Wnętrze Ziemi

Współcześnie spośród komponentów naszej planety bardziej znana człowiekowi jest atmosfera, czy hydrosfera niż część Ziemi na której on żyje, czyli litosfera. Jest to najbardziej sztywna powłoka kuli ziemskiej sięgająca głębokości około 80- 150 km. Nazwa skorupa ziemska pochodzi jeszcze z okresu, kiedy wyobrażano sobie, że Ziemia jest płynną ognistą masą, na której znajduje się jej cienka, stała powłoka. Jedynie skorupa ziemska miała być zbudowana ze skał, dlatego właśnie zastosowano nazwę litosfera. Pogląd ten oparty był na tym iż domyślano się, że temperatura we wnętrzu Ziemi wzrasta wraz z głębokością. Obserwowano także gorącą lawę wyrzucaną z wulkanów.  Dokładne zbadanie wnętrza Ziemi nie jest możliwe ze względu na bardzo wysoką temperaturę tam panującą, oraz ogromne ciśnienie. Badania geologiczne można przeprowadzić najwyżej do głębokości kilku kilometrów. Promień Ziemi wynosi zaś 6371 km. Najbardziej znana człowiekowi jest, więc przypowierzchniowa warstwa skorupy ziemskiej.

Temperatura wnętrza Ziemi

Ziemia posiada własne ciepło, którego źródłem jest jej jądro. Ciepło to dociera do powierzchni Ziemi, a jego część zostaje wypromieniowana w przestrzeń kosmiczną. Wody termalne, a także wybuchy wulkanów przyczyniają się do utraty ciepła własnego naszej planety. Temperatura wnętrza Ziemi podwyższa się na skutek rozpadu substancji promieniotwórczych. Przypuszczalnie najwięcej tego rodzaju związków skupionych jest w granitowej części skorupy ziemskiej. Prawdopodobnie nasza planeta więcej ciepła traci, niż otrzymuje, dlatego sądzi się, że Ziemia powoli ochładza się w sposób ciągły. Wraz z głębokością temperatura skał stale wzrasta. Wyższą temperaturę wraz z głębokością można odczuć w kopalniach, szybach, czy otworach wiertniczych. Szybkość wzrostu temperatury w stosunku do głębokości określa się, jako stopień geotermiczny. Stopień geotermiczny odpowiada liczbie metrów, o którą należy się przesunąć w głąb Ziemi aby temperatura wzrosła o 1°C. Wartość tej jednostki nie jest stała w każdym miejscu  na Ziemi. Uzależniona jest ona głównie od budowy i historii geologicznej danego fragmentu skorupy ziemskiej. Przykładowo. na Wyspach Bahama wynosi on 190 m/°C, natomiast W Budapeszcie 15 m/°C. Średnia wartość stopnia  geotermicznego dla Europy Środkowej wynosi 33 m/°C, natomiast dla Polski 47,2m/°C. W skorupie ziemskiej występują zarówno części chłodniejsze, jak i cieplejsze, związane z aktywnością wulkaniczną danego obszaru. Inną wartością, za pomocą której można określić wzrost temperatury wraz z głębokością jest gradient geotermiczny. Wskazuje on o ile wzrosła temperatura na 1 metr głębokości. Temperatura wnętrza Ziemi wzrasta zgodnie ze stopniem geotermicznym tylko do pewniej głębokości. Gdyby temperatura wzrastała cały czas zgodnie ze stopniem geotermicznym notowanym przy powierzchni Ziemi, wówczas w jej wnętrzu osiągałaby wartości rzędu 200.000°C. Jest to niemożliwe, ponieważ nasza planeta przy takiej temperaturze wnętrza przekształciła by się w utwór gazowy. Prawdopodobnie temperatura wzrasta wraz ze stopniem geotermicznym tylko d głębokości 100 m pod powierzchnią Ziemi. Przyjmuje się, że w jądrze Ziemi temperatura sięga rzędu 5000-6000°C. Przypuszcza się że ciepło wnętrza naszej planety jest pozostałością okresu, kiedy była ona ciałem płynnym. Nie wiadomo jednak, czy Ziemia w przeszłości była całkowicie, czy też częściowo upłynniona. Wnętrze Ziemi prawdopodobnie ogrzało się nieznacznie w historii geologicznej. Powierzchnia Ziemi w przeszłości była silnie nagrzana, lecz utraciła swoje ciepło. Ciepło dostarczane z wnętrza Ziemi na jej powierzchnię nosi nazwę strumienia cieplnego.

