Podróż do Centrum Ziemi, do Miejsca Dalszego niż Wszechświat

Kredyty obrazkowe: Uniwersytet Tohoku

„Temperatura powierzchni Słońca wynosi około 5778 kelwinów”

Zapomnij o spekulacjach Edge of the Universe. Czy zastanawiałeś się kiedyś, co leży w centrum planety, którą spędziłeś całe życie? Jeśli jesteś kimś takim jak Scott Kelly, który myśli: „No cóż, technicznie nie spędziłem tu całego czasu”, oto krótkie pytanie: co jest trudniejsze? Wybierasz się w kosmos czy docierasz do centrum Ziemi? Ile faktycznie wiemy o miejscu, które nazywamy domem, jedynym znanym obserwatorium naszego wszechświata?

Plakat filmowy: Podróż do centrum ziemi

Wiedza i mity o centrum Ziemi od niepamiętnych czasów były przedmiotem dyskusji w fikcji, nauce i nie tylko. Wróćmy do 1692 AD. To było zaledwie 10 lat po tym, jak tajemnicza niezidentyfikowana kometa przemknęła przez nocne niebo. Astronom Edmond Halley nie zidentyfikował jeszcze wzorów związanych z tą kometą. Znacznie wcześniej zaproponował, że „Ziemia jest pusta!” Przez lata było wielu, którzy wierzyli w pustą ziemię, podobną do płaskich Ziemnych. Taką koncepcję badano w science fiction, jak powieść z 1864 roku napisana przez Juliusza Verne'a, której tytuł prawdopodobnie słyszałeś. (Czy nie kliknąłeś tego z tego powodu?) Co zaskakujące, istnieje nawet strona internetowa poświęcona temu roszczeniu, https://www.ourhollowearth.com/

Dziś wiemy na pewno, że Ziemia nie jest pusta. Jest coś w środku, miejsce, do którego jeszcze nikt nie dotarł. Zróbmy głębokie kopanie, aby dowiedzieć się, co to jest.

Technicznie rzecz biorąc, nie zrobimy tego, co zrobił Elon Musk, ale zagłębimy się w informacje, które do tej pory mieliśmy. Pozwól, że dam ci zamiast tego „interesującą firmę”, jeśli czytasz to w korku lub czekasz na coś lub kogoś.

W głębiny

Lokalizacja Challenger Deep

Rozpocznijmy naszą podróż w najgłębszym miejscu na ziemi, wykopie Mariana na Oceanie Spokojnym. Zadziwiające jest to, że nawet w tym wykopie ludzkość osiągnęła najgłębszy punkt, zwany „Pretendent Deep”, który leży na głębokości około 10900 metrów pod powierzchnią. Przy ciśnieniu około 1100 razy większym niż na poziomie morza, w ciemnym miejscu, do którego nawet światło słoneczne nie dociera, naukowcy niespodziewanie zidentyfikowali życie na samym dnie oceanów.

Ale będę musiał przeformułować moje wcześniejsze zdanie. „Challenger Deep” nie jest najgłębszym punktem na Ziemi, jak wielu mogło w to uwierzyć.

To prowadzi nas do dziury wierconej przez ludzi w Rosji, która sięga jeszcze głębiej. Nigdy nie słyszałem o tym? To się nazywa „Kola Super Deep Borehole”. Ludzie dosłownie wykopali go na przestrzeni 19 lat aż do głębokości 12262 metrów, co czyni go najgłębszym punktem na Ziemi do tej pory. Nie mogli kopać dalej po prostu dlatego, że warunki były po prostu zbyt trudne, a temperatura na dole osiągała około 180 stopni Celsjusza! To super gorące. Jedno jest pewne, gdy schodzimy głębiej, temperatura rośnie.

Na zdjęciu po lewej stronie widać małe zapieczętowane koło. Uwierzyłbyś mi, gdybym powiedział, że otwiera się w 12-kilometrowej dziurze w głąb Ziemi? To, na co patrzysz, to tak naprawdę głęboki odwiert Kola, który został uszczelniony w sierpniu 2012 roku. Jeśli zastanawiasz się, jak głęboko to jest, to tylko około 0,192% odległości do centrum! To maksimum, które ten, kto podbił Księżyc, mógł osiągnąć tutaj na Ziemi. Wszystko poniżej tego poziomu można wyjaśnić jedynie za pomocą różnych teorii i hipotez opartych na dostępnych nam danych naukowych.

