Až shodíte klíče do proudu roztavené lávy, rozlučte se s nimi, protože, kámo, jsou vším.
- Jack Handy
Při pohledu na naši domovskou planetu si všimnete, že 70 % jejího povrchu je pokryto vodou.
Všichni víme, proč tomu tak je: protože pozemské oceány se vznášejí nad skalami a nečistotami, které tvoří zemi. Koncept vztlaku, při kterém se objekty s menší hustotou vznášejí nad těmi hustšími, které klesají níže, vysvětluje mnohem víc než jen oceány. 
Stejný princip, který vysvětluje, proč ve vodě plave led, v atmosféře stoupá heliový balón a kameny se potápějí v jezeře, vysvětluje, proč jsou vrstvy planety Země uspořádány tak, jak jsou.
Nejméně hustá část Země, atmosféra, se vznáší nad oceány vody, které se vznášejí nad zemskou kůrou, která sedí nad hustším pláštěm, který se nepropadá do nejhustší části Země: do jádra.
V ideálním případě by nejstabilnější stav Země byl takový, který by byl ideálně rozdělen do vrstev, jako cibule, s nejhustšími prvky ve středu, a jak se pohybujete směrem ven, každá následující vrstva by se skládala z méně hustých prvků. A každé zemětřesení ve skutečnosti posouvá planetu k tomuto stavu.
A to vysvětluje strukturu nejen Země, ale také všech planet, pokud si pamatujete, odkud se tyto prvky vzaly.
Když byl vesmír mladý – jen pár minut starý – existoval pouze vodík a helium. Ve hvězdách se vytvářely stále těžší prvky, a teprve když tyto hvězdy zemřely, těžší prvky unikly do vesmíru a umožnily tak vznik nových generací hvězd.
Tentokrát ale směs všech těchto prvků – nejen vodíku a hélia, ale také uhlíku, dusíku, kyslíku, křemíku, hořčíku, síry, železa a dalších – tvoří nejen hvězdu, ale také protoplanetární disk kolem této hvězdy.
Tlak zevnitř ven ve formující se hvězdě vytlačuje lehčí prvky a gravitace způsobuje kolaps nepravidelností v disku a vytváření planet.
V případě Sluneční soustavy jsou čtyři vnitřní světy nejhustší ze všech planet v soustavě. Rtuť se skládá z nejhustších prvků, které nedokázaly pojmout velké množství vodíku a hélia.
Jiné planety, hmotnější a vzdálenější od Slunce (a tudíž přijímající méně jeho záření), dokázaly zadržet více těchto ultralehkých prvků – tak vznikli plynní obři.
Na všech světech, stejně jako na Zemi, jsou v průměru nejhustší prvky soustředěny v jádru a ty lehké kolem něj tvoří stále méně husté vrstvy.
Není divu, že železo, nejstabilnější prvek a nejtěžší prvek vznikající ve velkém množství na okraji supernov, je nejhojnějším prvkem v zemském jádru. Ale možná překvapivě mezi pevným jádrem a pevným pláštěm leží tekutá vrstva o tloušťce více než 2000 km: vnější jádro Země.
Země má silnou tekutou vrstvu obsahující 30 % hmotnosti planety! A o jeho existenci jsme se dozvěděli poměrně důmyslnou metodou – díky seismickým vlnám pocházejícím ze zemětřesení!
Při zemětřesení se rodí seismické vlny dvou typů: hlavní kompresní vlna, známá jako P-vlna, která se pohybuje podél podélné dráhy.
A druhá smyková vlna, známá jako S-vlna, podobná vlnám na hladině moře.
Seismické stanice po celém světě jsou schopné zachytit P- a S-vlny, ale S-vlny neprocházejí kapalinou a P-vlny nejen že procházejí kapalinou, ale lámou se!
V důsledku toho můžeme pochopit, že Země má tekuté vnější jádro, mimo něj je pevný plášť, a uvnitř - pevné vnitřní jádro! To je důvod, proč zemské jádro obsahuje nejtěžší a nejhustší prvky, a tak víme, že vnější jádro je tekutá vrstva.
