TEMA BROJA

S.Đ.

Put u središte Zemlje / Saznanja i pretpostavke

Struktura naše planete

Naučno poimanje unutrašnje strukture Zemlje zasnovano je posmatranju topografije i na batimetriji (tehnologiji za proučavanje dubine vode), posmatranju stena na površini, uzoraka izbačenih iz većih dubina na površinu - aktivnošću vulkana, analizama seizmičkih talasa koji prolaze kroz Zemlju, merenju gravitacionih i magnetskih polja Zemlje, i na eksperimentima sa čvrstim telima kristala u uslovima pritiska i temperatura karakterističnih za dubine Zemljine unutrašnjosti.

 Masa

Sila Zemljine teže se može koristiti da se izračuna masa planete. Astronomi mogu da izračunaju Zemljinu masu posmatranjem satelita u njenoj orbiti. Proseč- na gustina Zemlje se može utvrditi gravitometrijskim eksperimentima, koji su u prošlosti bili obavljani klatnima. Zemljina masa je oko 6×1024 kg.

Struktura

Raspoređenost radijalne gustine prema preliminarnom referentnom modelu Zemlje (PREM) Zemljina gravitacija prema preliminarnom referentnom modelu Zemlje (PREM). Poređenje s aproksimacijama koje koriste konstantnu i linearnu gustinu Zemljine unutrašnjosti. Mapiranje unutrašnjosti Zemlje na osnovu talasa koje pokreću zemljotresi Shematski prikaz unutrašnjosti Zemlje. 1. kontinentalna kora 2. okeanska kora 3. Gornji omotač 4. Donji omotač 5. Spoljašnje jezgro 6. Unutrašnje jezgro A: Diskontinuitet po Mohorovičiću B: Diskontinuitet po Gutenbergu C: Diskontinuitet po Leman-Bulenu. Struktura Zemlje se može definisati na dva načina: na osnovu mehaničkih svojstava i na osnovu hemijskih svojstava.

Mehanički se može podeliti na litosferu, astenosferu, mezosferski omotač, spoljašnje jezgro i unutraš- nje jezgro. Geološke komponente Zemljinih slojeva nalaze se na sledećim dubinama ispod površine planete: Određivanje Zemljinih slojeva izvedeno je na posredan način, korišćenjem vremena koje je potrebno za putovanje prelomljenih i odbijenih seizmičkih talasa izazvanih zemljotresima. Jezgro ne dopušta talasima da pravolinijski prođu, a brzina kretanja (seizmička brzina) razlikuje se od jednog sloja do drugog. Promene u seizmičkoj brzini između različitih slojeva izaziva njihovo prelamanje, kao što se svetlost prelama kada prolazi kroz prizmu. Na sličan način odbijanje talasa biva izazvano velikim uvećanjem seizmičke brzine, što je slično odbijanju svetlosti koja udara o ogledalo.

Kora

Kora se proteže do dubine od 5 do 70 km i predstavlja krajnje spoljašnji sloj. Tanki delovi su okeanska kora koja se nalazi ispod basena okeana (5-10 km) i sastoje se od gustih netaknutih stena, poput bazalta, koje sadrže gvožđe, magnezijum i silicijum. Deblja kora je kontinentalna kora, koja ima manju gustinu i sastoji se od natrijuma, kalijuma, aluminija, silicijuma u stenama poputa granita. Stene kore spadaju u dve osnovne kategorije : sial (silicijum - aluminijum) i sima (silicijum - magnezijum). Procenjuje se da sima počinje nekih 11 km ispod Konradovog diskontinuiteta (diskontinuitet drugog reda). Krajnje spoljni plašt, zajedno sa korom, čini litosferu. Međa kora-plašt javlja se u dve fizički različite pojave.

Kao prvo, postoji diskontinuitet u seizmičkoj brzini, koji je poznat kao Mohorovičićev diskontinuitet, ili Moho. Smatra se da je Moho uzrokovala promena sastava stena od stena koje sadrže izomorfni feldspat (gore) u stene koje ne sadrže nikakav feldspat (dole). Dalje, u okeanskoj kori postoji hemijski diskontinuitet između ultra izotopnih naslaga i tektoniziranih slojeva koji su iz dubokih delova okeanske kore izbačeni u kontinentalnu koru i tu očuvani. Mnoge stene koje danas čine Zemljinu koru nastale su pre manje od 100 miliona godina. Međutim, najstarija poznata mineralna zrnca stara su 4,4 milijarde godina, što ukazuje na to da Zemlja toliko dugo ima čvrstu koru.

Omotač

Karta sveta na kojoj je vidljivo kako je raspoređen Moho. Zemljin omotač se proteže do dubine od 2.890 km i najdeblji je sloj Zemlje. Podeljen je na gornji i donji omotač. Razdvaja ih prelazna zona. Najniži deo, uz granicu jezgro-omotač, poznat je kao D’’ (D 2 prim) sloj.

Pritisak na dnu omotača je ≈140 GPa. Omotač se sastoji od silikatnih stena bogatih gvožđem i magnezijumom, u poređenju sa korom koja se nalazi iznad njega. Iako je u čvrstom stanju, visoke temperature unutar omota- ča čine da je silikatna materija u dovoljnoj meri plastič- na da može, tokom veoma dugih vremenskih perioda, da „teče”. To strujanje unutar omotača izraženo je na površini pokretima tektonskih ploča. Budući da postoji veoma izražen i sve veći pritisak, što se niže silazi u slojeve omotača - niži delovi su teže pokretni od gornjih delova. Viskoznost omotača kreće se između 10аа i 1024 Pa, u zavisnosti od dubine. Poređenja radi, viskoznost vode je od prilike 10−3 Pa, a katrana 107 Pa. Izvor toplote koji pomera tektonske ploče je praiskonska toplota sačuvana iz vremena nastanka planete, kao i ona koja se oslobađa radioaktivnim raspadom uranijuma, torijuma i kalijuma u Zemljinoj kori i omotaču.