Dotarcie do oceanu podziemnego

Gdybyśmy kontynuowali kopanie, technicznie skończylibyśmy w ogromnym podziemnym oceanie, który ma wodę do 3 razy więcej niż wszystkie wody wszystkich oceanów na powierzchni łącznie! Zaufaj mi, nie pochodzi z żadnej powieści science fiction.

Skąd to wiemy? Zanim ujawnię odpowiedź, pytanie. Jak myślisz, skąd się wzięła cała woda na naszej planecie?

Badania przeprowadzone przez Northwestern University i University of Mexico wykazują mocne dowody na to, że podziemne źródło wody ma głębokość 660 km. Ta piękna grafika informacyjna Cath Levett ilustruje to samo.

Istnienie Ringwoodite jest kluczem do tej układanki. Materiał ten tworzy się tylko pod wysokim ciśnieniem i trudnymi warunkami głęboko pod powierzchnią i zgadnij co, ma w nim wodę, jak jony hydroksylowe!

Jesteśmy na 660 km poniżej poziomu morza i wciąż mamy do pokonania 5711 km. W szkole dowiedzieliśmy się, że Ziemia ma skorupę, płaszcz i rdzeń; ale to nie wszystko. Jeśli jeszcze tego nie zauważyłeś, jesteśmy już głęboko w płaszczu, przekraczając nieciągłość Mohorovičić. (Skrócone jako Moho (przynajmniej teraz mogę przeliterować to słowo), oznacza przejście od skorupy do płaszcza i istnieje na głębokości około 7–35 km)

Płaszcz: Miejsce, które stanowi 84% objętości Ziemi

Płaszcz jest podzielony na 4 odrębne warstwy;

  1. Płaszcz górny obejmujący litosferę i astenosferę
  2. Strefa przejściowa (znak 660 km, na którym spodziewane są podziemne rezerwy wody)
  3. Dolna osłona (do 2891 km głębokości)
  4. Tajemnicza granica rdzenia-płaszcza

Pod koniec dolnego płaszcza natrafiamy na coś niepokojącego. Zanim przejdziemy do przodu, kilka rzeczy do opowiedzenia:

Być może słyszałeś o Xenomorfie, ale czy kiedykolwiek spotkałeś Xenolith? Mówiąc prościej, jest to inny rodzaj skały w obrębie innej skały. Te specjalne skały dają nam wgląd w strukturę płaszcza. Częściej dostępne ksenolity znalezione w skałach pochodzą z głębi Ziemi i wyszły na powierzchnię. Analizując ich skład, możemy zrozumieć warunki, które istnieją głęboko poniżej.

Niektóre analizy sejsmiczne

Na dole dolnego płaszcza dochodzimy do granicy rdzenia-płaszcza (na 2981 km). To, co czyni go wyjątkowym, polega na tym, że działa on jako granica między płaszczem stałym a ciekłym rdzeniem zewnętrznym. Powtarzam, zewnętrzny rdzeń jest płynny!

Zanurzając się w ciekłym metalowym rdzeniu zewnętrznym, z odległości około 2100 km, dochodzimy do punktu zwanego nieciągłością Gutenberga. Czas włączyć tryb naukowca! Aby zrozumieć znaczenie tego, musimy najpierw wiedzieć o falach sejsmicznych, a konkretnie falach ciała.

Fale sejsmiczne są po prostu falami „energii” i można je ogólnie podzielić na fale powierzchniowe (te, które podróżują po powierzchni Ziemi) i fale ciała (te, które przemieszczają się po powierzchni Ziemi).

Fale ciała są dalej klasyfikowane do fal pierwotnych (lub fal P) i fal wtórnych (lub fal S). Sejsmometr jest specjalnym czułym przyrządem, który może wykrywać i rejestrować te fale sejsmiczne. Za pomocą tych instrumentów można przeanalizować kilka rzeczy. Fale są generowane z powodu wibracji, szarpnięć lub pewnych zakłóceń na powierzchni Ziemi. Wiemy teraz, że fale P mają charakter podłużny, co oznacza, że ​​propagacja fali odbywa się w tym samym kierunku, co przemieszczenie (lub wibracja) ośrodka, przez który podróżuje. Stwierdzono, że fale S mają charakter poprzeczny, co oznacza, że ​​propagacja fali jest prostopadła do kierunku przemieszczenia ośrodka. Fale poprzeczne mogą zatem rozprzestrzeniać się tylko przez sztywny ośrodek, który może powstrzymać przemieszczenia prostopadłe.