Ale proč je vnější jádro tekuté? Jako všechny prvky, stav železa, ať už pevné, kapalné, plynné nebo jiné, závisí na tlaku a teplotě železa.
Železo je složitější prvek, než na který jste zvyklí. Samozřejmě může mít různé krystalické pevné fáze, jak je naznačeno v grafu, ale obyčejné tlaky nás nezajímají. Sestupujeme do zemského jádra, kde jsou tlaky milionkrát větší než hladina moře. Jak vypadá fázový diagram pro tak vysoké tlaky?
Krása vědy spočívá v tom, že i když nemáte odpověď na otázku hned, je pravděpodobné, že někdo již provedl správný výzkum, který může odhalit odpověď! V tomto případě Ahrens, Collins a Chen v roce 2001 našli odpověď na naši otázku.
A přestože diagram ukazuje gigantické tlaky až 120 GPa, je důležité si uvědomit, že atmosférický tlak je pouze 0,0001 GPa, zatímco ve vnitřním jádru dosahují tlaky 330-360 GPa. Horní plná čára ukazuje hranici mezi roztaveným železem (nahoře) a pevným železem (dole). Všimli jste si, jak plná čára na samém konci prudce zatáčí nahoru?
Aby se železo roztavilo při tlaku 330 GPa, je potřeba obrovská teplota, srovnatelná s tou, která panuje na povrchu Slunce. Stejné teploty při nižších tlacích snadno udrží železo v kapalném stavu a při vyšších tlacích - v pevném stavu. Co to znamená z hlediska zemského jádra?
To znamená, že jak se Země ochlazuje, její vnitřní teplota klesá, ale tlak zůstává nezměněn. To znamená, že při formování Země bylo s největší pravděpodobností celé jádro tekuté a jak se ochlazuje, vnitřní jádro roste! A protože pevné železo má vyšší hustotu než tekuté železo, Země se přitom pomalu smršťuje, což vede k zemětřesení!
Takže zemské jádro je kapalné, protože je dostatečně horké na roztavení železa, ale pouze v oblastech s dostatečně nízkým tlakem. Jak Země stárne a ochlazuje, stále více jádra se stává pevným, a tak se Země trochu zmenšuje!
Pokud se chceme podívat daleko do budoucnosti, můžeme očekávat, že se objeví stejné vlastnosti, jaké byly pozorovány u Merkuru.
Merkur se díky své malé velikosti již ochladil a výrazně stáhl a má zlomy dlouhé stovky kilometrů, které se objevily kvůli nutnosti komprese kvůli chlazení.
Proč má tedy Země tekuté jádro? Protože se ještě neochladilo. A každé zemětřesení je malým přiblížením Země do jejího konečného, ochlazeného a zcela pevného stavu. Ale nebojte se, dlouho před tím okamžikem Slunce exploduje a všichni, které znáte, budou mrtví na velmi dlouhou dobu.
Zemské jádro zahrnuje dvě vrstvy s hraniční zónou mezi nimi: vnější tekutý obal jádra dosahuje tloušťky 2266 kilometrů, pod ním se nachází masivní husté jádro, jehož průměr se odhaduje na 1300 km. Přechodová zóna má nestejnoměrnou tloušťku a postupně tvrdne, přechází ve vnitřní jádro. Na povrchu horní vrstvy se teplota pohybuje kolem 5960 stupňů Celsia, i když se tento údaj považuje za přibližný.
Přibližné složení vnějšího jádra a metody jeho stanovení
O složení i vnější vrstvy zemského jádra je stále známo velmi málo, protože není možné získat vzorky pro studium. Hlavními prvky, které mohou tvořit vnější jádro naší planety, jsou železo a nikl. Vědci k této hypotéze dospěli v důsledku analýzy složení meteoritů, protože poutníci z vesmíru jsou fragmenty jader asteroidů a jiných planet.
