Žemės vidinė sandara

Įsivaizduokite, kad esate neeilinės ekspedicijos dalyvis. Jūsų tikslas – ne tolima galaktika ar vandenyno gelmės, o kelionė, kurios niekas niekada neatliko – kelionė į pačią mūsų planetos širdį. Ką rastumėte po savo kojomis, jei galėtumėte leistis 10, 100, 1000 kilometrų gilyn? Ar ten karšta? O gal ten tuščia erdvė?

Ši kelionė, nors kol kas įmanoma tik mintyse, yra raktas į daugelio mums įprastų reiškinių supratimą. Būtent nematomas Žemės vidinis variklis stumdo žemynus, kelia į dangų kalnų grandines, verčia išsiveržti ugnikalnius ir sukelia galingus žemės drebėjimus. Šiame cikle „Žemės skulptoriai“ aiškinsimės, kokios jėgos milijonus metų formuoja mūsų planetos veidą.

Pradėsime nuo pačių pamatų. Šioje pamokoje išnarpliosime Žemės vidinę sandarą. Atsakysime ne tik į klausimą „Kas yra viduje?“, bet ir į kur kas sudėtingesnį – „Iš kur mes tai žinome?“. Pasiruoškite pasinerti į slėgio, temperatūros ir neįsivaizduojamų jėgų pasaulį, slypintį giliai po mūsų kojomis.

Giliausias gręžinys, kurį žmonijai pavyko išgręžti (Kolos gręžinys Rusijoje), siekia vos kiek daugiau nei 12 kilometrų. Palyginti su Žemės spinduliu, kuris yra apie 6371 km, tai tėra adatos dūris į arbūzo žievę. Akivaizdu, kad tiesiogiai paimti mėginių iš Žemės mantijos ar branduolio yra neįmanoma. Tad kaip mokslininkai sugeba taip detaliai aprašyti planetos vidų?

Atsakymas slypi netiesioginiuose tyrimo metoduose, kurie veikia panašiai kaip gydytojo atliekamas ultragarso tyrimas – siunčiami signalai, o jų atspindžiai ir sklidimo greitis atskleidžia vidinę struktūrą.

Seisminės bangos – Žemės aidas

Pagrindinis įrankis, leidžiantis pažvelgti į Žemės gelmes, yra seisminės bangos. Tai energijos bangos, kurios sklinda per Žemę žemės drebėjimų ar galingų sprogimų metu. Yra du pagrindiniai jų tipai:

Mokslininkai, išdėstę jautrius prietaisus – seismografus – visame pasaulyje, registruoja šias bangas. Jie pastebėjo, kad bangų greitis ir kryptis staiga kinta tam tikruose gyliuose. Šie pokyčiai rodo ribas tarp skirtingo tankio ir agregatinės būsenos (kietos ar skystos) medžiagų. Būtent S bangų nesugebėjimas pereiti per išorinį branduolį buvo svarbiausias įrodymas, kad jis yra skystas. Analizuodami milijonus tokių įrašų, geofizikai sukūrė detalų Žemės vidaus modelį.

Kiti netiesioginiai įrodymai

• Meteoritai. Manoma, kad meteoritai susidarė iš tų pačių medžiagų ir tuo pačiu metu kaip ir Žemė. Jų cheminė sudėtis, ypač geležies meteoritų, leidžia daryti prielaidą, kokios medžiagos sudaro tankų Žemės branduolį.
• Žemės magnetinis laukas. Mūsų planeta elgiasi kaip didžiulis magnetas. Tokį lauką gali generuoti tik didelis kiekis judančio, elektrai laidaus skysčio. Tai dar vienas argumentas, patvirtinantis skysto metalo (geležies ir nikelio) išorinio branduolio egzistavimą.
• Laboratoriniai eksperimentai. Mokslininkai laboratorijose sukuria ekstremalias sąlygas – milžinišką slėgį ir temperatūrą – ir tiria, kaip tokiomis sąlygomis elgiasi įvairios uolienos ir mineralai. Tai padeda suprasti, kokios medžiagų savybės būdingos Žemės gelmėms.

