Cesta za tajemstvím zemského jádra

Redakce (06. 05. 2005)

Až donedávna byli odborníci přesvědčeni, že zemské jádro je složeno převážně ze železa s příměsí niklu. Nyní však přišli vědci z Chicagské univerzity v USA s překvapujícím zjištěním, že jádro je daleko složitější a skládá se přinejmenším z dalších komponentů, jakými je například křemík.

Předchozí studie přítomnost křemíku vylučovala, protože je mnohem lehčí než železo a měl by být z vnitřního jádra vyloučen. „Nitro Země nemůže být tak jednoduché, jak jsme po celá staletí předpokládali,“ říká Dion Heinz, profesor Chicagské univerzity. Vědci pro své poznatky vycházeli ze seismologických měření, kdy putují seismické vlny i přes zemské jádro. Podle těchto měření musí byt ve vnějším jádru planety až 10% lehčích příměsí a ve vnitřním jádru až 4%. Vědci dnes nevylučují ani přítomnost dalších lehkých příměsí, jakými mohou být například síra, uhlík, či dokonce kyslík a vodík. Atomová struktura železa se podle této teorie vlivem intenzivních teplot a obrovského tlaku mění a může právě prostřednictvím přítomnosti křemíku dosáhnout za těchto podmínek dvou rozdílných atomových struktur v jednom vzorku.

Račte si prožít peklo

Zkuste vzít lopatu a začít kopat díru. Po několika metrech samozřejmě poznáte, jak těžká je to práce. Pokud vydržíte kopat alespoň do hloubky jednoho kilometru, začnete cítit teplo, vyzařující z nitra Země. Při dalším kopání vám bude větší a větší horko. Zatím se člověk nedostal hlouběji než 8 kilometrů a to je podle posledních výzkumů pevná vnější zemská kůra v nejsilnějších místech tlustá asi 70 kilometrů. Ovšem některé části kůry, jako pod dnem oceánů měří pouze 10 kilometrů.

O tom jaké peklo a obrovský tlak panují v nitru Země, byste se mohli přesvědčit, pokud byste se nechali zalít například do betonu. Už po chvíli byste, kvůli extrémnímu tlaku působícímu na vaše tělo, začali pociťovat obrovské horko. A teď si představte, že váš betonový obleček by byl 70 kilometrů tlustý. Pak už jistě pochopíte, jak obrovské horko a tlak musí panovat v zemském nitru. V samotném jádru je to okolo4 700°C a ještě na spodní hranici pláště dosahuje teplota 3 500°C.

Většina zemského pláště, přes 99%, je skutečně pevná látka, ale vysoké teploty a hmotnost jsou příčinou toho, že se jeho část taví. Tyto roztavené části známe jako magma.

Zemské jádro se snaží osvobodit

Pokud byste měli onen betonový obleček na sobě, určitě byste ze všech sil bojovali o to, zbavit se jej za každou cenu. Hledali byste každou štěrbinku, či otvor do kterého by se dostaly vaše prsty, abyste se dostali k povrchu. Stejný proces probíhá v nitru Země. V její vnější vrstvě jsou slabší místa a pukliny a pokud magma tyto cestičky najde, snaží se dostat na povrch. To jsou místa, kde se tvoří sopky. Uvolněné magma se na povrchu země stává lávou. Magma a láva jsou v podstatě stejné substance, ale rozdílné názvy pomáhají vědcům lokalizovat jejich polohu.

Subdukční sopky hrozí smrtí

Nejtenčí a nesvrchnější vrstvou naší planety je zemská kůra. Kontinentální pokrývá pouze třetinu zemského povrchu, zatímco oceánská kůra celé dvě třetiny. Spolu s horní částí svrchního pláště tvoří kůra křehkou litosféru, rozlámanou na tektonické desky, plující na roztaveném magmatu pláště.

I zde si pomůžeme malým přirovnáním. Představte si ony zemské desky jako obrovské talíře, plovoucí na povrchu roztaveného proudícího vosku. Pokud se tyto dva talíře setkají, bude se jeden nořit pod okraj druhého. Tato kolize je základem vzniku subdukční sopky, nazvané podle subdukční zóny, tedy místa dotyku obou talířů – zemských desek.

Na druhé straně se tvoří jiný typ sopek v tzv. riftech, místech, kde se naopak oceánské desky od sebe vzdalují a horké magma může trhlinami stoupat na povrch. Tak vznikly například celé Havajské ostrovy. Tento typ vulkanické činnosti je poměrně pozvolný, vyznačuje se pomalým vytékáním lávy a jejím tuhnutím na povrchu. Je to způsobeno rovněž tím, že kůra je v těchto místech slabá a pod ní panuje nižší tlak. Mnohem nebezpečnější jsou sopky subdukční, které v místech zlomů vybuchují s ohromujícím efektem, chrlí žhavé magma a lávu do výše a vše doprovázejí hromovým rachotem a mračny popela.

Hluboko pod námi zuří hurikány

Pomocí počítačových simulací vytvořili vědci z Hopkinsovy univerzity v USA model, kterým simulují složité pohyby, probíhající v zemském jádru. Ve svých prvních úvahách vycházeli z poznatků o vírech, které panují ve vesmíru v podobě vířících mlhovin či galaxií, i z pozemských meteorologických jevů, jakými jsou hurikány nebo tornáda.

Stejný fenomén vírů prý cloumá i jádrem naší planety.