Nicméně meteority nelze považovat za absolutně identické v chemickém složení, protože původní vesmírná tělesa byla mnohem menší než Země. Po mnoha výzkumech vědci dospěli k závěru, že kapalná část jaderné látky je vysoce zředěná jinými prvky, včetně síry. To vysvětluje jeho nižší hustotu než u slitin železa a niklu.
Co se děje na vnějším jádru planety?
Vnější povrch jádra na rozhraní s pláštěm je heterogenní. Vědci naznačují, že má různé tloušťky a vytváří zvláštní vnitřní reliéf. To se vysvětluje neustálým mícháním heterogenních hlubinných látek. Liší se chemickým složením a mají také různou hustotu, takže tloušťka hranice mezi jádrem a pláštěm se může lišit od 150 do 350 km.
Spisovatelé science fiction minulých let ve svých dílech popsali cestu do středu Země hlubokými jeskyněmi a podzemními chodbami. Je to opravdu možné? Bohužel tlak na povrchu jádra přesahuje 113 milionů atmosfér. To znamená, že každá jeskyně by se pevně „zabouchla“ i ve fázi přiblížení se k plášti. To vysvětluje, proč na naší planetě nejsou žádné jeskyně hlubší než 1 km.
Jak studujeme vnější vrstvu jádra?
Vědci mohou posoudit, jak jádro vypadá a z čeho se skládá, sledováním seismické aktivity. Například bylo zjištěno, že vnější a vnitřní vrstva se vlivem magnetického pole otáčejí různými směry. Zemské jádro skrývá desítky nevyřešených záhad a čeká na nové zásadní objevy.
Hloubka výskytu - 2900 km. Průměrný poloměr koule je 3500 km. Dělí se na pevné vnitřní jádro o poloměru asi 1300 km a tekuté vnější jádro o tloušťce asi 2200 km, mezi nimiž se někdy rozlišuje přechodová zóna. Teplota na povrchu pevného jádra Země údajně dosahuje 6230±500 (5960±500 °C), ve středu jádra může být hustota asi 12,5 t/m³, tlak až 3,7 milionu atm (375 GPa) . Hmotnost jádra - 1,932⋅10 24 kg.
O jádru je známo jen velmi málo – všechny informace byly získány nepřímými geofyzikálními nebo geochemickými metodami. Vzorky materiálu jádra zatím nejsou k dispozici.
Historie studia
Existenci prokázal v roce 1897 německý seismolog E. Wichert a hloubku výskytu (2900 km) určil v roce 1910 americký geofyzik B. Gutenberg. Kromě toho V.N Lodochnikov a U. Ramsay navrhli, že spodní plášť a jádro mají stejné chemické složení - na rozhraní jádro-plášť se při tlaku 1,36 Mbar přeměňují křemičitany pláště na tekutou kovovou fázi (metalizované silikátové jádro). Složení jádraExistují pouze nepřímé údaje o složení jádra, získané různými způsoby. Z dostupných materiálů jsou složením nejblíže zemskému jádru zřejmě železné meteority, což jsou fragmenty jader asteroidů a protoplanet. Železné meteority však nemohou poskytnout přesnou představu o látce zemského jádra, protože byly vytvořeny v mnohem menších tělesech, a proto za různých fyzikálně-chemických podmínek. Na druhou stranu, seismické studie udávají přesnou velikost jádra a z gravimetrických dat je známa jeho hustota, což ukládá další omezení na jeho složení. Protože hustota jádra je přibližně o 5-10 % menší než hustota slitin železa a niklu, předpokládá se, že zemské jádro obsahuje více lehkých prvků než železné meteority. Mezi pravděpodobné kandidáty patří: síra, kyslík, křemík, uhlík, fosfor, vodík. Nakonec lze složení jádra odhadnout na základě geochemických a kosmochemických úvah. Pokud nějak vypočítáme primární složení Země a spočítáme, jaký podíl prvků se nachází v jiných geosférách, pak můžeme konstruovat odhady složení jádra. Velkou pomoc při takových výpočtech poskytují vysokoteplotní a vysokotlaké experimenty distribuce prvků mezi roztaveným železem a silikátovými fázemi.
