Co Ty wiesz o wnętrzu Ziemi? Skorupa, płaszcz, jądro – to tylko uproszczony model, bo rzeczywistość jest dużo bardziej tajemnicza

Pisaliśmy już niejeden raz np. o zagadce ziemskiego jądra, o tym, że z jego powstaniem wiąże się paradoks i nie wiadomo na pewno, jaką ma naturę i budowę. Mamy wprawdzie takie techniki, jak badania za pomocą fal sejsmicznych i kilka innych pośrednich metod. Udało się opracować model budowy wewnętrznej Ziemi, co do którego panuje naukowa zgoda (na razie). Bezpośrednim badaniom możemy poddać jedynie najbardziej zewnętrzne warstwy Ziemi. Doliny górskie odsłaniają skały do głębokości najwyżej kilku kilometrów. Najgłębsze geologiczne odwierty badawcze sięgają niewiele głębiej niż 12 km. Informacji o skałach i minerałach budujących głębsze wnętrze Ziemi dostarczają nam ksenolity, czyli fragmenty skał porwane i wyniesione z głębi Ziemi w procesach wulkanicznych. Na ich podstawie petrologowie potrafią określić skład mineralny do głębokości kilkuset kilometrów. Ale to wszystko wciąż skromne, wyrywkowe dane.

Płaszcz anomaliami podszyty

Mimo fundamentalnych trudności, jakie sprawia badanie tego, co Ziemia ma w środku (2), naukowcy nie poddają się. Starają się w ramach kilku znanych projektów badawczych wwiercić tak głęboko w naszą planetę, by dotrzeć do jej płaszcza. Wydobyli niedawno na przykład próbki skał zwanych perydotytami, które powstają, gdy słona woda wchodzi w interakcję ze skałami płaszcza. Chociaż jest to najgłębsza warstwa płaszcza, do jakiej naukowcy kiedykolwiek dotarli, nie jest to jeszcze płaszcz „właściwy”, jak nazywa się warstwę pod granicą nieciągłości Mohorovičicia (Moho).

2. Wnętrze Ziemi z opisami warstw.
Fot: https://commons.wikimedia.org

Oddzielający skalistą skorupę planety od stopionego jądra zewnętrznego, płaszcz stanowi 70 proc. masy Ziemi i 84 proc. jej objętości. Nigdy jeszcze nie pobrano próbek materii z tej niezwykle ważnej warstwy geologicznej, choć z drugiej strony materiał skalny stamtąd dociera na powierzchnię Ziemi na różne sposoby, np. w erupcjach wulkanicznych.

Skorupa ziemska ma średnio od 10 do nawet 80 kilometrów grubości. W niektórych miejscach jest sporo cieńsza, a uskoki i pęknięcia odsłaniają to, co jest pod spodem. Jednym z takich obszarów jest Grzbiet Śródatlantycki, szczególnie w pobliżu podwodnej góry zwanej Masywem Atlantis. Po południowej stronie tego masywu znajduje się obszar znany jako Zaginione Miasto – pole hydrotermalne, gdzie spotyka się skały płaszcza, które wchodzą w interakcje z wodą morską w procesie zwanym „serpentynizacją”, zmieniającym ich strukturę. To właśnie tutaj, według publikacji w „Science”, w maju 2023 r. członkowie Międzynarodowego Programu Odkrywania Oceanów (IODP) wydobyli rdzeń skalny o długości 1268 m zawierający perydotyty abyssalne, które są pierwotnymi skałami tworzącymi górne warstwy płaszcza Ziemi. Andrew McCaig, współautor badań i naukowiec z uniwersytetu w Leeds, powiedział w artykule w serwisie „The Conversation”, że według wstępnej analizy, skład rdzenia zawiera odmianę perydotytu zwaną harzburgitem, która powstaje w wyniku częściowego stopienia skał płaszcza. Nie można jednak powiedzieć, że misja dokonała przełomu, czyli przekroczenia nieciągłości Mohorovičicia. Planowane są przyszłe misje w tym miejscu, które być może tego dokonają.

