Podróż do wnętrza Ziemi. Nieznany świat pod skorupą
Wewnątrz Ziemi spoczywają nie tylko zaginione kontynenty, jak ten pod miejscem, w którym płyty tektoniczne Europy i Afryki zachodzą na siebie, lub inny, pogrzebany pod Kanadą lub ten pod oceanem w pobliżu Nowej Zelandii (1), ale również zapewne fragmenty pradawnej planety Theia, która miliardy lat temu zderzyła się z Ziemią, doprowadzając do powstania Księżyca.
Mimo że mamy za sobą setki lat innowacji technologicznych i odkryć naukowych, które umożliwiły nam tworzenie map gwiazd i umieszczenie człowieka na Księżycu, to, co leży bezpośrednio pod naszymi stopami, jest nadal w dużej mierze wiedzą tajemną. Nasza planeta trochę jak cebula (i ogry) składa się z wielu warstw (2). Ludzie, zwierzęta oraz wszystkie nadające się do zamieszkania lądy i oceany leżą na najbardziej zewnętrznej warstwie, znanej jako skorupa ziemska. Pod nią znajduje się sztywna zewnętrzna warstwa płaszcza zwana litosferą, a poza nią bardziej miękka część płaszcza zawierająca magmę. W tej chwili nie możemy wwiercić się głębiej niż do litosfery, w dodatku na głębokość zaledwie jej "naskórka".
Mokry płaszcz
Promień Ziemi to 6371 km, czyli podróż do środka naszego globu jest daleką drogą. Ze względu na ogromne ciśnienie i temperaturę osiągającą około 5 tys. stopni Celsjusza trudno wyobrazić sobie dotarcie do samego środka za pomocą jakiegokolwiek urządzenia stworzonego ludzką ręką. Jak zatem dowiedzieliśmy się tego co wiemy o budowie głębokiego wnętrza Ziemi? Informacji dostarczają nam głownie fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi.
W ośrodku sprężystym (skalnym) mogą się rozchodzić dwa rodzaje objętościowych fal sprężystych - 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.
Informacje, których dostarczają nam fale sejsmiczne, 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.
Skład wnętrza Ziemi możemy też określać na podstawie porównań z laboratoryjnymi badaniami własności minerałów i skał w warunkach wysokich ciśnień i temperatur. Na podstawie badań wiemy, że Skorupa Ziemi składa się z tlenu - 46,6 proc. wagowo, krzemu - 27,7 proc., glinu - 8,1 proc. żelaza - 5 proc., wapnia - 3,6 proc., sodu - 2,8 proc., potasu - 2,6 proc. i magnezu, 2,1 proc. Skorupa dzieli się na ogromne płyty, które unoszą się na płaszczu, kolejnej warstwie. Są w ciągłym ruchu. Wstrząsy mają miejsce, kiedy płyty te "trą" o siebie.
Poniżej stosunkowo cienkiej skorupy ziemskiej (10-80 km) i za granicą Mohorovičicia (Moho), występuje stanowiący 84 proc. objętości Ziemi skalny płaszcz, zbudowany głównie ze skał krzemianowych bogatych w magnez i żelazo. Silne ciepło powoduje unoszenie się skał, które następnie schładzają się i opadają z powrotem na jądro. Konwekcja tej substancji o konsystencji, jak się uważa, karmelu, powoduje ruch płyt tektonicznych i wybuchy wulkanów. Płaszcz dzieli się na cztery odrębne warstwy.
Górna warstwa płaszcza obejmuje litosferę i astenosferę. Strefa Przejściowa (do 660 km, gdzie wykrywane są podziemne zasoby wody). Dolny płaszcz (do głębokości 2891 km) i w końcu granica płaszcza z jądrem.
Ostatnie lata przyniosły serię zaskakujących odkryć dotyczących wody w płaszczu ziemskim. Według wyników badań geologicznych i sejsmologicznych opublikowanych w magazynie "Science", na głębokościach od 400 do 660 km pod powierzchnią Ziemi znajdują się wielkie jej zasoby wody związane w minerale o nazwie ringwoodyt (3), formie oliwinu. "W tej strefie wody może być tyle, ile we wszystkich ziemskich oceanach", oceniał w artykule Brandon Schmandt, sejsmolog z Uniwersytetu Nowego Meksyku. Także znaleziony w rumowisku rzecznym w Brazylii, "poobijany" diament, stanowił dla naukowców dowód, że ok. 410 kilometrów pod ziemią, znajduje się "mokra strefa". Znaleziony pięciomilimetrowy diament był składnikiem bogatego w wodę minerału. Naukowcy twierdzą, że został wyrzucony przez erupcję wulkaniczną z głębokości 500 km pod powierzchnią.