V dubnu 2015 vědci z Oxfordské univerzity navrhli teorii, podle níž je obsah uranu v zemském jádru o několik dílů na miliardu vyšší, než se dosud předpokládalo. Takové prohlášení vedlo k šíření vysoce sledovaných zpráv v médiích o údajném objevu uranového jádra v blízkosti Země. Magnetické pole ZeměViz takéPoznámky
|
V jaké nepaměti se to stalo? Všechny tyto otázky znepokojují lidstvo již dlouhou dobu. A mnozí vědci chtěli rychle zjistit, co se tam v hlubinách nachází? Jenže se ukázalo, že naučit se to všechno není tak jednoduché. Vždyť i dnes, když má lidstvo všechna moderní zařízení k provádění nejrůznějších výzkumů, je schopno vrtat vrty do hlubin pouhých nějakých patnácti kilometrů – víc ne. A pro plnohodnotné a komplexní experimenty by potřebná hloubka měla být o řád větší. Vědci proto musí spočítat, jak bylo vytvořeno zemské jádro pomocí různých vysoce přesných přístrojů.
Zkoumání Země
Od pradávna lidé studovali přirozeně exponované horniny. Útesy a horské svahy, strmé břehy řek a moří... Zde můžete na vlastní oči vidět to, co existovalo pravděpodobně před miliony let. A na některých vhodných místech se vrtají studny. Jedna z nich je v její hloubce – patnáct tisíc metrů. Doly, které lidé kopou, aby také pomohli studovat vnitřní jádro, je samozřejmě nemohou „získat“. Ale z těchto dolů a vrtů mohou vědci extrahovat vzorky hornin a učit se tak o jejich změnách a původu, struktuře a složení. Nevýhodou těchto metod je, že jsou schopny studovat pouze pevninu a pouze horní část zemské kůry.
Obnovení podmínek v zemském jádru
Ale geofyzika a seismologie – nauka o zemětřesení a geologickém složení planety – pomáhají vědcům pronikat hlouběji a hlouběji bez kontaktu. Studiem seismických vln a jejich šířením se zjišťuje, z čeho se skládá plášť i jádro (obdobně se to určuje např. u složení spadlých meteoritů). Takové poznatky jsou založeny na získaných údajích – nepřímých – o fyzikálních vlastnostech látek. Také dnes ke studiu přispívají moderní data získaná z umělých družic na oběžné dráze.
Struktura planety
Vědci byli schopni po shrnutí získaných dat pochopit, že struktura Země je složitá. Skládá se minimálně ze tří nestejných částí. Ve středu je malé jádro, které je obklopeno obrovským pláštěm. Plášť zabírá přibližně pět šestin celého objemu Země. A nahoře je vše pokryto poměrně tenkou vnější kůrou Země.
Struktura jádra
Jádro je centrální, střední část. Dělí se na několik vrstev: vnitřní a vnější. Podle většiny moderních vědců je vnitřní jádro pevné a vnější jádro je tekuté (v roztaveném stavu). A jádro je také velmi těžké: váží více než třetinu hmotnosti celé planety s objemem něco málo přes 15. Teplota jádra je poměrně vysoká, pohybuje se od 2000 do 6000 stupňů Celsia. Podle vědeckých předpokladů se střed Země skládá převážně ze železa a niklu. Poloměr tohoto těžkého segmentu je 3470 kilometrů. A jeho plocha je asi 150 milionů čtverečních kilometrů, což se přibližně rovná ploše všech kontinentů na povrchu Země.
Jak vzniklo zemské jádro?
O jádru naší planety je velmi málo informací a lze je získat pouze nepřímo (neexistují žádné vzorky hornin jádra). Proto lze pouze hypoteticky vyjádřit teorie o tom, jak bylo vytvořeno zemské jádro. Historie Země sahá miliardy let zpět. Většina vědců se drží teorie, že planeta se zpočátku formovala jako poměrně homogenní. Proces izolace jádra začal později. A jeho složení je nikl a železo. Jak vzniklo zemské jádro? Tavenina těchto kovů postupně klesla do středu planety a vytvořila jádro. To bylo způsobeno vyšší měrnou hmotností taveniny.