Pierwsze próby dotarcia pod skorupę datują się już na lata 60. Po dekadach prób i wierceń, we wrześniu 2012 roku jednostka „Chikyu” wiercąca w pobliżu Wysp Japońskich w ramach projektu badaczy z Japońskiej Agencji do spraw Nauki i Technologii Morskiej (JAMSTEC), w ramach programu IODP ustanowiła nowy rekord wiercenia w dnie morza – 2133,6 metra. Pomimo że warstwa do przewiercenia z dna morskiego jest w wielu miejscach znacznie cieńsza niż na lądzie, to wcale nie jest łatwo. Po pierwsze – trzeba bezpiecznie opuścić na głębokość prawie dwóch kilometrów sprzęt. Po drugie – mimo zastosowania wierteł wykonanych z supertwardego węglika wolframowego i tak muszą być one wymieniane co 50…60 godzin, skały bowiem pod dnem morza charakteryzują się bardzo dużą twardością. Po trzecie – wyzwaniem jest relatywnie bardzo mała średnica otworu, najwyżej 28 cm.

Przypomnijmy, że najgłębiej penetrujący Ziemię wykonany jak dotąd przez człowieka odwiert to Supergłęboki Odwiert Kolski, który miał przeszło 12 kilometrów głębokości. Obecnie uznaje się, że za pomocą takich projektów na lądzie nie mamy obecnie szans na dowiercenie się do płaszcza. Za to z poziomu dna morskiego – kto wie?

Zanim to nastąpi, być może czekają nas inne odkrycia dotyczące wnętrza Ziemi. Latem 2024 geolodzy z Uniwersytetu Maryland odkryli tajemniczą strefę subdukcji pod Pacyfikiem i dowody na istnienie starożytnego dna morskiego, które zapadło się głęboko w głąb Ziemi jeszcze w epoce dinozaurów, co przy okazji podważa znane teorie na temat struktury wnętrza Ziemi. Subdukcja ma miejsce, gdy jedna płyta tektoniczna wsuwa się pod drugą, „wciskając” materiał powierzchniowy z powrotem do płaszcza Ziemi. Proces ten często pozostawia widoczne ślady, w tym wulkany, trzęsienia ziemi i głębokie rowy morskie. Kierowany przez Jingchuana Wanga zespół wykorzystał innowacyjne techniki obrazowania sejsmicznego, aby zajrzeć w głąb płaszcza. Odkryto obszar o większej gęstości w strefie przejściowej płaszcza, regionie znajdującym się od około 410 do 660 kilometrów pod powierzchnią Ziemi. Strefa ta oddziela górny i dolny płaszcz, rozszerzając się lub kurcząc w zależności od temperatury. Zespół uważa, że to fragment dna morskiego, który zapadł się w Ziemię około 250 milionów lat temu. Artykuł na temat tych badań został opublikowany w „Science Advances” we wrześniu 2024 roku.

Uczeni po raz kolejny podjęli się także wysiłku wyjaśnienia jednej z najbardziej intrygujących anomalii – geoidy znajdującej się na południe od Sri Lanki na Oceanie Indyjskim. Anomalia, znana jako Indian Ocean Geoid Low (IOGL), charakteryzuje się znacznym spadkiem grawitacji na sporym obszarze powierzchni planety. Ta „dziura grawitacyjna” (3) od dziesięcioleci zastanawiała naukowców. Naukowcy odkryli, że mogą za nią stać „anomalie małej gęstości”, czyli obecność lżejszych materiałów w górnych warstwach płaszcza. Powodować je mogą pióropusze płaszcza lub wznoszące się w sposób nietypowy gorące skały. Jednak żadna znana wielka struktura (pióropusz) w płaszczu nie został wykryty pod IOGL. Według nowych badań, odchylenie od grawitacyjnej normy jest prawdopodobnie spowodowane szybkim ruchem płyty indyjskiej, która powoduje ruch masy w płaszczu z wynoszeniem lżejszego materiału do góry. Jednak do pełnego wyjaśnienia zjawiska jeszcze brakuje sporo danych.