Ačkoliv je zemské jádro tvořeno z převážné míry pevným železem (i když podle výše uvedených objevů s dalšími příměsemi), obklopuje jej vnější jádro, tvořené tekutým železem.  Počítačový model výzkumnému týmu potvrdil, že v tekutém vnějším jádru Země víří dvě oblasti, pohybující se různou rychlostí a navíc v opačném směru. Oba žhavé víry se navzájem ovlivňují a protože proudící tekuté železo je elektricky nabité, indukuje magnetické pole planety. Vědci tento jev nazvali „geomagnetickým dynamem“. Základ celého jevu je stejný, jako u vzniku pozemského hurikánu. Jde o tzv. konvekci, čili vzestupné proudění ohřívaného materiálu. Peter Olson, člen výzkumného týmu zároveň uvádí, že vnější jádro Země se otáčí v opačném směru než jádro vnitřní, přičemž vnikají mohutné víry. Zároveň se tvoří silné magnetické pole, obklopující celou naši planetu a chránící ji před škodlivým kosmickým zářením.

Proč se magnetické pole mění?

„V současné době toho víme více o povrchu Slunce, než o zemském jádru,“ říká profesor Kalifornské univerzity v Berkeley, USA Rich Muller a má hlubokou pravdu. „Částečně se můžeme do zemského nitra podívat prostřednictvím seismografů, důkazem mnohých procesů jsou magnetické změny, ale to je tak všechno. To ostatní je pro nás velkým tajemstvím.“
Co dnes vlastně o zemském jádru víme? Známe přibližně jeho složení, víme, že se tam skrývá pevné vnitřní jádro o velikosti Měsíce, vnější jádro velikosti Marsu a nepravidelná hranice mezi tekutým vnějším jádrem a pevnou spodní částí zemské kůry.

Teorii o vzniku magnetického pole prostřednictvím vzestupného proudění (konvekce), jakéhosi geodynama, v kapalném vnějším jádru už dnes uznává naprostá většina vědeckých kapacit. Konvekce začíná nejspíše 5000 kilometrů pod povrchem Země, kde krystalizuje železo na povrchu vnějšího jádra. Lehčí příměsi, jako kyslík, síra a křemík stoupají k hranici jádra o 2000 kilometrů výše, kde jsou tisíckrát nižší teploty.

Miliony let se tento proces opakuje a na spodní straně pláště planety se hromadí usazeniny. Jejich síla dosahuje stovek metrů a čas od času dochází k tomu, že se od spodní strany pláště planety oddělí a sklouznou v podobě obrovité laviny. Těžší železo pak klesá znovu do žhavého jádra, kde se roztaví a vše se opakuje. Celý proces byl podle Mulera nastartován před miliony let, kdy do planety Země narazil obrovitý asteroid. V důsledku nárazu se utrhly nesmírné masy usazenin a zhroutilo se magnetické pole Země. Trvalo pak několik tisíc let, než se magnetické pole obnovilo.

Cyklus však byl započat a i dnes můžeme v jeho důsledku sledovat víceméně pravidelné změny v magnetickém poli. Dnes už víme, že magnetické pole se mění skokem a v různých obdobích geologické historie mělo opačnou polaritu, tedy sever-jih a jih-sever. Podle nejnovějších měření magnetického pole jsme právě nyní v období změny polarity magnetického pole.

Prameny:
www.unisci.com
www.sln.fi.edu/earth/core.html
www.lbl.gov

Kolik bychom vážili v centru Země?

I když jde o zdánlivě jednoduchou otázku, odpověď na ni už je poněkud složitější. Nejlépe to pochopíme na malém příkladu. Pokud bychom vyvrtali do naší planety díru s naprosto hladkými okraji, zajistili v ní vzduchoprázdno, aby nedocházelo k žádnému tření, a zároveň nebrali v úvahu obrovské horko ve středu Země, máme vše připraveno pro experiment. Pak už jen stačí odvážně skočit do otvoru.

Váš pád se bude postupně zrychlovat, jak na vás bude působit přitažlivost ze středu. Čím více se však k němu blížíte, tím menší přitažlivost bude působit zdola a naopak se bude zvyšovat přitažlivost zemské masy nad vámi. Nakonec, asi za 21 minut dosáhnete středu Země a v tom okamžiku nevážíte vůbec nic. Protože polovina Země je nad vámi a polovina pod vámi, přitažlivost je zrušena. Nyní však dochází ke zdánlivému paradoxu. Vaše tělo se nezastaví a pokračuje ve svém letu, protože má určitou kinetickou energii a už na něj působí gravitace opačné strany planety. Za dalších 21 minut se tak vynoří na opačném konci Země. Tam se ovšem situace obrátí a už vás zase přitahuje zemské jádro a letíte zpět.

Pokud bychom vyloučili všechny vedlejší vlivy jako tření, budete se tak houpat sem a tam nekonečně dlouho a každých 84,5 minuty se vrátíte do místa, ze kterého jste vystartovali. Navíc jde o přesně stejný časový úsek, jaký by potřeboval na jeden oblet satelit, obíhající kolem Země těsně nad povrchem (ovšem zase za předpokladu, že jej nebude zpomalovat tření).

Deset nejsilnějších zemětřesení
1 – Chile, 9,5 stupně (22.5.1960)
2 – Aljaška, 9,2 stupně (28.3.1964)
3 – Aljaška, 9,1 stupně (9.3.1957)
4 – Rusko, 9,0 stupně (4.11.1952)
5 – Indonésie, 8,9 stupně (26.12.2004)
6 – Ekvádor, 8,8 stupně (31.1.1906)
7 – Aljaška, 8,7 stupně (4.2.1964)
8 – Tibet, 8,6 stupně (15.8.1950)
9 – Rusko, 8,5 stupně (6.2.1923)
10 – Indonésie, 8,5 stupně (1.2.1938)

Převzato:  http://21stoleti.cz/