Cum stim ce se afla in centrul Pamantului

Oamenii au fost pe tot Pamantul. Am cucerit tinuturile, am zburat prin aer si ne-am scufundat la cele mai adanci transee din ocean. Am fost chiar pe Luna. Dar nu am fost niciodata in centrul planetei.

Nici macar nu ne-am apropiat. Punctul central al Pamantului se afla la peste 6.000 km in jos si chiar si partea exterioara a nucleului se afla la aproape 3.000 km sub picioarele noastre. Cea mai adanca gaura pe care am creat-o vreodata la suprafata este Kola Superdeep Borehole din Rusia si coboara doar pe un jalnic 12,3 km.

Toate evenimentele familiare de pe Pamant se intampla, de asemenea, aproape de suprafata. Lava care arunca din vulcani se topeste mai intai cu doar cateva sute de kilometri in jos. Chiar si diamantele, care au nevoie de caldura si presiune extrema pentru a se forma, isi au originea in roci adanci de mai putin de 500 km.

Ce este jos sub tot ceea ce este invaluit in mister. Pare de neinteles. Si totusi, stim o suma surprinzatoare despre nucleu. Avem chiar o idee despre cum s-a format acum miliarde de ani – totul fara un singur esantion fizic. Asa a fost dezvaluit nucleul.

O modalitate buna de a incepe este sa va ganditi la masa Pamantului, spune Simon Redfern de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie.

Array

Cea mai mare parte a masei Pamantului trebuie sa fie situata spre centrul planetei

Putem estima masa Pamantului observand efectul gravitatiei planetei asupra obiectelor de la suprafata. Se pare ca masa Pamantului este de 5,9 sextillion de tone: adica 59, urmata de 20 de zerouri.

Nu exista niciun semn de ceva atat de masiv la suprafata.

„Densitatea materialului la suprafata Pamantului este mult mai mica decat densitatea medie a intregului Pamant, deci asta ne spune ca exista ceva mult mai dens”, spune Redfern. – Acesta este primul lucru.

In esenta, cea mai mare parte a masei Pamantului trebuie sa fie situata spre centrul planetei. Urmatorul pas este sa ne intrebam ce materiale grele alcatuiesc miezul.

Raspunsul aici este ca este aproape sigur facut din fier. Se crede ca nucleul este de aproximativ 80% fier, desi cifra exacta este in dezbatere.

Un miez de fier ar reprezenta toata masa lipsa

Principala dovada in acest sens este cantitatea uriasa de fier din universul din jurul nostru. Este unul dintre cele mai frecvente zece elemente din galaxia noastra si se gaseste frecvent in meteoriti.

Avand in vedere cat este din el, fierul este mult mai putin comun la suprafata Pamantului decat ne-am putea astepta. Deci, teoria este ca atunci cand Pamantul s-a format acum 4,5 miliarde de ani, o multime de fier si-a facut drumul pana la miez.

Acolo se afla cea mai mare parte a masei si acolo trebuie sa fie si cea mai mare parte a fierului. Fierul este un element relativ dens in conditii normale si, sub presiunea extrema a miezului Pamantului, acesta va fi zdrobit la o densitate si mai mare, astfel incat un miez de fier ar putea explica toata masa lipsa.

Dar asteapta un minut. Cum a ajuns fierul acela acolo, in primul rand?

Fierul trebuie sa fi gravitat cumva – la propriu – spre centrul Pamantului.

Dar nu este evident imediat cum.

Majoritatea restului Pamantului este alcatuit din roci numite silicati, iar fierul topit se straduieste sa calatoreasca prin ele. Mai degraba ca modul in care apa de pe o suprafata grasa formeaza picaturi, fierul se agata de sine in mici rezervoare, refuzand sa se extinda si sa curga.

Presiunea schimba de fapt proprietatile modului in care fierul interactioneaza cu silicatul

O posibila solutie a fost descoperita in 2013 de Wendy Mao de la Universitatea Stanford din California si colegii ei. S-au intrebat ce s-a intamplat atunci cand fierul si silicatul au fost ambele expuse la presiuni extreme, asa cum se intampla adanc in pamant.

Prin ciupirea extrem de stransa a ambelor substante folosind diamante, au reusit sa forteze fierul topit prin silicat.