3. Dziura w grawitacji spowodowana mniejszą gęstością materii w płaszczu Ziemi.
Fot: wikipedia.org

Woda w najgłębszych głębinach i szczątki obcej planety

Jeszcze większą niespodzianką niż zatopione w płaszczu ziemskim fragmenty skorupy czy anomalie grawitacyjne z powodu domniemanych turbulencji w magmie są ogromne oceany wody na głębokościach, na których nigdy byśmy się w ogóle wody nie spodziewali. Według współczesnych danych na głębokości około 640 km pod powierzchnią naszej planety znajdują się obfite zasoby wody, nazywane czasem podziemnym oceanem, które zawierają jej objętościowo trzy razy więcej niż wszystkie powierzchniowe oceany razem wzięte. Dzięki skrupulatnej analizie tych danych naukowcy doszli do wniosku, że rejestrowane w sejsmografach fale oddziałują z wodą przechowywaną w minerale o nazwie ringwoodyt, w stanie porównywanym czasem do nasiąkniętej gąbki.

Zdaniem geofizyka Steve’a Jacobsena, jednego z głównych badaczy tego zagadnienia, istnienie tak wielkich ilości wody, związanych w ringwoodycie w warstwie płaszcza ziemskiego, może wskazywać na to, iż globalny obieg wody, także tej, z którą mamy do czynienia na powierzchni, może być znacznie bardziej skomplikowany i wzajemnie powiązany na poziomie planetarnym, niż się wydawało. Okazuje się zresztą, że woda być może dociera jeszcze głębiej. Według publikacji, która ukazała się kilka miesięcy temu w „Nature Geoscience”, międzynarodowy zespół badaczy odkrył, że woda z powierzchni Ziemi może przenikać w głąb naszej planety nawet do niemal trzech tysięcy kilometrów, zmieniając skład i strukturę zewnętrznego obszaru metalicznego płynnego jądra, tworząc w tym obszarze cienką warstwę. Naukowcy wykazali za pomocą eksperymentów wysokociśnieniowych, że woda, przedostająca się tak głęboko wskutek ruchu płyt tektonicznych, reaguje chemicznie z materią jądra. Reakcje te tworzą bogatą w wodór warstwę, zmieniając zewnętrzny obszar jądra w strukturę przypominającą błonę. Dodatkowo, reakcja generuje kryształy krzemionki, które unoszą się i mieszają z materią płaszcza ziemskiego. „Ekran” wodny otaczający jądro miałby wpływ na geochemiczne cykle aż po powierzchnię i atmosferę planety.

Dziś coraz częściej uważa się, że w płaszczu Ziemi tkwią wciąż także fragmenty planety Theia wielkości Marsa, z którą zderzyła się miliardy lat temu, co ostatecznie nie tylko uformowało Ziemię w rozmiarze, który znamy dziś, ale również Księżyc. Według jednej z teorii, tamto pradawne zderzenie pozostawiło dwa masywne relikty wewnątrz naszej planety, złożone z materiału, który kiedyś był częścią obiektu Theia. Jeden z nich znajduje się pod Afryką, a drugi pod Oceanem Spokojnym. Każdy ma objętość dwa razy większą od Księżyca. Nie zlały się z płaszczem naszego globu i składają się z innych pierwiastków niż jego materia. Po pierwsze – są to struktury gorętsze i gęstsze niż otaczający je płaszcz. Mają dużą zawartość żelaza. Gdyby ich materiał udało się w jakiś sposób przetopić i umieścić na powierzchni Ziemi, utworzyłby warstwę o grubości 100 km wokół całej naszej planety. Czyli powierzchnia naszej planety podwyższyłaby się o tyle, ile wynosi odległość od umownej krawędzi kosmosu. Naukowcy wiedzą o tych reliktach od ponad 20 lat. Najnowszy ich opis opublikowali pod koniec 2023 r. badacze kierowani przez geofizyka Qiana Yuana z Caltech. Dlaczego materiał ten uformował się w dwa wielkie obiekty, zamiast zmieszać się ostatecznie z materią płaszcza? Naukowcy twierdzą, że większość energii z uderzenia odebrana została w górnej części płaszcza, a dolny płaszcz się nie stopił. Zatem, pomimo gigantycznego, gwałtownego uderzenia, materiał z planety Theia pozostał w większości nienaruszony. Zamiast mieszać się z płaszczem, uformował się w dwie duże oddzielone masy. Materiały te, według tych teorii, mogą pozostawać tam w mniej więcej nienaruszonym stanie przez całą historię Ziemi, czyli około 4,5 miliarda lat.

