„Dacă îți scapi vreodată cheile într-un râu de lavă topită, dă-le drumul, pentru că, omule, au dispărut.” -Jack Handey
Aruncă o privire la planeta noastră, Pământul, și unul dintre lucrurile pe care le vei observa este că peste 70% din suprafață este acoperită de apă.
Știm cu toții de ce se întâmplă acest lucru, bineînțeles: pentru că oceanele Pământului plutesc deasupra rocilor și a pământului care alcătuiesc ceea ce cunoaștem drept pământ.
Acest concept de plutire și flotabilitate – în care obiectele mai puțin dense se ridică deasupra celor mai dense, care se scufundă la fund – face mult mai mult decât să explice pur și simplu oceanele.
Același principiu explică de ce gheața plutește pe apă, de ce un balon cu heliu se ridică în atmosferă sau de ce pietrele se scufundă pe fundul unui lac, ultimul dintre acestea fiind faptul că apa mai puțin densă se ridică în jurul pietrei. Același principiu – al flotabilității – explică și de ce Pământul este stratificat așa cum este.
Partea cea mai puțin densă a Pământului, atmosfera, plutește deasupra oceanelor acvatice, care la rândul lor plutesc deasupra scoarței terestre, care se află deasupra mantalei mai dense, care la rândul ei nu se poate scufunda în cea mai densă secțiune a Pământului: nucleul.
În mod ideal, cea mai stabilă stare în care ar putea fi conceput Pământul este una care ar fi perfect stratificată ca o ceapă, cu elementele cele mai dense toate spre centrul său, fiecare strat exterior fiind progresiv alcătuit din elemente mai puțin dense. De fapt, fiecare cutremur care are loc pe Pământ este, de fapt, planeta care se apropie cu un pas foarte mic de această stare ideală, deoarece viteza noastră de rotație se accelerează ușor în urma fiecărui cutremur.
Și această imagine a lumii noastre, stratificată în funcție de densitate, cu straturi mai puțin dense care le înconjoară pe cele interioare, progresiv mai dense, explică structura nu numai a Pământului, ci și a tuturor planetelor. Tot ce trebuie să facem este să ne amintim de unde au provenit toate aceste elemente în primul rând.
Când Universul era foarte tânăr – cu doar câteva minute – practic singurele elemente care existau erau hidrogenul și heliul. Toate elementele mai grele au fost produse în stele și doar atunci când aceste stele au murit, aceste elemente grele au fost reciclate înapoi în Univers, permițând formarea de noi generații de stele.
Dar de data aceasta, un amestec al tuturor acestor elemente noi – nu doar hidrogen și heliu, ci și carbon, azot, oxigen, siliciu, magneziu, sulf, fier și altele – intră în formarea nu doar a unor noi stele, ci și a unui disc protoplanetar în jurul fiecăreia dintre aceste stele.
Presiunea exterioară exercitată de steaua nou formată împinge în mod preferențial elementele mai ușoare spre părțile exterioare ale sistemului solar, în timp ce gravitația face ca instabilitățile din disc să se prăbușească și să formeze ceea ce vor deveni planete.
În cazul sistemului nostru solar, cele patru lumi cele mai interioare sunt cele mai dense patru planete din sistemul nostru solar, Mercur fiind compus din cele mai dense elemente. Toate cele patru nu au fost capabile să rețină gravitațional cantitățile mari de hidrogen și heliu cu care s-au format, împiedicându-le să devină giganți gazoși precum celelalte patru planete ale sistemului nostru solar.
Dar planetele exterioare, fiind atât mai masive, cât și mai îndepărtate de Soare (și, prin urmare, primind mai puține radiații), au reușit să se agațe de cantități mari din aceste elemente ultraușoare și au format giganți gazoși.
Care dintre aceste lumi, la fel ca și Pământul, are – în general – cele mai dense elemente concentrate în nucleu, iar cele mai ușoare formează straturi din ce în ce mai puțin dense în jurul său.
Nu ar trebui să fie o mare surpriză faptul că fierul, cel mai stabil element și cel mai greu element produs în mare abundență în afara supernovelor, este cel mai abundent element din nucleul Pământului. Dar s-ar putea să vă surprindă să aflați că, între nucleul intern solid și mantaua solidă, se află un strat lichid cu o grosime de peste 2.000 de kilometri: nucleul extern al Pământului.
La fel ca și guma de mestecat dezgustătoare pe care o purta bunica ta, Pământul are un strat imens de lichid în interiorul său, care conține 30 la sută din masa planetei noastre! Modul în care știm că nucleul exterior este lichid este destul de strălucit: din undele seismice produse de cutremurele de pământ!
Există două tipuri diferite de unde seismice produse în cutremure: unda de compresie primară, cunoscută sub numele de unda P, care funcționează ca un impuls printr -o alunecare,
și unda de forfecare secundară, cunoscută sub numele de unda S, care se propagă ca niște valuri la suprafața mării.