Alternativní teorie
Existují i odpůrci této teorie, kteří předkládají vlastní, vcelku rozumné, argumenty. Za prvé, tito vědci zpochybňují skutečnost, že slitina železa a niklu prošla středem jádra (což je více než 100 kilometrů). Za druhé, pokud předpokládáme uvolňování niklu a železa z křemičitanů podobných meteoritům, pak by měla nastat odpovídající redukční reakce. To by mělo být doprovázeno uvolněním obrovského množství kyslíku, vytvářejícího atmosférický tlak několika set tisíc atmosfér. Ale neexistují žádné důkazy o existenci takové atmosféry v minulosti Země. Proto byly předloženy teorie o počátečním formování jádra během formování celé planety.
V roce 2015 dokonce oxfordští vědci navrhli teorii, podle níž se jádro planety Země skládá z uranu a má radioaktivitu. To nepřímo dokazuje dlouhou existenci magnetického pole Země a skutečnost, že v moderní době naše planeta vyzařuje mnohem více tepla, než očekávaly předchozí vědecké hypotézy.
O struktuře zemského jádra bylo vyjádřeno nespočet myšlenek. Dmitrij Ivanovič Sokolov, ruský geolog a akademik, řekl, že látky uvnitř Země jsou distribuovány jako struska a kov v tavicí peci.
Toto obrazné srovnání bylo více než jednou potvrzeno. Vědci pečlivě studovali železné meteority přilétající z vesmíru a považovali je za fragmenty jádra rozpadlé planety. To znamená, že zemské jádro by se také mělo skládat z těžkého železa v roztaveném stavu.
V roce 1922 norský geochemik Victor Moritz Goldschmidt předložil myšlenku obecné stratifikace hmoty Země v době, kdy byla celá planeta v kapalném stavu. Odvodil to analogicky s metalurgickým procesem studovaným v ocelárnách. „Ve stádiu tekuté taveniny,“ řekl, „byla hmota Země rozdělena na tři nemísitelné kapaliny – silikátovou, sulfidovou a kovovou. Při dalším ochlazování tyto kapaliny vytvořily hlavní obaly Země – kůru, plášť a železné jádro!
Nicméně, blíže k naší době, myšlenka „horkého“ původu naší planety byla stále horší než „studené“ stvoření. A v roce 1939 navrhl Lodochnikov jiný obraz formování nitra Země. V této době již byla známá myšlenka fázových přechodů hmoty. Lodochnikov navrhl, že fázové změny ve hmotě zesilují s rostoucí hloubkou, v důsledku čehož se hmota rozděluje na skořápky. V tomto případě jádro nemusí být nutně železné. Může sestávat z překonsolidovaných silikátových hornin, které jsou v „kovovém“ stavu. Tuto myšlenku uchopil a rozvinul v roce 1948 finský vědec V. Ramsey. Ukázalo se, že ačkoli má zemské jádro jiný fyzikální stav než plášť, není důvod ho považovat za složeného ze železa. Koneckonců, překonsolidovaný olivín by mohl být těžký jako kov...
Vznikly tak dvě vzájemně se vylučující hypotézy o složení jádra. Jedna je vyvinuta na základě myšlenek E. Wicherta o slitině železa a niklu s malými přísadami lehkých prvků jako materiálu pro zemské jádro. A druhý - navrhl V.N. Lodochnikov a vyvinutý V. Ramseyem, který uvádí, že složení jádra se neliší od složení pláště, ale látka v něm je ve zvlášť hustém pokovovaném stavu.
Aby se vědci z mnoha zemí rozhodli, jakým směrem se mají váhy naklonit, prováděli experimenty v laboratořích a počítali a počítali, porovnávali výsledky svých výpočtů s tím, co ukázaly seismické studie a laboratorní experimenty.