Czasopismo "Nature" informowało potem o odkryciu ogromnych rezerwuarów wody słodkiej pod dnem oceanów. Według autorów publikacji, z australijskiego Uniwersytetu Flinders, w pobliżu wybrzeży Australii, Ameryki Północnej, Chin i RPA, znaleziono zasoby szacowane na 500 tysięcy kilometrów kwadratowych. Odkrywcy określają tę wodę, jako "wodę o niskim zasoleniu", co oznacza, że dałaby się wykorzystać bezpośrednio do potrzeb ludzkich. Skąd ta "dobra" woda się wzięła. Według naukowców, gromadziła się po ziemią w wyniku naturalnej cyrkulacji, przez ostatnich kilkaset tysięcy lat, gdy poziom morza był znacznie niższy.
Czyżby wewnątrz Ziemi spoczywały szczątki Thei?
W ostatnich latach naukowcy zaglądający do wnętrza Ziemi znaleźli dwie struktury wielkości kontynentu, które podobnie jak podkłady wodne burzą dotychczasowy obraz płaszcza ziemskiego. Struktury te mają długość kontynentów i są do stu razy wyższe niż Mount Everest. Znajdują się na dnie skalistego płaszcza Ziemi, ponad jądrem zewnętrznym. Są zbudowane ze skał, tak jak reszta płaszcza, ale zdają się być gorętsze i cięższe.
Naukowcy po raz pierwszy zauważyli te "plamy" w późnych latach 70-tych XX wieku. Zespół geofizyków z Uniwersytetu w Maryland w 2020 r., analizując tysiące danych o trzęsieniach ziemi za pomocą algorytmu zwanego Sequencer, znalazł dowody na istnienie gorących, gęstych struktur i opublikował swoje odkrycia w czasopiśmie "Science". Według uczonych, struktury mają swoje podstawy prawie 2900 km pod powierzchnią Ziemi.
Dane wykazały istnienie wcześniej nieznanej strefy ultraniskiej prędkości, LLSVP, (inne określenia tych struktur) pod pacyficznym Archipelagiem Markizy. Okazało się również, że tego samego rodzaju strefa pod Hawajami jest znacznie większa niż wcześniej sądzono. Występują, według wyników badań, także pod Afryką (4) i częścią Oceanu Atlantyckiego. Jednak na podstawie odczytów danych sejsmicznych nie można na razie określić gęstości materiału, z którego są zbudowane. Naukowcy spekulują, że LLSVP mogą zasilać wulkany w takich aktywnych rejonach jak Hawaje.
Są sugestie, że te zakopane głęboko w płaszczu Ziemi struktury mogą być pozostałością obiektu wielkości Marsa, nazywanego Theia, który miał zderzyć się z Ziemią u zarania jej dziejów. Podczas 52. konferencji Lunar and Planetary Science, Qian Yuan z Uniwersytetu w Arizonie (ASU) powiedział, że nowe dowody izotopowe i modelowanie wskazują "pozaziemskie" pochodzenie tych struktur. Wcześniej sądzono, że LLSVP mogły po prostu wykrystalizować się z głębi pierwotnego oceanu magmy ziemskiej lub mogą być skoncentrowanymi reliktami pierwotnych skał płaszcza, które przetrwały potężne uderzenie, które doprowadziło do powstania Księżyca.