Fale podłużneFale poprzeczne (Zdjęcie dzięki uprzejmości: acs.psu.edu)

Wniosek z całej tej analizy? Fale poprzeczne (inaczej fale S) nie mogą przemieszczać się przez ciecze. Ale czekaj, czy właśnie wspomniałem, że nasz zewnętrzny rdzeń ma charakter płynny? Naukowcy natychmiast zrozumieli ten argument i po prostu analizując fale sejsmiczne, odkryli znaczenie nieciągłości Gutenberga. Zasadniczo wyznacza granicę, w której fale S całkowicie znikają (ponieważ nie mogą się za nią przemieszczać), wskazując na płynny stopiony charakter zewnętrznego rdzenia, a także pokazuje nam, że fale P zmniejszają prędkość. W ten sposób mogliśmy zmapować wewnętrzną strukturę Ziemi na tak wielkich głębokościach.

Osiągnięcie ostatecznej granicy: wewnętrzny rdzeń

Wchodząc dalej w zewnętrzny rdzeń, dochodzimy do miejsca zwanego nieciągłością Bullena, w którym ponownie spotykamy się z niezwykłym wyróżnieniem, jakim jest solidny wewnętrzny rdzeń. Tak! w samym centrum Ziemi leży solidny metaliczny rdzeń wewnętrzny o średnicy około 1220 km. Na tej głębokości ciśnienie jest tak duże, że żelazo i nikiel obecne w rdzeniu mogą istnieć w stanie stałym pomimo wysokiej temperatury. Przy okazji, jak wysoka jest temperatura?

To - czekaj na to - aż 5700 Kelwinów! Pierwsza linijka tego artykułu, którą mogłeś uważać za losową, zaczyna mieć sens (przewiń w górę i sprawdź, czy ją przegapiłeś!). Głęboko pod twoimi stopami leży gorąca, metaliczna kula rywalizująca ze Słońcem! Jakie to przerażające! Te obserwacje pomagają nam również zrozumieć proces powstawania planet.

Ale czekaj, nasza podróż jeszcze się nie skończyła. Mamy teraz dobre pojęcie o wszystkim, co istnieje aż do centrum ziemi, ale coś jest nie tak. Żadna dyskusja na temat rdzenia nie jest kompletna bez wzmianki o polu magnetycznym Ziemi. Zanim to zrobimy, oto kilka pytań do przemyślenia.

Kwestionowanie tego, co może wydawać się bardzo trywialną obserwacją, może czasem prowadzić do rewolucyjnych odkryć.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego Ziemia obraca się wokół własnej osi? Dlaczego planety się obracają? Bardziej interesujące byłoby pytanie, dlaczego wszystkie planety obracają się z zachodu na wschód w stosunku do swojej osi, a Wenus i Uran obracają się ze wschodu na zachód?

Mówiąc o rotacji, czy wspomniałem, że nasz wewnętrzny rdzeń również faktycznie obraca się w kierunku wschód-zachód, który również jest szybszy niż obrót Ziemi? Ponadto zewnętrzny płynny rdzeń obraca się w przeciwnym kierunku (z zachodu na wschód). Poświęć chwilę, aby wyobrazić sobie te rotacje i stopień złożoności całego systemu. Obroty te przypisuje się polu magnetycznemu Ziemi.

Skąd pochodzi to pole magnetyczne? Nasza najlepsza teoria pochodzi z rdzenia, ale tutaj jest nieporozumienie. Ekstremalne nagrzewanie materiału może mieć na niego interesujący wpływ. Czas wprowadzić coś zwanego Punktem Curie, który jest zasadniczo maksymalną temperaturą, do której pewien materiał może zachować swoje stałe właściwości magnetyczne. Powyżej punktu Curie materiał straciłby cały swój magnetyzm. Żelazny punkt Curie wynosi około 1043 kelwinów. Czy temperatura w rdzeniu nie jest znacznie wyższa?

