Budowa jądra ziemi.doc

Temat: Budowa Jądra Ziemi

Początek formularza

Dół formularza

Wnętrza Ziemi nie możemy zbadać bezpośrednio. Jego poznanie jest możliwe dzięki sejsmologii. Bada rozchodzące się w Ziemi drgania – fale sejsmiczne. Na podstawie kąta załamania tych fal, a także szybkości ich przepływu przez daną część wnętrza Ziemi, sejsmolodzy dowiadują się, z jakiego materiału zbudowana jest kula ziemska.
Zewnętrzna część planety Ziemi stanowi skorupa ziemska. Podłoże kontynentów zbudowane jest z granitu, natomiast w dnie oceanów odnajdujemy duże pokrywy bazaltowe. Temperatura w skorupie ziemskiej wzrasta wraz z głębokością średnio o 3 stopnie Celsjusza na 100 metrów. Wnętrze Ziemi poniżej skorupy ziemskiej nie jest jednorodne – pod skorupą znajduje się płaszcz, zaś środkowa część Ziemi to jądro. Płaszcz Ziemi około 2900 km grubości i stanowi 80% objętości kuli ziemskiej. Panują tam bardzo wysokie temperatury, dlatego skały są plastyczne. Skorupa ziemska oraz górna część płaszcza Ziemi to litosfera. Pod płaszczem znajduję się jądro Ziemi.
Dzieli się ono na jądro zewnętrzne i jądro wewnętrzne. Jądro zewnętrzne znajduje się na głębokości pomiędzy 2900 km a 5200 km . Zbudowane jest z metali w stanie ciekłym. Przyczyną stopienia się metali są panujące tam bardzo wysokie temperatury. Im dalej w głąb Matki Ziemi, tym temperatura jest wyższa. Jednakże w jądrze wewnętrznym Ziemi, poniżej 5100 km od powierzchni, metale występują w stanie stałym. Jest to spowodowane panującym tam ogromnym ciśnieniem, które pomimo temperatury sięgającej kilku tysięcy stopni. Ocenia się, że jest to ponad 6000 stopni Celsjusza, uniemożliwia stopienie się metali. Są to temperatury ekstremalne.
Bardzo ważnymi pytaniami, które do dziś stawiają naukowcy są :

Dlaczego jądro Ziemi jest tak gorące ?
Jak możemy określić jego temperaturę ?q

Tematy te jak dotąd nie zostały wytłumaczone w wyczerpujący sposób. Bardzo mnie to zainteresowało. Dlatego postaram się odpowiedzieć na powyższe zagadnienia.
Ciepło znajdujące się we wnętrzu Ziemi pochodzi z trzech źródeł: (1) nie rozproszone dotąd ciepło, które wytworzyło się w czasie powstawania planety, (2) ciepło powstałe wskutek tarcia gęściejszego materiału jądra pogrążającego się ku środkowi globu i (3) ciepło pochodzące z rozpadu izotopów promieniotwórczych.
Ziemia oddaje swoje ciepło powoli. Ciepło z wnętrza Ziemi odprowadzane jest na dwa sposoby: przez konwekcję, która umożliwia przechodzenie ciepła z ciekłego jądra zewnętrznego do stałego płaszcza oraz przez przewodnictwo, które występuje w granicznych warstwach, jakimi są płyty kontynentalne na powierzchni globu, gdzie konwekcja nie wchodzi w grę. W efekcie nadal jest zachowana duża część pierwotnego ciepła planety z okresu tworzenia jej jądra.
W wyniku prostych procesów narastania, które doprowadziły do skupieniu małych ciał w jedną całość proto-Ziemi, wytworzyły się wielkie ilości ciepła, a temperatura wzrosła do około 10 000 K. Ważne jest znalezienie odpowiedzi na pytanie: ile z tej energii otrzymała tworząca się Ziemia, a jaka jej część wypromieniowała w przestrzeń. Uznana obecnie teza o genezie Księżyca zakłada, że ciało o rozmiarach Marsa zderzyło się z proto-Ziemią i przyłączyło się do niej. Kiedy dochodzi do zderzenia dwóch ciał o takiej wielkości, wytwarzają się wielkie ilości ciepła, a jego część pozostaje nie rozproszona. Epizod taki mógł spowodować roztopienie się zewnętrznej warstwy planety o miąższości kilku tysięcy kilometrów.
Do tego dochodzi podniesienie temperatury rzędu 2000 K spowodowane przemieszczeniem się ku środkowi planety bogatego w żelazo materiału, budującego obecnie jądro Ziemi. Nie ma pewności co do udziału ciepła pochodzącego z promieniotwórczości - trzeciego z głównych źródeł ciepła. Dokładna zawartość pierwiastków promieniotwórczych (głównie potas, uran i tor) w głębi Ziemi jest słabo zbadana.
Reasumując, Ziemia w swoich początkach była niewyobrażalnie gorąca, a zachowanie wysokich temperatur w głębi Ziemi jest spowodowane ograniczonymi możliwościami oddawania ciepła. W efekcie nie dość, że płyty kontynentalne odgrywają rolę warstwy izolującej, a i jeszcze przenoszenie ciepła w procesie konwekcji w stałym płaszczu jest szczególnie wydajnym mechanizmem utraty ciepła. Planeta traci pewną ilość ciepła w procesach rządzących tektoniką płyt kontynentalnych, szczególnie w rowach śródoceanicznych. Dla porównania, mniejsze obiekty takie jak Mars czy Księżyc, prawie nie wykazują śladów niedawnej działalności tektonicznej czy wulkanicznej.
Temperaturę wnętrza Ziemi możemy z grubsza oszacować w oparciu o obserwacje topnienia żelaza poddanego niezwykle wysokim ciśnieniom. Wiadomo, że jądro Ziemi od środka Ziemi na 6371 km do 2886 km zbudowane jest głównie z żelaza z pewnymi domieszkami. Skąd to wiemy? Otóż prędkość dźwięku przechodzącego przez jądro Ziemi (zmierzona na podstawie szybkości przechodzenia przez jądro fal sejsmicznych) i gęstość jądra jest bardzo podobna do wartości osiąganych przez żelazo w wysokich ciśnieniach i wysokich temperaturach uzyskanych w laboratorium. Żelazo jest jedynym pierwiastkiem, odpowiadającym własnościom sejsmicznym jądra ziemskiego. Występuje ono we wszechświecie wystarczająco obficie, by móc stanowić około 35 procent skupionej w jądrze masy planety.
Jądro Ziemi składa się z dwóch oddzielnych stref: ciekłego jądra zewnętrznego przechodzącego na głębokości 5156 km w stałe jądro wewnętrzne. Jeżeli w laboratorium udałoby się zmierzyć temperaturę topnienia żelaza pod tak ogromnym ciśnieniem, jakie panuje na granicy między zewnętrznym i wewnętrznym jądrem, wiedzielibyśmy w przybliżeniu jaka temperatura panuje rzeczywiście w rejonie przejścia z fazy stałej do ciekłej. Do odtworzenia tych piekielnych temperatur i ciśnień naukowcy w laboratoriach badających fizykę minerałów wykorzystują lasery i komory wysokociśnieniowe.