Schodząc do wewnętrznej części wewnętrznego jądra
Granica Gutenberga-Wiecherta na głębokości 2900 km oddziela skalny płaszcz od ciekłego jądra zewnętrznego, które otacza wewnętrzne, zestalone. Fale s całkowicie w tym miejscu zanikają a fale p zmniejszają swoją prędkość, co wyraźnie wskazuje na ciekłą, stopioną naturę zewnętrznego jądra. Na podstawie badań sejsmologicznych w obrębie jądra wyróżniono trzy strefy - jądro zewnętrzne, jądro wewnętrzne i położoną między nimi strefę przejściową (tzw. nieciągłość Lehmann-Bullena). Zgodnie z powszechnie przyjętymi poglądami jądro Ziemi jest kulą o promieniu według równych oszacowań od 3300 do niemal 3500 km, masie 1,85·1024 kg i gęstości 9,6-18,5 g/cm³. Jądra zewnętrzne i wewnętrzne mają podobny skład żelazowo-niklowy (około 85 proc. żelaza, około 6 proc. niklu, 5 proc. krzemu, reszta to domieszki siarki, chromu, fosforu i węgla).
Według NASA, stałe, wewnętrzne jądro żelazne ma promień około 1220 km (inne szacunki mówią o 1250 km). Na tej głębokości ciśnienie jest tak ogromne, że żelazo i nikiel obecne w jądrze mogą istnieć w stanie stałym pomimo wysokiej temperatury. Jest to aż 5700 Kelwinów, czyli temperatura powierzchni Słońca.
Punkt Curie, czyli maksymalna temperatura, do której dany materiał może zachować swoje stałe właściwości magnetyczne dla żelaza wynosi około 1043 Kelwinów. Oczywiste jest więc, że stałe wewnętrzne żelazne jądro nie jest powodem istnienia pola magnetycznego. Pochodzenie pola magnetycznego jest wyjaśnione za pomocą bardziej skomplikowanej teorii geodynama, którego funkcjonowanie wyjaśnia magnetohydrodynamika. Łączy ona zachodzącą w jądrze zewnętrznym konwekcję, unoszącą silniej ogrzaną materię znajdującą się bliżej środka Ziemi wyżej, z działaniem prawa Ampere’a. Efekt zmiany kierunku ruchu unoszącej się i opadającej substancji można opisać jako efekt siły Coriolisa. A unosząca się i opadająca substancja tworzy wiry w większości kręcące się w płaszczyźnie obrotu Ziemi i w tę samą stronę. Pętla prądu elektrycznego może generować pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne może w zamian generować prąd elektryczny. Pola te wywierają siłę Lorentza na naładowane cząstki.
Na skutek wyżej opisanego efektu oraz zmiennej prędkości obrotowej płaszcza ziemskiego, jądro wewnętrzne obraca się z inną prędkością niż płaszcz. Obecnie jądro wewnętrzne obraca się szybciej niż płaszcz Ziemi o około 0,3-0,5 stopnia rocznie.
Wewnętrzne jądro jest, jak wspomniano, 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 jądrze Ziemi szacuje się na 25 gaussów, czyli jest pięćdziesiąt razy silniejsze niż pole magnetyczne na powierzchni Ziemi.
Tradycyjnie przyjmowano , że wewnętrzne jądro Ziemi uformowało się około miliarda lat temu, kiedy to supergorąca bryła żelaza spontanicznie zaczęła krystalizować się w centrum naszej planety w formę metalicznej kuli. Z tą teorią jest jednak taki problem, że to po prostu niemożliwe - ogłosili kilka lat temu uczeni z Uniwersytetu Case Western Reserve.
Zespół badawczy w opublikowanym w "Earth and Planetary Science Letters" artykule przypomina o tym, o czym dobrze wiadomo - że materiał musi mieć temperaturę poniżej temperatury zamarzania, aby stał się ciałem stałym. Okazuje się, że krystalizacja cieczy wymaga dodatkowej energii do pokonania bariery nukleacyjnej. Aby pokonać tę barierę i rozpocząć krzepnięcie, ciecz musi być schłodzona znacznie poniżej temperatury krzepnięcia, co naukowcy nazywają "przechłodzeniem". Powstanie zalążkowego kryształu z cieczy wymaga zatem dodatkowej energii. Nic nie wiadomo o jakimkolwiek dodatkowym bodźcu, który by to wspierał.