Najwyraźniej stały wewnętrzny żelazny rdzeń nie jest przyczyną pola magnetycznego. Pochodzenie pola magnetycznego wyjaśniono za pomocą bardziej skomplikowanej teorii dynamo. Dosłownie dzieje się konwekcja, po której następuje prawo Ampere'a działające w zewnętrznym płynnym rdzeniu. Jeśli zapomniałeś fizyki w szkole średniej, oto krótkie podsumowanie: pętla prądowa może generować pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne może generować prąd elektryczny w zamian. Pola te wywierają siłę Lorentza na naładowane cząstki. Zakończmy ten techniczny jibber-jabber i przejdę od razu do rzeczy.

Komputerowa symulacja ziemskiego pola magnetycznego (wystarczy spojrzeć na jego skomplikowanie)

Jeśli myślisz, że wszystko dobrze zrozumieliśmy, to całkowicie się mylisz. Właśnie podrapałem powierzchnię wierzchołka góry lodowej. Dosłownie wiemy tylko udawanie, że tak! Po prostu bombarduję cię intrygującymi pytaniami. Czy wiesz, że nasze pole magnetyczne zmienia kierunek co kilkaset tysięcy lat? Mars nie ma nawet pola magnetycznego (o ile wiemy). Co ty na to? Czy wiesz o fazie T Tauri Słońca, która mogła mieć duży wpływ na generowanie pola magnetycznego Ziemi? Jest zbyt wiele do omówienia, a jeśli będę kontynuować, ten artykuł dosłownie stanie się podręcznikiem!

Kilka akapitów wcześniej, kiedy wspomniałem, że nasza podróż jeszcze się nie skończyła, miałem na myśli coś innego, coś dziwniejszego.

Wprowadźmy wewnętrzny wewnętrzny rdzeń:

Stosunkowo niedawne badania pokazują, że sam rdzeń wewnętrzny ma kolejną warstwę zwaną wewnętrznym rdzeniem wewnętrznym! Wygląda na to, że naukowcy mają już dość nazywania wszystkich tych warstw.

PODSTAWOWE POJĘCIE: Żelazo w najbardziej wewnętrznej części wewnętrznego rdzenia Ziemi (czerwony) jest zorientowane pod zupełnie innym kątem (niebieskie linie) w porównaniu z resztą wewnętrznego rdzenia (pomarańczowy). Nowe badania sugerują, że najgłębsze jądro wewnętrzne powstało miliardy lat wcześniej niż wcześniej sądzono, krótko po uformowaniu się planety. (FOTOGRAFIA: USŁUGI PUBLIKACJI LACHINA)

Zaskakującym faktem w tym regionie jest to, że kryształy żelaza są tutaj w osi wschód-zachód, w przeciwieństwie do innych części, w których są zorientowane w osi północ-południe i po prostu nie wiemy dlaczego.

Być może w końcu możemy dojść do wniosku, że praktycznie dotarliśmy do prawdziwego centrum Ziemi.

Jedno możemy być pewni, że w samym centrum znajduje się najstarszy punkt naszej planety, miejsce symbolizujące serce żywej planety. Może nigdy tego nie osiągniemy. Może nawet lepiej, jeśli nie spróbujemy. Badanie czegoś bez jasnego zrozumienia konsekwencji jest ryzykowne. Ale czy przerwiemy pościg, zanim będzie za późno?

Może. Może nie.

Oto kilka linków do dalszej eksploracji;

  1. Teoria dynama: Początki pola magnetycznego planety
  2. Dlaczego Wenus i Uran wirują w złym kierunku?
  3. Gdzie jest pole magnetyczne Marsa?
  4. Co to jest gwiazda T-Tauri?
  5. Ciekawy artykuł na temat odwrócenia geomagnetycznego

Ciekawostki kryjące się za tytułem artykułu: dla tych, którzy jeszcze tego nie zauważyli, tytuł wywodzi się z połączenia słynnej powieści Julesa Verne'a (Podróż do centrum ziemi) i mniej znanej japońskiej serii autorstwa nazwa „Miejsce poza wszechświatem”, która nawiązuje do historii grupy młodych ludzi, którzy udają się na wyprawę na Antarktydę. Można się zastanawiać, jak tytuł może wprowadzać w błąd, ale z mojego punktu widzenia oznacza to, że być może kiedyś będziemy badać gwiazdy i jeszcze dalej, ale jak na ironię nigdy nie dotrzemy do centrum Ziemi. To jest rzeczywiście miejsce bardziej niż sam wszechświat. Jeśli to osiągniemy, prawdopodobnie będzie to koniec ludzkości.