Jądro niejasności

Jeśli płaszcz jest tajemniczy, to co dopiero powiedzieć o tym, co jeszcze głębiej, czyli o jądrze Ziemi, oddzielonym od górnych warstw granicą Gutenberga–Wiecherta na głębokości 2900 km. Pod nią znajduje się, według obecnej wiedzy, ciekłe jądro zewnętrzne ze stopu niklowo-żelazowego. Na podstawie badań sejsmologicznych w obrębie jądra wyróżniono trzy strefy – jądro zewnętrzne, jądro wewnętrzne i położoną między nimi strefę przejściową (tzw. nieciągłość Lehmanna). Według NASA, w jego środku jest stałe, wewnętrzne jądro o podobnym składzie co zewnętrzne i promieniu około 1220 km, które wiruje z inną prędkością niż reszta planety. Uważa się, że powoduje to powstanie ziemskiego pola magnetycznego. Wewnętrzne jądro zostało odkryte w 1936 roku przez Inge Lehmanna. Ponieważ warstwa ta potrafi przenosić fale ścinające (poprzeczne fale sejsmiczne), wnioskuje się, że musi być twarda. Niektórzy przypuszczają, że może mieć postać pojedynczego kryształu żelaza. Są eksperymenty, które na to wskazują. Inne znów takiej teorii przeczą. Proporcje pierwiastków w jądrze są takie: około 85 proc. Fe, około 6 proc. Ni, 5 proc. Si, reszta to domieszki: S, Cr, P, C i inne.

Teoria geodynama sugeruje, że konwekcja w jądrze zewnętrznym w połączeniu z efektem Coriolisa powoduje powstanie ziemskiego pola magnetycznego. Wewnętrzne jądro jest zbyt gorące, aby utrzymać stałe pole magnetyczne, ale prawdopodobnie działa stabilizująco na pole magnetyczne wytwarzane przez zewnętrzne jądro ciekłe. Średnie natężenie pola magnetycznego w zewnętrznym rdzeniu Ziemi szacuje się na 25 gausów (2,5 mT), czyli pięćdziesiąt razy więcej niż pole magnetyczne na powierzchni Ziemi.

Znana jest również od dawna koncepcja georeaktora, zaproponowana przez J. Marvina Herdona, mówiąca, że w centrum wewnętrznego jądra Ziemi znajduje się uran tworzący naturalny reaktor jądrowy, w którym uran ulega rozszczepieniu w reakcji łańcuchowej. Hipoteza ta budzi jednak wiele kontrowersji i nie jest uznawana przez geofizykę, choć niewątpliwe jest, że uran i inne radioaktywne jądra rozpadają się, wydzielając ciepło i dając tym samym istotny wkład do  bilansu cieplnego wnętrza Ziemi. Jest to jednak rozpad spontaniczny związany z  nietrwałością ciężkich jąder, a  nie wynik reakcji łańcuchowej.

Naukowcy z Uniwersytetu Południowej Kalifornii (USC) dowodzą od niedawna, że wewnętrzne jądro Ziemi spowalnia swój ruch obrotowy w stosunku do powierzchni planety. Zjawisko to, jak wynika z badań, rozpoczęło się w 2010 roku. Wyniki ich badań zostały opublikowane w „Nature”. Odwzorowanie ruchów wewnętrznego jądra powstało dzięki detekcji fal sejsmicznych z trzęsień ziemi. Na podstawie tych danych badacze wnioskują, że jądro wewnętrzne porusza się faktycznie w kierunku przeciwnym w stosunku do obrotu powierzchni planety, ponieważ po raz pierwszy od około 40 lat porusza się nieco wolniej, a nie szybciej niż płaszcz Ziemi. W porównaniu do prędkości w poprzednich dekadach wewnętrzne jądro zwalnia. O tym, co z tego wynika, według uczonych, można jedynie spekulować. Zdaniem profesora Johna Vidale'a z USC, względny ruch wsteczny wewnętrznego jądra może o ułamki sekund zmienić długość dnia. Przyszłe badania mają określić ruchy wewnętrznego jądra w jeszcze bardziej szczegółowy sposób i dotrzeć do przyczyn tych zmian.