"Musiało zdarzyć się coś, co obniżyło barierę nukleacyjną, pozwalając na krystalizację w wyższej temperaturze. Naukowcy dokonują takiej sztuki w laboratorium, dodając kawałek zestalonego metalu do lekko schłodzonego ciekłego metalu, co tworzy zarodek krystalizacji a niejednorodny materiał szybko się zestala. Trudno jednak określić w skali planetarnej, jak mogłoby dojść do czegoś podobnego, w jaki sposób fragment ciała stałego wzmacniającego nukleację mógłby znaleźć drogę do środka Ziemi i umożliwić utwardzenie (i rozbudowę) wewnętrznego jądra", czytamy w artykule. Naukowcy mają przypuszczenia. Jedno z nich to hipoteza, że ze skalnego płaszcza Ziemi do środka stopniowo opadały zestalone bryły metalu, tworząc potrzebne zarodki krystalizacyjne. Musiałyby być jednak ogromne, co znów wzbudza wątpliwości, czy takie zjawisko w ogóle jest możliwe.
To nie koniec zagadek związanych ze środkiem Ziemi. Na pytanie - dlaczego zewnętrzne jądro jest płynne - znamy mniej więcej odpowiedź. Jak w przypadku wszystkich pierwiastków, to czy żelazo jest ciałem stałym, cieczą, gazem zależy zarówno od ciśnienia jak i temperatury żelaza. Jądro Ziemi jest płynne, ponieważ jest wystarczająco gorące, aby stopić żelazo, ale tylko w miejscach, gdzie ciśnienie jest wystarczająco niskie.
W miarę jak Ziemia się starzeje i ochładza, coraz większa część jądra zestala się w tempie szacowanym na milimetr na rok, a kiedy tak się dzieje, Ziemia trochę się kurczy. Więc ostatecznie, Ziemia ma płynne jądro ponieważ nie skończyła jeszcze stygnąć. W dodatku proces ten nie jest równomierny. Według doniesień naukowych z lata 2021 żelazne jądro naszej planety stygnie szybciej po jednej stronie niż po drugiej i nikt nie wie dlaczego. "Wewnętrzne jądro jest asymetryczne", głosi opublikowany w czerwcu 2021 r. komunikat prasowy badaczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Stygnie szybciej po jednej stronie, pod Indonezją, w porównaniu do drugiej strony, która znajduje się pod Brazylią.
Dawniej uważano, że jądro wewnętrzne może tworzyć żelazny monokryształ. Pojawiła się również 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 niewątpliwym jest, że uran i inne radioaktywne jądra rozpadają się we wnętrzu Ziemi, wydzielając ciepło i dając tym samym istotny wkład do bilansu cieplnego.
Najnowsze badania pokazują, że samo jądro wewnętrzne ma jeszcze jedną warstwę zwaną wewnętrznym jądrem wewnętrznym, zaś najbardziej wewnętrzne jądro w rzeczywistości uformowało się miliardy lat wcześniej niż wcześniej sądzono, krótko po uformowaniu się naszej planety. Zaskakującym faktem dotyczącym tego regionu jest to, że kryształy żelaza są tu zorientowane w osi wschód-zachód, w przeciwieństwie do innych części, gdzie są one zorientowane w osi północ-południe (5). Nie wiemy dlaczego.
A nuż się dowiercimy…
Badacze z Japońskiej Agencji do spraw Nauki i Technologii Morskiej (JAMSTEC). Chcą oni jako pierwsi w historii świata przewiercić się przez ziemską skorupę aż do płaszcza i pobrać z niego próbki do badań. Próbował tego dokonać międzynarodowy zespół naukowców pracujący w ramach projektu Slow Spreading Ridge Moho Project (SloMo Project). Wybrali rejon Oceanu Indyjskiego, w którym grubość skorupy szacuje się na tylko ok. 5 kilometrów. Odwiertu dokonywano dzięki statkowi wiertniczemu JOIDES Resolution (6). Niestety, ich wysiłki na razie spełzły na niczym, gdyż zdołano wykonać odwiert tylko na niecałe 800 metrów.
Za pomocą odwiertów badacze mają nadzieję zbadać tzw. nieciągłość Mohorovičicia. Jest to kilkusetmetrowa granica między skorupą i płaszczem Ziemi, ulokowana ok. 5-8 km pod oceanami, 35 km pod kontynentami i aż 80 km pod wysokimi górami (np. Himalajami). W tej strefie fale sejsmiczne gwałtownie zmieniają prędkość, a typowe skały skorupy (granit, bazalt) ustępują miejsca głębinowym perydotytom. Niektórzy naukowcy przypuszczają, że w nieciągłości może pojawiać się woda, która tworzy odmienny rodzaj skał, tzw. serpentynit.