Skład chemiczny wnętrza Ziemi

Wnętrze naszej planety różni się składem chemicznym w zależności od głębokości i rodzaju skał. Najlepiej poznany jest skład chemiczny warstwy przypowierzchniowej, ze względu na możliwość wydobycia i zbadania skał. Wraz ze wzrostem głębokości znajomość składu chemicznego poszczególnych skał maleje. Budowę jądra Ziemi określono na postawie meteorytów, które były jądrami dawnych planet podobnych budową do Ziemi. Jest prawdopodobne, że nasza planeta ma wiele wspólnych cech z innymi planetami, których pozostałością są właśnie meteoryty. W składzie chemicznym skorupy ziemskiej dominuje  tlen, który stanowi 47 % wszystkich pierwiastków. Jest go tam więcej niż w powietrzu. Nie występuje on jednak w wolnej postaci, a tylko wchodzi w skład różnorodnych związków chemicznych. Krzem stanowi 29,5 % pierwiastków. W większej ilości występują także glin (8,2 %) i żelazo (4,7 %).  Inny jest stosunek pierwiastków chemicznych w budowie Ziemi, jako całości, gdzie 44 % stanowi żelazo, 24,3 % tlen, natomiast krzem -12 %.

Niekiedy na skutek różnych procesów geologicznych dochodzi do koncentracji niektórych pierwiastków (np. żelaza, miedzi, czy złota), co prowadzi do powstania złóż surowców mineralnych.

Magnetyzm ziemski

Ziemia działa jak wielki magnes, którego bieguny znajdują się w pobliżu biegunów geograficznych. Północny biegun magnetyczny (ujemny) znajduje się na Wyspie Księcia Walii u północnych wybrzeży Kanady. Południowy zaś występuje w Kraju Adeli na Antarktydzie. Oś magnesu nie pokrywa się z osią obrotu Ziemi, lecz jest od niej odchylona o kilkanaście stopni i zmienia położenie w czasie. Igła magnetyczna kompasu nie wskazuje, więc kierunków geograficznych a magnetyczne. Różnica pomiędzy kątem zawartym pomiędzy południkiem geograficznym, a magnetycznym nazywa się deklinacją magnetyczną. Wartość deklinacji na obszarze Polski jest równa 0°, lecz na wyspach Arktyki wynosi ona 90°. Kąt nachylenia igły magnetycznej do poziomu to inklinacja magnetyczna.

Pochodzenie ziemskiego pola magnetycznego próbowano wyjaśnić na wiele sposobów. Obecnie najbardziej rozpowszechniony jest pogląd, sformułowany w 1919 roku przez irlandzkiego fizyka Josepha Larmora (był on także twórcą koncepcji ruchu precesyjnego Ziemi omawianego w innym rozdziale). Uznał on że Ziemię można porównać do wielkiego dynama. Larmour zakładał, że pierwotnie kula ziemska nie posiadała pola magnetycznego. Znajdowała się on jednak w zasięgu oddziaływania magnetycznego Drogi Mlecznej (galaktyki, w której się znajduje). Ruchy w płynnym jądrze Ziemi wytwarzały wskutek tego oddziaływania pole magnetyczne, które stopniowo zwiększało swe natężenie. Pole magnetyczne uzależnione jest od skał budujących skorupę ziemską. Jego odchylenie od wartości średnich nazywamy anomaliami magnetycznymi. Pole magnetyczne powoduje istnienie przestrzeni, na powierzchni naszej planety, na której działają siły przyciągania ziemskiego. Przestrzeń tą nazwano magnetosfera. Obejmuje ona swoim zasięgiem całą materię poruszającą się wraz z Ziemią. W zasięgu magnetosfery jest cała atmosfera ziemska i obejmuje tzw. pasy Van Allena. Są to obszary w formie pasów, gdzie występują cząsteczki zawierające ładunek elektryczny. Wewnętrzny pas równikowy jest położony w odległości 3.600 km od powierzchni Ziemi. Pas zewnętrzny rozciąga się pomiędzy 65° szerokości geograficznej północnej, a 65° szerokości geograficznej południowej na wysokości 25.000-50.000 km. Pasy te chronią Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym o dużej energii. W skorupie ziemskiej występują także minerały o właściwościach magnetycznych (np. magnetyt, czy hematyt). Dzięki oddziaływaniu pola magnetycznego w skorupie ziemskiej wytwarzają się prądy elektryczne. Przepływ tych prądów zależy od budowy geologicznej.