„Presiunea modifica de fapt proprietatile modului in care fierul interactioneaza cu silicatul”, spune Mao. „La presiuni mai mari se formeaza o„ retea de topire ”.”

Acest lucru sugereaza ca fierul a fost presat treptat prin stancile Pamantului de-a lungul a milioane de ani, pana a ajuns la miez.

In acest moment s-ar putea sa va intrebati cum stim dimensiunea nucleului. Ce ii face pe oamenii de stiinta sa creada ca incepe cu 3000 km in jos? Exista un raspuns dintr-un singur cuvant: seismologie.

Toate statiile seismice punctate pe tot Pamantul au inregistrat sosirea tremuraturilor

Cand are loc un cutremur, acesta trimite unde de soc pe toata planeta. Seismologii inregistreaza aceste vibratii. Este ca si cum am fi lovit o parte a planetei cu un ciocan gigantic si am asculta de cealalta parte zgomotul.

„A existat un cutremur chilian in anii 1960 care a generat o cantitate imensa de date”, spune Redfern. „Toate statiile seismice punctate pe tot Pamantul au inregistrat sosirea tremuraturilor din acel cutremur”.

In functie de ruta pe care o iau aceste vibratii, acestea trec prin diferiti biti ai Pamantului si acest lucru afecteaza modul in care „suna” la celalalt capat.

La inceputul istoriei seismologiei, s-a realizat ca unele vibratii lipseau. Se astepta ca aceste „valuri S” sa apara pe o parte a Pamantului dupa ce provin de pe cealalta, dar nu a existat niciun semn al acestora.

S-a dovedit ca rocile au devenit lichide la aproximativ 3000 km in jos

Motivul pentru aceasta a fost simplu. Undele S pot reverbera numai prin material solid si nu le pot face prin lichid.

Probabil ca s-au lovit de ceva topit in centrul Pamantului. Prin cartografierea cailor undelor S, sa dovedit ca rocile au devenit lichide la aproximativ 3000 km in jos.

Asta a sugerat ca intregul nucleu a fost topit. Dar seismologia avea o alta surpriza in magazin.

In anii 1930, un seismolog danez pe nume Inge Lehmann a observat ca un alt tip de unde, numite unde P, calatoreau in mod neasteptat prin miez si puteau fi detectate de cealalta parte a planetei.

Undele P calatoreau cu adevarat prin nucleu

Ea a venit cu o explicatie surprinzatoare: nucleul este impartit in doua straturi. Nucleul „interior”, care incepe in jur de 5.000 km in jos, era de fapt solid. A fost topit doar miezul „exterior” de deasupra lui.

Ideea lui Lehmann a fost confirmata in cele din urma in 1970, cand seismografele mai sensibile au descoperit ca undele P calatoreau cu adevarat prin nucleu si, in unele cazuri, erau deviate de unghiuri. Destul de sigur, au ajuns in continuare pe cealalta parte a planetei.

Nu doar cutremurele au trimis valuri de soc utile pe Pamant. De fapt, seismologia se datoreaza mult succesului dezvoltarii armelor nucleare.

O detonatie nucleara creeaza, de asemenea, valuri in sol, astfel incat natiunile folosesc seismologia pentru a asculta testele armelor. In timpul Razboiului Rece, acest lucru a fost considerat extrem de important, astfel incat seismologii ca Lehmann au primit multe incurajari.

Acest lucru se dovedeste a fi destul de dificil de determinat

Tarile concurente au aflat reciproc despre capacitatile nucleare si pe parcurs am aflat din ce in ce mai multe despre nucleul Pamantului. Seismologia este folosita si astazi pentru a detecta detonatiile nucleare.

Acum putem desena o imagine aproximativa a structurii Pamantului. Exista un miez exterior topit, care incepe aproximativ la jumatatea drumului spre centrul planetei, iar in interiorul acestuia se afla miezul interior solid cu un diametru de 1.220 km.

Dar mai sunt multe de incercat si de tachinat, mai ales despre nucleul interior. Pentru inceput, cat de fierbinte este?

Acest lucru se dovedeste a fi destul de dificil de determinat si a nedumerit oamenii de stiinta pana nu demult, spune Lidunka Vocadlo de la University College London din Marea Britanie. Nu putem pune un termometru acolo, asa ca singura solutie este sa cream presiunea corecta de zdrobire in laborator.