W artykule opublikowanym w 2020 r. w czasopiśmie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego „Physical Review Letters” badacze twierdzą, że po latach eksperymentów modelujących powstanie ziemskiego jądra doszli do wniosku, że jądro Ziemi jest młodsze, niż wcześniej sądzono i ma prawdopodobnie najwyżej od miliarda do 1,3 mld lat. Poprzednie szacunki wieku ziemskiego jądra były nieprecyzyjne. Rozciągały się w przedziale czasowym od ok. czterech i pół miliarda lat do 565 mln lat temu. Nowe oszacowania zostały opracowane drogą żmudnych eksperymentów uczonych z Uniwersytetu Teksaskiego w Austin, wykorzystujących między innymi układy laserowo podgrzewające i ściskające żelazo do ogromnych ciśnień w diamentowych „imadłach”. Z pomiarów przewodnictwa wyliczono stosunkowo precyzyjnie nowy możliwy czas powstania jądra.

Z kolei zespół amerykańskich i chińskich naukowców opublikował w czasopiśmie „Nature Geoscience” pracę, z której wynika, że wewnętrzne jądro naszej planety składa się z dwóch „jeszcze bardziej wewnętrznych” jąder. Warstwy jądra różnią się strukturą, a dokładniej ułożeniem metalicznych kryształów. W „zewnętrznym wewnętrznym” jądrze byłyby one skierowane zgodnie z osią północ–południe, zaś w jądrze „wewnętrznym wewnętrznym” – według osi wschód–zachód. Uczeni wysnuli takie wnioski na podstawie pogłębionych analiz fal sejsmicznych, które pochodzą z trzęsień ziemi i przechodzą przez kulę ziemską. Uważają też, że odkrycie to świadczy o jakichś niezwykle dramatycznych wydarzeniach w przeszłości Ziemi. Dwie warstwy o dwóch różnych orientacjach krystalicznych musiały uformować się w różnych warunkach. Zdaniem niektórych komentatorów ułożenie takie może świadczyć o tym, że bieguny magnetyczne naszej planety mogły być kiedyś zorientowanie wzdłuż osi równoleżnikowej, a nie mniej więcej południkowej jak obecnie. To mogło zmienić się ok. pół miliarda lata temu, ale nie wiadomo dlaczego.

Zespół badawczy złożony z doktoranta Ludovica Hugueta, profesorów nauk o Ziemi, środowisku i planecie, Jamesa Van Ormana i Stevena Haucka II, profesora nauk materiałowych oraz inżyniera Matthew Willarda w opublikowanym w lutym w „Earth and Planetary Science Letters” artykule przypomina o tym, o czym dobrze wiadomo – że materiał musi być w temperaturze poniżej zera lub poniżej temperatury zamarzania, aby stał się ciałem stałym. Okazuje się, że krystalizacja cieczy wymaga dodatkowej energii, bariery nukleacyjnej, czyli składnika, którego do tej pory nie zawierały modele matematyczne najgłębszego wnętrza naszej planety. Aby pokonać tę barierę i rozpocząć krzepnięcie, ciecz musi być schłodzona znacznie poniżej temperatury krzepnięcia, co naukowcy nazywają „przechłodzeniem”. Pomimo że we wnętrzu naszej planety występuje ogromne ciśnienie, bariera zarodkowania metalu jest wciąż wielka. Aby ją przezwyciężyć i rozpocząć krzepnięcie, ciecz musi zostać schłodzona znacznie poniżej punktu zamarzania, co nazywane jest „superchłodzeniem”. Powstanie tego pierwszego kryształu z cieczy wymaga zatem dodatkowej energii. Nic nie wiadomo o jakimkolwiek dodatkowym bodźcu, który by to wspierał. Jak szacują autorzy badań, wewnętrzne jądro musiałoby być w celu inicjacji zarodkowania w jakiś sposób poddane masywnemu schłodzeniu o wartości ok. 1000 kelwinów. Nie wiadomo w ogóle, jak mogłoby do tego dojść, pomijając już, że nie ma na tak gwałtowne chłodzenie żadnych naukowych dowodów.