Remdamiesi netiesioginiais tyrimais, mokslininkai nustatė, kad Žemė yra sudaryta iš trijų pagrindinių koncentrinių sferų, kurios skiriasi savo chemine sudėtimi, tankiu ir temperatūra. Šiuos sluoksnius galima palyginti su kiaušiniu: plonas, kietas lukštas (pluta), tąsus baltymas (mantija) ir tankus trynys (branduolys).

Kiekvienas iš šių sluoksnių dar skirstomas į posluoksnius, kurie skiriasi ne tiek chemine sudėtimi, kiek fizikinėmis savybėmis (kietumu, plastiškumu). Būtent šios fizikinės savybės yra esminės norint suprasti procesus, kurie formuoja mūsų planetos paviršių.

Žemės pluta yra pats ploniausias, išorinis ir geriausiai ištirtas planetos sluoksnis. Tai kieta uolienų danga, ant kurios mes gyvename. Nors ji sudaro mažiau nei 1 % Žemės masės, jos įvairovė yra milžiniška. Išskiriami du pagrindiniai plutos tipai, kurie fundamentaliai skiriasi savo savybėmis.

Žemyninė ir vandenyninė pluta

Šie skirtumai, ypač tankio, yra nepaprastai svarbūs. Dėl mažesnio tankio žemyninė pluta tarsi „plūduriuoja“ aukščiau mantijoje, todėl iškyla virš jūros lygio ir sudaro žemynus. Tuo tarpu tankesnė vandenyninė pluta grimzta giliau ir sudaro vandenynų dugną.

Moho paviršius

Riba, skirianti Žemės plutą nuo po ja esančios mantijos, vadinama Moho paviršiumi (arba Mohorovičičiaus riba), pagerbiant ją 1909 m. atradusį kroatų seismologą Andrija Mohorovičių. Šiame gylyje seisminių bangų greitis staigiai padidėja, o tai rodo perėjimą į tankesnę medžiagą – mantiją.

Mantija yra storiausias Žemės sluoksnis, besitęsiantis nuo plutos pagrindo (Moho paviršiaus) iki maždaug 2900 km gylio. Ji sudaro apie 84 % planetos tūrio. Nors mantijos uolienos yra kietos, per ilgus geologinius laikotarpius jos elgiasi kaip labai klampus skystis – teka lėtai, bet užtikrintai. Šis reiškinys vadinamas konvekcija.

Šiluma iš karšto branduolio keliauja į viršų, šildo apatinės mantijos medžiagą, ji tampa ne tokia tanki ir lėtai kyla. Pasiekusi vėsesnius viršutinius sluoksnius, ji atiduoda šilumą, tampa tankesnė ir vėl grimzta žemyn. Šie lėti, bet galingi konvekciniai srautai yra pagrindinė jėga, judinanti virš mantijos esančias litosferos plokštes.

Mantija skirstoma į kelias zonas pagal fizikines savybes:

Litosfera ir astenosfera: kietas kevalas ant plastiško pagrindo

Norint suprasti Žemės dinamiką, svarbiausia atskirti du viršutinius sluoksnius, kurie apibrėžiami ne pagal cheminę sudėtį, o pagal mechaninį elgesį.

• Litosfera. Tai pats išoriausias, kietas ir trapus Žemės apvalkalas. Ją sudaro visa Žemės pluta (tiek žemyninė, tiek vandenyninė) ir pati viršutinė kietos mantijos dalis. Litosferos storis svyruoja nuo kelių dešimčių kilometrų po vandenynais iki 200 km po senais žemynų masyvais. Litosfera nėra vientisa – ji suskilusi į dideles plokštes, kurios ir juda.

• Astenosfera. Šis sluoksnis yra po litosfera, viršutinėje mantijos dalyje (maždaug nuo 100 iki 400 km gylyje). Čia temperatūra ir slėgis yra tokie, kad uolienos yra ties savo lydymosi riba. Jos yra kietos, bet plastiškos ir tąsios – jas galima palyginti su karšta derva ar plastilinu. Būtent dėl šio plastiškumo litosferos plokštės gali „slysti“ astenosferos paviršiumi.

