kissé összehúzódik, ami szükségessé teszi, hogy mi?
Még több földrengés!
A Föld magja tehát folyékony, mert elég forró ahhoz, hogy megolvassza a vasat, de csak ott, ahol elég alacsony a nyomás. Ahogy a Föld tovább öregszik és hűl, a mag egyre nagyobb része válik szilárddá, és amikor ez megtörténik, a Föld egy kicsit összezsugorodik!
Ha messze a jövőbe akarunk tekinteni, akkor arra számíthatunk, hogy előbb-utóbb olyan vonásokat kapunk, mint a Merkúron talált nagy hegeket!
Mert olyan kicsi, a Merkúr már lehűlt és óriási mértékben összehúzódott, és százmérföldes repedések vannak benne, ahonnan a lehűlés miatt kénytelen volt összehúzódni!
Aztán végül is miért van a Földnek folyékony magja? Mert még nem fejezte be a lehűlését! És minden földrengés, amit érzel, azt jelenti, hogy a Föld egy kicsit közelebb kerül a végső, kihűlt, végig szilárd állapotához!
(De ne aggódj, a Nap fel fog robbanni, és te és mindenki, akit ismersz, nagyon sokáig halott leszel, mielőtt ez megtörténne!)