Doświadczenia te są wielkim polem do popisu. Według szacunków temperatura topnienia żelaza w tych warunkach wynosi od 4500 do 7500 kelwinów. Jako że zewnętrzne jądro jest płynne i prawdopodobnie zachodzi w nim konwekcja (stosując dodatkową poprawkę na domieszki w jądrze zewnętrznym), możemy ekstrapolować wartości temperatury, aż do spągu płaszcza Ziemi (na granicy z jądrem zewnętrznym), gdzie otrzymamy wartość 3500 do 5500 kelwinów.
Reasumując: duża część wnętrza Ziemi (zewnętrzne jądro) składa się z roztopionego stopu żelaza z domieszkami. Temperatura topnienia żelaza w warunkach panujących w głębi Ziemi jest wysoka, dostarczając głównego dowodu na to, że wnętrze Ziemi jest gorące.



Jak określić tę temperaturę ? Odpowiedź brzmi: tak naprawdę temperatury tej nie znamy, nie potrafimy jej oszacować z większą dokładnością. Środek Ziemi leży na głębokości 6400 km pod naszymi stopami, a najgłębsze kiedykolwiek wykonane wiercenie, które by umożliwiło bezpośrednie pomiary temperatury (czy innych własności fizycznych) nie sięgnęło poniżej 10 km.
Nie bez ironii można stwierdzić, że jądro Ziemi jest trudniej osiągalne bezpośredniej eksploracji niż powierzchnia Plutona. Nie dysponujemy technologią umożliwiającą dotarcie do jądra i nie wiadomo, czy kiedykolwiek będzie to możliwe.
Wobec tego naukowcy muszą określać temperaturę wnętrza Ziemi sposobami pośrednimi. Pomiary prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych przenikających glob ziemski pozwalają geofizykom określić gęstość i sztywność skał na głębokościach niedostępnych bezpośrednim badaniom. Jeżeli można porównać te własności z własnościami znanych substancji w wysokich ciśnieniach i temperaturach, daje to ogólne pojęcie o warunkach panujących we wnętrzu Ziemi.
Problem polega na tym, że warunki w środku Ziemi są tak ekstremalne, że trudno jest zaproponować jakiekolwiek doświadczenie laboratoryjne, które by wiernie odzwierciedlało warunki panujące w jądrze ziemskim. Mimo wszystko, geofizycy ciągle przeprowadzają takie doświadczenia, stale je ulepszając, tak by wyniki mogły być ekstrapolowane w celu otrzymania wartości istniejących w środku Ziemi, gdzie ciśnienie ponad trzy miliony razy przewyższa ciśnienie atmosferyczne.
Wysiłki te doprowadziły do określenia szerokiego jak na razie przedziału oszacowań temperatury jądra Ziemi. "Popularne" oszacowania zawierają się w przedziale od ok. 4000 kelvinów do ponad 7000 kelvinów.
Gdybyśmy bardzo dokładnie znali temperaturę topnienia żelaza pod wysokim ciśnieniem, moglibyśmy dokładniej określić temperaturę jądra Ziemi, składajacego się głównie ze stopionego żelaza. Kiedy tylko nasze doświadczenia w wysokich temperaturach staną się precyzyjniejsze, rozwieje się niepewność co do tej podstawowej własności naszej planety.