Wnętrze Ziemi

Jak wcześniej wspomniano, bezpośrednie dane o budowie naszej planety pochodzą jedynie z jej przypowierzchniowej warstwy. Najgłębsze wiercenia na Półwyspie Kolskim prowadzono na głębokości dochodzącej zaledwie do 12 km. Jest to niewielki ułamek długości promienia ziemskiego. O budowie głębszych partii Ziemi wnioskujemy na podstawie badań geofizycznych. Do tego celu wykorzystuje się fale sejsmiczne i bada się ich zachowanie podczas przechodzenia przez różne powierzchnie wewnątrz naszej planety. Drgania sejsmiczne powstają stosunkowo blisko powierzchni Ziemi, lecz rozchodzą się na wszystkie strony i przenikając w głąb przechodzą przez wnętrze naszej planety. Fale sejsmiczne rejestrowane są za pomocą specjalnych przyrządów, zbudowanych na zasadzie wahadła. Urządzenia te rejestrują charakter drgań. Fale sejsmiczne powstają na skutek zaburzeń równowagi w ciele stałym, jakim jest skorupa ziemska. Cząstki cieczy, oraz gazów przewodzą tylko pewne rodzaje fal. Ta właściwość pozwoliła określić na jakiej odległości wnętrze Ziemi znajduje się w stanie ciekłym, bądź gazowym. Fale sejsmiczne przechodzą przez powierzchnię Ziemi na pewnych głębokościach w sposób skokowy: odbijają się, a następnie zmieniają swój kierunek i prędkość. Oznacza to że na pewnych warstwach występują obszary o innych właściwościach. Nazwano je powierzchniami nieciągłości. Pierwsza powierzchnia nieciągłości znajduje się na głębokości 50-60 km pod kontynentami. Została ona odkryta przez Andrija Mohorovičića i nazywa się od jego nazwiska: Powierzchnią Moho. W roku 1925 V. Conrad wykrył kolejną powierzchnię nieciągłości znajdującą się pomiędzy powierzchnią Ziemi zbudowaną ze skał granitowych, a powierzchnią zbudowaną z bazaltów. Nazwana ona została Powierzchnią Conrada. Kolejną warstwą o odmiennych właściwościach, niż warstwy sąsiednie jest powierzchnia nieciągłości Gutenberga, która występuje pomiędzy jądrem, a wewnętrznym płaszczem Ziemi.

Na podstawie prędkości rozchodzenia się fal sejsmicznych kulę ziemską podzielono na strefy. Znając prędkość i czas przebiegu fal sejsmicznych obliczono głębokości na których znajdują się poszczególne warstwy. Pierwszą warstwę tworzy skalna powłoka zwana skorupą ziemską. Jej grubość waha się od kilku do kilkudziesięciu kilometrów. Skorupa ziemska kontynentów i obszarów znajdujących się pod oceanami nie jest taka sama. Różni się ona grubością, oraz rodzajem budujących ją skał. Skorupa ziemska składa się zasadniczo z trzech warstw: osadowej, granitowej i bazaltowej. Strefa granitowa jest znacznie grubsza pod kontynentami, niż pod dnem oceanów. Pod Oceanem Spokojnym nie występuje warstwa granitowa. Głównymi pierwiastkami wchodzącymi w skład skorupy znajdującej się pod kontynentami pomijając tlen są krzem (Si) i glin (Al). Dlatego właśnie warstwę tą nazywa się powszechnie jako sial (od skrótów głównych pierwiastków ją budujących). Poniżej występuje strefa, której głównym pierwiastkami są krzem i magnez, dlatego nazywa się ona sima. Znajduje się ona zarówno pod kontynentami, jak i pod oceanami. Różnice grubości skorupy ziemskiej wywołane są zjawiskiem zwanym izostazją, czyli stanem równowagi, który powstaje, kiedy skorupa ziemska zagłębia się w ciężkiej, gęstej, plastycznej masie.

Płaszcz Ziemi to warstwa położona pomiędzy nieciągłością Gutenberga a nieciągłością Mohorovićićia. Materia płaszcza jest mineralna, ma cechy ciała stałego sprężystego, o gęstościach od 6 g/cm3 w granicy dolnej do 3,5 g/cm3 w górnej. Wyróżnić można płaszcz górny (zewnętrzny), leżący na głębokości do 1000 km, oraz płaszcz dolny (wewnętrzny), zalegający do głębokości 2900 km. Górną część płaszcza budują skały zwane perydotytami, złożone z ciemnych minerałów (krzemianów żelaza i magnezu). W płaszczu górnym na głębokości poniżej 80—100 km występuje astenosfera. Jest to warstwa odznaczająca się dużą plastycznością przy długotrwałych naciskach, oraz sprężystością przy nagłych wstrząsach. Gwałtowne przemieszczanie się skał w tej warstwie powodują drgania skorupy ziemskiej zwane trzęsieniami ziemi. Płaszcz zewnętrzny nazywany jest czasem crofesima, natomiast płaszcz dolny nifesima- od budujących je pierwiastków. Magma zalegająca płytko ma temperaturę 600-950°C, natomiast materia płaszcza Ziemi odznacza się temperaturą powyżej 1300°C. Tendencja do wyrównywania się różnic temperatur wewnątrz Ziemi prowadzi do tworzenia się cieplnych prądów konwekcyjnych, które prawdopodobnie mogą wywołać także ruchy tektoniczne wyżej położonych warstw skalnych.

Poniżej, począwszy od głębokości 2900 km znajduje się jądro Ziemi, które ponieważ nie przepuszcza poprzecznych fal sejsmicznych nie może być w stanie stałym. Przypuszcza się, że jądro składa się ze stopionego żelaza, z domieszką niklu i innych metali, dlatego jądro nazywa się nife. Ciśnienie wewnątrz jądra jest bardzo wysokie i wynosi ponad 3,5 mln atmosfer.