V šedesátých letech dospěli odborníci konečně k závěru: hypotéza pokovování silikátů při tlacích a teplotách panujících v jádře se nepotvrdila! Provedený výzkum navíc přesvědčivě prokázal, že střed naší planety by měl obsahovat alespoň osmdesát procent celkových zásob železa... Takže zemské jádro je koneckonců železo? Železo, ale ne tak docela. Čistý kov nebo slitina čistého kovu slisovaná ve středu planety by byla pro Zemi příliš těžká. Proto je třeba vycházet z toho, že materiál vnějšího jádra tvoří sloučeniny železa s lehčími prvky – kyslíkem, hliníkem, křemíkem nebo sírou, které se v zemské kůře vyskytují nejčastěji. Ale které konkrétně? To není známo.
A tak se ruský vědec Oleg Georgievich Sorokhtin ujal nové studie. Zkusme sledovat průběh jeho úvah ve zjednodušené podobě. Na základě nejnovějších úspěchů geologické vědy dochází sovětský vědec k závěru, že v prvním období formování byla Země s největší pravděpodobností víceméně homogenní. Veškerá jeho látka byla distribuována přibližně rovnoměrně po celém objemu.
Postupem času se však těžší prvky, jako je železo, začaly takříkajíc „propadat“ do pláště a jít stále hlouběji ke středu planety. Je-li tomu tak, pak lze při srovnání mladých a starých hornin očekávat, že v mladých horninách bude nižší obsah těžkých prvků, jako je železo, které je rozšířeno v hmotě Země.
Studium starověkých láv tento předpoklad potvrdilo. Zemské jádro však nemůže být čistě železné. Na to je moc světlý.
Co bylo železným společníkem na cestě do centra? Vědec vyzkoušel mnoho prvků. Některé se ale v tavenině špatně rozpouštěly, zatímco jiné se ukázaly jako neslučitelné. A pak Sorokhtina napadlo: nebyl nejběžnější prvek - kyslík - společník železa?
Pravda, výpočty ukázaly, že sloučenina železa a kyslíku – oxid železa – se zdá být pro jádro příliš lehká. Ale za podmínek komprese a zahřívání v hloubkách musí oxid železa také projít fázovými změnami. Za podmínek v blízkosti středu Země jsou pouze dva atomy železa schopny pojmout jeden atom kyslíku. To znamená, že hustota výsledného oxidu se zvýší...
A zase výpočty, výpočty. Jaké však bylo uspokojení, když získaný výsledek ukázal, že hustota a hmotnost zemského jádra, postaveného z oxidu železa, který prošel fázovými změnami, dává přesně takovou hodnotu, jakou vyžaduje moderní model jádra!
Tady je - moderní a možná nejvěrohodnější model naší planety v celé historii jejího hledání. "Vnější jádro Země se skládá z oxidu jednomocného železa Fe2O a vnitřní jádro je vyrobeno z kovového železa nebo slitiny železa a niklu," píše Oleg Georgievich Sorokhtin ve své knize. "Přechodovou vrstvu F mezi vnitřním a vnějším jádrem lze považovat za sestávající ze sulfidu železa - troillitu FeS."
Na vytváření moderní hypotézy o uvolnění jádra z primární hmoty Země se podílí mnoho vynikajících geologů a geofyziků, oceánologů a seismologů - představitelů doslova všech vědních oborů, které studují planetu. Procesy tektonického vývoje Země budou podle vědců v hlubinách pokračovat ještě pěkně dlouho, alespoň má naše planeta dalších pár miliard let před sebou. Teprve po této nezměrné době se Země ochladí a promění se v mrtvé vesmírné těleso. Ale co se stane do této doby?...
Jak staré je lidstvo? Milion, dva, no, dva a půl. A v tomto období lidé nejenže vstali ze všech čtyř, ochočili oheň a pochopili, jak získávat energii z atomu, posílali lidi do vesmíru, automaty na jiné planety sluneční soustavy a ovládli blízký vesmír pro technické potřeby.
Průzkum a následné využití hlubokých útrob naší vlastní planety je program, který již klepe na dveře vědeckého pokroku.