Naukowcy mają hipotezy, jak mogłoby powstać zestalone jądro. Jeden z nich zakłada, że z kamienistego płaszcza Ziemi do środka stopniowo opadały zestalone bryły metalu, tworząc potrzebne zarodki krystalizacyjne. Musiałyby być jednak ogromne, co wzbudza wątpliwości, czy takie zjawisko w ogóle jest możliwe. Naukowcy z Wydziału Fizyki Królewskiego Instytutu Technologicznego w Sztokholmie opublikowali na początku lutego 2017 teorię, która być może wyjaśnia wątpliwości dotyczące krystalizacji. Skrajne temperatury wewnętrznego jądra, jak piszą, sprawiają, że wszystkie cząsteczki metalu są tam w ruchu w stanie dyfuzji. To, na poziomie atomowym, powoduje niestabilność, co sprawia, że kryształy żelaza zamieniają się w ciecz. Niektóre fragmenty kryształowych struktur atomowych upłynniają się, aby szybko ponownie wprowadzać się w stan struktury krystalicznej. Każdy atom tylko na chwilę opuszcza uporządkowaną strukturę, tylko po to, by po chwili stać się jej częścią z powrotem. Dzieje się to w warunkach ciśnienia 3,5 miliona razy wyższego niż panujące na powierzchni Ziemi, a temperatury przekraczają 6000°C. Gra ekstremów, temperatury i ciśnienia ma, według szwedzkich uczonych, utrzymywać jądro wewnętrzne w stanie zarazem niestabilnym i stabilnym, gdyż zasada rozbijania i powrotu do struktur krystalicznych metalu jest czymś stałym i niezmiennym. Zatem, zgodnie z teorią Szwedów, nie trzeba się martwić o zarodki krystalizacji, gdyż metaliczne jądro Ziemi znajduje się w stanie niekończącego się przechodzenia i fluktuacji pomiędzy stanami uporządkowania a nieuporządkowania i długo jeszcze żaden ze stanów nie przeważy w swoistej stabilności stanu niestabilności.

Informacji o głębokim wnętrzu Ziemi dostarczają nam głównie wspominane już kilka razy fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi. Fale sejsmiczne są to fale sprężyste rozchodzące się w ośrodku sprężystym, a swą nazwę zawdzięczają temu, że są generowane przez wstrząsy. W ośrodku sprężystym (skalnym) mogą się rozchodzić dwa rodzaje objętościowych fal sprężystych (sejsmicznych): szybsze fale podłużne i wolniejsze fale poprzeczne. Fale podłużne są drganiami ośrodka zachodzącymi wzdłuż kierunku propagacji fali, podczas gdy w falach poprzecznych drgania ośrodka są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Fale podłużne rejestrowane są jako pierwsze (łac. primae), a poprzeczne jako drugie (łac. secundae). Stąd też ich tradycyjne oznaczenia w sejsmologii – fale podłużne p i poprzeczne s. Fale p są około
1,73 razy szybsze niż fale s.

Informacje te pozwalają zbudować model wnętrza Ziemi na podstawie własności sprężystych. Inne własności fizyczne możemy określić na podstawie pola siły ciężkości (gęstość, ciśnienie), obserwacji prądów magnetotellurycznych generowanych w płaszczu Ziemi (rozkład przewodnictwa elektrycznego) czy rozkładu ziemskiego strumienia cieplnego. Petrologiczny skład wnętrza Ziemi możemy określać na podstawie porównań z laboratoryjnymi badaniami własności minerałów i skał w warunkach wysokich ciśnień i temperatur. Tylko że danych tych jest wciąż zbyt mało i są bardzo wycinkowe. Wnioskowanie na ich podstawie może być złudne. 

Mirosław Usidus