Ambele valuri se deplasează într-o coajă sferică spre exterior din punctul lor de origine de pe Pământ, lovind și unduind nu numai suprafața din apropierea epicentrului lor, ci și întreaga lume! Stațiile de monitorizare seismică de pe tot globul sunt echipate pentru a capta atât undele P, cât și undele S, dar undele S nu se deplasează prin lichid (sunt atenuate, totuși), în timp ce undele P nu numai că se deplasează prin lichid, dar sunt refractate!
Ca urmare a acestui fapt, putem afla că Pământul are un nucleu exterior lichid, o mantaua solidă în exteriorul acesteia și un nucleu solid în interiorul ei! Deci așa se explică de ce Pământul are cele mai grele și mai dense elemente în nucleul său și cum știm că nucleul său exterior este un strat lichid.
Dar de ce este lichid nucleul exterior? La fel ca toate elementele, faptul că fierul este solid, lichid, gazos sau „altceva” depinde atât de presiunea, cât și de temperatura fierului.
Fierul, totuși, este mult mai complicat decât multe elemente cu care poate sunteți obișnuiți. Sigur, el poate lua o varietate de faze solide cristaline, așa cum se arată mai sus, dar nu ne interesează aceste presiuni normale, prezentate în diagramele de mai sus. Coborâm până în centrul Pământului, unde presiunea nu este doar de câteva ori (sau chiar de câteva sute de ori) mai mare decât presiunea atmosferică cu care suntem obișnuiți, ci mai degrabă de milioane de ori mai mare decât cea de la nivelul mării. Cum arată diagrama de fază pentru astfel de presiuni excesive?
Ceea ce este minunat la știință este că, chiar și atunci când nu știi răspunsul din capul tău, există șanse ca cineva să fi făcut cercetări în care să găsești răspunsul! În acest caz, Ahrens, Collins și Chen, 2001 au răspunsul pe care îl căutăm!
În timp ce această diagramă arată presiuni extraordinare – până la 120 GigaPascals – este important să ne amintim că atmosfera noastră are doar 0,0001 GigaPascals, în timp ce miezul interior experimentează presiuni estimate la 330-360 Gpa! Linia solidă cea mai de sus reprezintă granița dintre fierul topit (deasupra liniei) și fierul solid (sub ea). Dar observați cum, chiar la marginea liniei continue, aceasta ia o curbă bruscă în sus?
La 330 GigaPascali, este nevoie de o temperatură extraordinară, ceva comparabil cu cele întâlnite la suprafața Soarelui, pentru a topi fierul. Aceleași temperaturi, însă, la presiuni mai mici, vor menține cu ușurință fierul în faza lichidă, în timp ce la presiuni mai mari, fierul va forma un solid. Ce înseamnă acest lucru pentru nucleul Pământului?
Cea mai ridicată temperatură – în centrul Pământului – pe care o atinge planeta noastră este puțin sub 6.000 Kelvin, în timp ce temperatura de topire a fierului la granița dintre nucleul interior și nucleul exterior este estimată cel mai recent ca fiind tot în jurul acestei valori.
Dar iată care este partea interesantă: Pământul se răcește în timp, deoarece căldura sa este radiată în spațiul cosmic mai repede decât își generează propria căldură din dezintegrarea radioactivă. În interiorul Pământului, temperatura sa interioară scade, în timp ce presiunea sa rămâne constantă.
Cu alte cuvinte, când Pământul s-a format prima dată, era mai fierbinte; este foarte probabil ca întregul nucleu să fi fost cândva lichid și, pe măsură ce continuă să se răcească, nucleul interior continuă să crească! Și pe măsură ce acest lucru se întâmplă, deoarece fierul solid are o densitate mai mare decât cel lichid, Pământul se va contracta ușor, necesitând ce?
Mai multe cutremure!
Deci miezul Pământului este lichid pentru că este suficient de fierbinte pentru a topi fierul, dar numai în locurile unde presiunea este suficient de scăzută. Pe măsură ce Pământul continuă să îmbătrânească și să se răcească, din ce în ce mai mult din nucleu devine solid, iar când se întâmplă acest lucru, Pământul se micșorează puțin!
Dacă vrem să privim departe în viitor, ne putem aștepta ca în cele din urmă să dobândim caracteristici precum marile cicatrice găsite pe Mercur!
Pentru că este atât de mic, Mercur s-a răcit și s-a contractat deja foarte mult și are fisuri lungi de sute de kilometri, de unde a fost forțat să se contracte din cauza acestei răciri!
Atunci, în ultimă instanță, de ce are Pământul un nucleu lichid? Pentru că nu a terminat încă de răcit! Și fiecare cutremur pe care îl simțiți este Pământul care se apropie puțin mai mult de starea sa finală, răcită, solidă până la capăt!
(Nu vă faceți griji, totuși, Soarele va exploda și voi și toți cei pe care îi cunoașteți veți fi morți pentru o perioadă foarte lungă de timp înainte ca acest lucru să se întâmple vreodată!)
