Jak gorące jest jądro Ziemi? I skąd my to właściwie wiemy?

Ludzkość zdołała wysłać sondy na krańce Układu Słonecznego i sfotografować odległe galaktyki, jednak wnętrze naszej własnej planety wciąż pozostaje jedną z najbardziej nieuchwytnych zagadek. Najgłębszy wykonany przez ludzi odwiert, czyli Odwiert Kolski w Rosji, osiągnął zaledwie 12 262 metry – a to stanowi zaledwie delikatne draśnięcie w grubej skorupie ziemskiej. Aby dowiedzieć się, co kryje się tysiące kilometrów głębiej, geolodzy i fizycy musieli zamienić tradycyjne narzędzia na potężne lasery oraz symulacje laboratoryjne. Dzięki ich pracy wiemy, że nasze istnienie zawdzięczamy termicznej anomalii.

Jak działa nasz ziemski „piec”?

Gdy Ziemia formowała się około 4,5 miliarda lat temu, była jedynie wirującą, stopioną masą skalną. Z upływem czasu do głosu doszła grawitacja: najcięższe pierwiastki, przede wszystkim żelazo i nikiel, zaczęły opadać ku samemu centrum, tworząc pierwotne jądro.

Dzisiaj ta struktura dzieli się na dwie wyraźne warstwy. Pierwszą jest płynne jądro zewnętrzne, które rozpoczyna się na głębokości około 2900 kilometrów pod powierzchnią i rozciąga na grubość kolejnych 2200 kilometrów. Głębiej, dokładnie 5150 kilometrów pod naszymi stopami, znajduje się stałe jądro wewnętrzne o promieniu rzędu 1220 kilometrów.

Jak gorąco jest w tym odizolowanym „piecu”? Eksperci szacują, że na granicy jądra wewnętrznego i zewnętrznego temperatura osiąga od 5000 do ponad 5500 stopni Celsjusza. To wartość niemal identyczna z temperaturą panującą na powierzchni Słońca. To niesamowite, że tak potężne źródło ciepła znajduje się tak blisko nas.

Diamentowe kowadełka i sejsmiczne fale

Skoro nikt nigdy nie pobrał próbki z jądra Ziemi, skąd naukowcy mają tak precyzyjne dane? Jak wyjaśnia prof. Shichun Huang, nasza wiedza to w dużej mierze efekt niezwykle trafnych wniosków naukowych opartych na trzech filarach. Po pierwsze, badacze przeanalizowali skład chemiczny meteorytów, co pozwoliło dowieść, że jądro składa się w około 85% z żelaza. Po drugie, zbadali precyzyjnie, jak fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi uginają się lub całkowicie zanikają, przechodząc przez płynne wnętrze globu.

Największym wyzwaniem było jednak zrozumienie fizyki żelaza poddanego ekstremalnemu ciśnieniu. Na powierzchni Ziemi czyste żelazo topi się w temperaturze 1538 stopni Celsjusza. Jednak w głębi planety panuje gigantyczny nacisk, który dramatycznie podnosi temperaturę topnienia większości substancji. To właśnie dlatego jądro wewnętrzne – mimo piekielnego upału – pozostaje w stanie stałym. Tak wynika ze stanu obecnej wiedzy, chociaż wiemy też, że może to potencjalnie w przyszłości ulegać zmianom.

Aby to zbadać w laboratorium, prof. fizyki mineralnej Quentin Williams z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz wraz z zespołami badawczymi wykorzystał niezwykłą technologię. Naukowcy ścisnęli drobiny żelaza między dwoma diamentami (w tzw. komorach z diamentowymi kowadełkami), generując potężne ciśnienie, a następnie podgrzali metal laserem. Inne eksperymenty polegały na uderzaniu w próbki pociskami o ogromnej prędkości, wywołującymi fale uderzeniowe. Wykresy uzyskane z tych doświadczeń pozwoliły precyzyjnie oszacować graniczną temperaturę topnienia żelaza w warunkach panujących we wnętrzu Ziemi.

Dlaczego nasz los zależy od jądra Ziemi? To pamiątka po wielkim zderzeniu

Niezwykle wysoka temperatura jądra to w dużej mierze pamiątka po gwałtownych narodzinach naszej planety, kiedy to energia grawitacyjna została przekształcona w ciepło. Co więcej, naukowcy uważają, że we wczesnym stadium rozwoju w protoplanetę uderzył obiekt wielkości Marsa, co wpompowało w jej wnętrze gigantyczne ilości dodatkowej energii termicznej. Część uczonych sugeruje również, że stałym paliwem dla tego pieca jest rozpad pierwiastków promieniotwórczych (potasu, uranu i toru), choć ten wątek wciąż budzi debaty w środowisku akademickim.

Ta gigantyczna akumulacja energii sprawiła, że Ziemia zyskała wyjątkową cechę na tle innych skalistych globów Układu Słonecznego: bardzo powoli oddaje energię w przestrzeń kosmiczną. Jak zauważa Quentin Williams, nasza planeta po prostu „nie radzi sobie z ochładzaniem”. To właśnie ta niedoskonałość pozwala nam przetrwać.

Ciepło z jądra napędza bowiem ruchy płyt tektonicznych, które bezustannie odświeżają powierzchnię planety, uwalniając składniki odżywcze i tworząc stabilne środowisko dla ewolucji życia. Co najważniejsze, rotujące, płynne jądro zewnętrzne działa jak gigantyczne dynamo, które generuje ziemskie pole magnetyczne. Bez tej niewidzialnej tarczy niszczycielski wiatr słoneczny dawno zdmuchnąłby naszą atmosferę i spalił wszelkie formy życia.

– Jeśli zależy ci na życiu, powinieneś dbać o to, co dzieje się wewnątrz Ziemi – podsumowuje prof. Huang.

Źródło: Live Science

Nasz autor

Jonasz Przybył

Redaktor i dziennikarz związany wcześniej m.in. z przyrodniczą gałęzią Wydawnictwa Naukowego PWN, autor wielu tekstów publicystycznych i specjalistycznych. W National Geographic skupia się głównie na tematach dotyczących środowiska naturalnego, historycznych i kulturowych. Prywatnie muzyk: gra na perkusji i na handpanie. Interesuje go historia średniowiecza oraz socjologia, szczególnie zagadnienia dotyczące funkcjonowania społeczeństw i wyzwań, jakie stawia przed nimi XXI wiek.