Šių dviejų sluoksnių atskyrimas yra plokščių tektonikos teorijos pagrindas, kurį nagrinėsime kitose pamokose. Įsivaizduokite ledlaužius (litosferos plokštes), plaukiančius per pusiau sustingusį vandenį (astenosferą).

Apatinė mantija

Žemiau astenosferos, iki pat ribos su branduoliu, tęsiasi apatinė mantija. Dėl milžiniško slėgio ji yra kieta, nors temperatūra čia daug aukštesnė nei astenosferoje.

Pačiame Žemės centre, maždaug 2900 km gylyje, prasideda tankiausias ir karščiausias sluoksnis – branduolys. Jo skersmuo yra didesnis už Marso planetą. Manoma, kad branduolys sudarytas daugiausia iš geležies (apie 85 %) ir nikelio, su nedidelėmis kitų elementų priemaišomis. Branduolys yra padalintas į dvi labai skirtingas dalis.

Išorinis branduolys: skystas magnetas

• Būsena: Skystas. Nors slėgis čia milžiniškas, temperatūra (4400–5000 °C) yra pakankamai aukšta, kad išlaikytų geležies ir nikelio lydinį išsilydžiusį. Tai žinome, nes S tipo seisminės bangos negali pereiti per šį sluoksnį.
• Storis: Apie 2260 km.
• Svarba: Tai Žemės geodinamo. Dėl Žemės sukimosi ir konvekcijos skystas metalas nuolat juda. Šis judantis elektrai laidus skystis sukuria galingą magnetinį lauką, kuris apgaubia visą planetą. Magnetosfera apsaugo mus nuo žalingo Saulės vėjo – nuolatinio įkrautų dalelių srauto, sklindančio iš Saulės. Be magnetinio lauko Saulės vėjas palaipsniui „nupūstų“ Žemės atmosferą, ir planeta taptų negyvenama, panaši į Marsą.

Vidinis branduolys: kieta mįslė

• Būsena: Kietas. Tai gali atrodyti keista, nes vidinis branduolys yra dar karštesnis (iki 6000 °C – karščiau nei Saulės paviršius!). Tačiau slėgis čia yra toks neįsivaizduojamai didelis (daugiau nei 3,6 milijono kartų didesnis nei atmosferos slėgis), kad jis „suspaudžia“ geležies ir nikelio atomus į kietą kristalinę struktūrą ir neleidžia jiems išsilydyti.
• Storis: Apie 1220 km (spindulys).
• Savybės: Manoma, kad vidinis branduolys sukasi truputį greičiau nei likusi planetos dalis. Jis taip pat nuolat auga, nes pamažu vėstant Žemei, skystas metalas išorinio branduolio apačioje kristalizuojasi ir „prikimba“ prie vidinio branduolys.

Norint įtvirtinti žinias, patogu visą informaciją matyti vienoje vietoje. Ši lentelė apibendrina pagrindines Žemės vidinės sandaros dalių savybes.

Susipažinimas su Žemės vidine sandara nėra tik sausų faktų mokymasis. Tai yra pamatas, ant kurio laikosi visa šiuolaikinė geologija ir supratimas apie mūsų planetos dinamiką. Ką tik išnagrinėta struktūra yra aktyvi ir nuolat kintanti.

Svarbiausia idėja, kurią turite išsinešti iš šios pamokos ir kuri bus esminė toliau, yra ši:

Kietos ir trapios litosferos plokštės juda ant plastiškos ir tąsios astenosferos, veikiamos galingų konvekcinių srautų, kylančių iš karštos mantijos gelmių, kurią kaitina branduolys.

Šis vienas sakinys apjungia viską, ką aptarėme. Žemės branduolys veikia kaip branduolinis reaktorius, mantija – kaip verdantis puodas, o litosfera – tai ant jo paviršiaus plūduriuojantys ir susiduriantys ledo gabalai. Būtent šių „ledo gabalų“ – litosferos plokščių – judėjimas, susidūrimai, prasiskyrimai ir panirimas vienos po kita sukuria visą mums matomą reljefo įvairovę: kalnus, vandenynų įdubas, salų lankus. Tai ir yra plokščių tektonika, kurią detaliai nagrinėsime kitoje pamokoje.