Nie są to oczywiście pierwsze ambitne projekty naukowych odwiertów pod dnem morskim. Próby dotarcia pod skorupę datują się od lat 60. We wrześniu 2012 roku jednostka "Chikyu" wiercąca w pobliżu wysp japońskich ustanowiła nowy rekord 2133,6 metra. Pomimo, że warstwa do przewiercenia jest znacznie cieńsza niż na lądzie, to w oceanicznym przedsięwzięciu wcale nie jest łatwo. Po pierwsze, trzeba bezpiecznie opuścić na głębokość prawie dwóch kilometrów sprzęt. Po drugie, mimo zastosowania wierteł wykonanych z super-twardego węglika wolframowego i tak muszą być one wymieniane co 50-60 godzin, skały bowiem z spod dna morza charakteryzują się bardzo wysoką twardością. Po trzecie, wyzwaniem jest relatywnie bardzo mała średnica otworu, ok. 28 cm.
Niedawno naukowcy z Kraju Kwitnącej Wiśni postanowili wykorzystać ponownie statek Chikyu. Nowy projekt wierceń będzie prowadzony na Hawajach. Plan zakłada zanurzenie wiertła ok. 4 kilometry poniżej powierzchni oceanu, następnie wwiercenie się w skorupę ziemską, pokonanie 6 kilometrów jej grubości, i w końcu pobranie próbek z płaszcza. Termin rozpoczęcia właściwych odwiertów wyznaczono na koniec lat 20.
Przypomnijmy, że najgłębszy wykonany dotąd przez człowieka odwiert to Supergłęboki Odwiert Kolski oznaczany SG-3. Choć był to projekt owiany tajemnicami, to kilka informacji w końcu dotarło do opinii publicznej. Prace nad wierceniami rozpoczęto 24 maja 1970 roku. SG-3 przestał być drążony w latach 90. ubiegłego stulecia. Do zakończenia badań naukowych doprowadziła niemożność dalszego drążenia skał w wysokich temperaturach, rozpad ZSRR, niedostateczne finansowanie. Według pierwotnych planów miał dotrzeć na głębokość 15 km. Okazało się, że już na długości 12 262 metrów panują warunki, które nie pozwalają na dalsze wiercenie. Nieco wcześniej, jeszcze na głębokości 4 km znaleziono materiał biologiczny w postaci jednokomórkowych organizmów. Łącznie wydobyto ponad 20 ich gatunków. Na siódmym kilometrze natrafiono na mineralny materiał płynny. Stwierdzono, że woda utknęła tam z powodu przemieszczania się płyt tektonicznych.
Jak widać wiercenie jest dużym wyzwaniem. Dlatego wielu specjalistów, np. Mark Russell, szef firmy Hypersciences, chciałoby radykalnie zmienić technikę wykonywania otworów w skorupie ziemskiej. Zamiast powolnego, żmudnego, drogiego i niejednokrotnie niebezpiecznego wiercenia za pomocą świdrów, proponuje on wstrzeliwanie w głąb ziemi pocisków. Specjalnie skonstruowane pociski przebijające otwór w skale, w wyniku zapłonu gazów w komorze uzyskiwałyby przyspieszenie ponad 7000 km/h (prawie 2 km/s). Russell ma pomysł, aby w głowicy tych pocisków umieszczać dodatkowo materiały wybuchowe, aby ich eksplozja pod ziemią zwiększała siłę przebicia. Działa strumieniowe strzelać miałyby seriami, pocisk za pociskiem.
Sceptycy zauważają jednak, że nie wiadomo, jak owo "strzelanie w ziemię" wpłynie na podziemne środowisko, wody gruntowe i geologię terenu.
Wątpliwe więc, by pomysł strzelania w głąb Ziemi pocisków znalazł uznanie. Może w końcu uda się opracować dokładniejsze i nieinwazyjne techniki wglądu i skanowania wnętrza planety. Uczeni bardzo liczą w tym względzie na okiełznanie neutrin, które z łatwością przenikają wszystko. Niestety chyba nam wciąż daleko do panowania nad tymi efemerycznymi cząstkami.
Mirosław Usidus