Nucleul Pamantului a ramas cald datorita caldurii retinute de la formarea planetei

In 2013, o echipa de cercetatori francezi a produs cea mai buna estimare pana in prezent. Acestia au supus fierul pur la presiuni putin peste jumatate fata de miez si au extrapolat de acolo. Au ajuns la concluzia ca punctul de topire al fierului pur la temperaturile centrale este de aproximativ 6.230 ° C. Prezenta altor materiale ar reduce punctul de topire al miezului un pic, pana la aproximativ 6.000 ° C. Dar asta este inca la fel de fierbinte ca suprafata Soarelui.

Un pic ca un cartof prajit, miezul Pamantului a ramas cald datorita caldurii retinute de la formarea planetei. De asemenea, primeste caldura din frecare, pe masura ce materialele mai dense se deplaseaza, precum si din degradarea elementelor radioactive. Totusi, se raceste cu aproximativ 100 ° C la fiecare miliard de ani.

Cunoasterea temperaturii este utila, deoarece afecteaza viteza cu care vibratiile se deplaseaza prin miez. Acest lucru este la indemana, deoarece exista ceva ciudat in vibratii.

Undele P calatoresc in mod neasteptat incet in timp ce trec prin miezul interior – mai lent decat ar face daca ar fi facut din fier pur.

Este o problema cu Cenusareasa: niciun pantof nu se va potrivi

„Viteza de unda pe care seismologii o masoara in cutremure si altele sunt semnificativ mai mici [decat] orice masuram intr-un experiment sau calculam pe computer”, spune Vocadlo. “Nimeni nu stie inca de ce este asta.”

Asta sugereaza ca exista un alt material in mix.

Ar putea fi un alt metal, numit nichel. Dar oamenii de stiinta au estimat modul in care undele seismice ar calatori printr-un aliaj de fier-nichel si nici nu se potriveste prea bine cu citirile.

Vocadlo si colegii ei se gandesc acum daca ar putea exista si alte elemente acolo, cum ar fi sulful si siliciul. Pana acum, nimeni nu a reusit sa vina cu o teorie pentru compozitia nucleului interior care sa satisfaca pe toata lumea. Este o problema cu Cenusareasa: niciun pantof nu se va potrivi.

Asta ar putea explica de ce undele seismice trec mai incet decat se astepta

Vocadlo incearca sa simuleze materialele nucleului interior pe un computer. Ea spera sa gaseasca o combinatie de materiale, temperaturi si presiuni care sa incetineasca undele seismice cu cantitatea potrivita.

Ea spune ca secretul ar putea sta in faptul ca nucleul interior este aproape la punctul sau de topire. Ca urmare, proprietatile precise ale materialelor ar putea fi diferite de ceea ce ar fi daca ar fi solide in siguranta.

Asta ar putea explica de ce undele seismice trec mai incet decat se astepta.

“Daca acesta este efectul real, am fi capabili sa reconciliati rezultatele fizicii minerale cu rezultatele seismologice”, spune Vocadlo. „Oamenii nu au reusit inca sa faca asta”.

Exista o multime de enigme despre nucleul pamantului inca de rezolvat. Dar fara sa sapa vreodata in adancurile imposibile, oamenii de stiinta au aflat multe despre ceea ce se intampla la mii de kilometri sub noi.

Campul magnetic ne ajuta sa ne protejam de radiatiile solare daunatoare

Aceste procese ascunse in adancurile Pamantului sunt cruciale pentru viata noastra de zi cu zi, intr-un mod in care multi dintre noi nu ne dam seama.

Pamantul are un camp magnetic puternic si asta datorita miezului partial topit. Miscarea constanta a fierului topit creeaza un curent electric in interiorul planetei si, la randul sau, genereaza un camp magnetic care ajunge departe in spatiu.

Campul magnetic ne ajuta sa ne protejam de radiatiile solare daunatoare. Daca miezul Pamantului nu ar fi asa cum ar fi, nu ar exista camp magnetic si am avea tot felul de probleme cu care sa ne confruntam.

Niciunul dintre noi nu va pune vreodata ochii pe miez, dar este bine sa stim ca este acolo.