Jezgro

Prosečna gustina Zemlje je 5.515  kg/m3. Pošto je prosečna gustina materije na površini svega oko 3.000  kg/m3, moramo da zaključimo da se materija veće gustine nalazi unutar Zemljinog jezgra. Seizmička merenja pokazuju da je jezgro podeljeno u dva dela: „čvrsto” unutrašnje jezgro prečnika ≈1.220  km i tečno spoljašnje jezgro koje se proteže do prečnika od ≈3.400 km. Gustina se kreće između 9.900-12.200 kg/ m3 u spoljašnjem i 12.600-13.000 kg/m3 u unutrašnjem jezgru. Unutrašnje jezgro je 1936. otkrila Inge Lehmann. Obično se smatra da se ono sastoji pre svega od gvožđa i ne- što nikla. Ono ne mora da bude u čvrstom stanju ali, budući da mo- že da odbija seizmičke talase, ono mora na izvestan način da se ponaša kao čvrsta materija.

Rezultati eksperimenata su svojevremeno kritički pobijali kristalne modele jezgra. Neka druga eksperimentalna istraživanja ukazuju na protivrečnost u uslovima visokog pritiska: istraživanja sa dijamantskim nakovnjem pri pritisku kakav postoji u jezgru zabeležila su tačke topljenja koje su oko 2.000  K ispod onih zabeleženih u istraživanjima zasnovanim na laserskim udarima. Istraživanja sa laserom dovela su do saznanja o plazmi, a rezultati tih istraživanja navode na zaključak da će uslovi u unutrašnjem jezgru zavisiti od toga da li je unutrašnje jezgro u čvrstom stanju ili je plazma koja ima gustinu čvrste materije.

Ovo je oblast veoma intenzivnog istraživanja. U ranim fazama nastajanja Zemlje, pre oko četiri i po milijarde godina (4,5×109), topljenje je moralo da navede supstance veće gustine da tonu ka središtu, u procesu poznatom kao planetarna diferencijacija, dok su se materije manje gustine pomerale ka kori. Stoga se veruje da se jezgro uglavnom sastoji od gvo- žđa (80%), uz nikal i još nekoliko lakših elemenata, dok su drugi elementi velike gustine, poput olova i uranijuma, ili suviše retki da bi bili značajni ili teže da se povežu s nekim lakšim elementima i tako se zadrže u kori. Neki naučnici su tvrdili da bi unutrašnje jezgro moglo da bude u obliku jednog jedinog gvozdenog kristala. U laboratorijskim uslovima je uzorak smese gvož- đa i nikla izložen pritiscima kakvi postoje u jezgru tako što je pritiskan između dva dijamantska šiljka, a potom zagrevan do oko 4.000 K. Uzorak posmatran pod rendgenom snažno je podržao teoriju po kojoj se Zemljino unutrašnje jezgro sastoji od džinovskih kristala koji se kreću od severa ka jugu. Tečno spoljašnje jezgro okružuje unutrašnje jezgro i veruje se da se sastoji od gvožđa pomešanog sa niklom i malih količina lakših elemenata. U poslednje vreme prisutno je razmišljanje o mogućnosti da je unutrašnje jezgro obogaćeno zlatom, platinom i drugim siderofilnim elementima.

Materija od koje je sačinjena Zemlja suštinski je povezana sa materijom izvesnih kamenih meteorita i sa materijom spoljašnjih delova Sunca. Postoje valjani razlozi za verovanje da je Zemlja, u velikoj meri, slič- na kamenim meteoritima. Počev od 1940. naučnici su zasnovali geofiziku na pretpostavci da je Zemlja nalik na uobičajene kamene (hondritne) meteorite koji su udarali o Zemlju, pri čemu su u previđali drugu, manje čestu vrstu, poznatu kao mineralni hondriti. Ključ- na razlika između te dve vrste meteorita je u tome da su mineralni hondriti nastali pod uslovima ekstremno ograničenih količina kiseonika, što je uticalo na to da oni elementi koji su u normalnim uslovima oksifilni postoje delimično ili u celini u onom delu koji čini smesa elemenata, a koja odgovara Zemljinom jezgru. Dinamo-teorija sugeriše da je čvrsto unutrašnje jezgro suviše vrelo da bi održalo trajno magnetno polje, ali verovatno deluje tako što stabilizuje magnetno polje koje generiše tečno spoljašnje jezgro. Prosečna snaga magnetnog polja u Zemljinom spoljašnjem jezgru se procenjuje na 25 gausa (2,5 mT), što je 50 puta jače od magnetnog polja na površini.Nedavno obavljena istraživanja navode na zaključak da unutrašnje jezgro možda rotira nešto brže od ostatka planete. Me- đutim, najnovije studije nalaze da je ta hipoteza neubedljiva. Postoji i moguć- nost da jezgro po prirodi oscilira i da predstavlja nesređen sistem. U avgustu 2005. godine jedna grupa geofizi- čara je u časopisu Science najavila da, prema njihovim procenama, Zemljino unutrašnje jezgro rotira za oko 0,3 do 0,5 stepeni godišnje brže u odnosu na rotaciju na površini. Trenutno naučno objašnjenje temperatura u unutrašnjosti Zemlje je da one predstavljaju kombinaciju praiskonske vreline koja je preostala iz vremena nastanka planete, raspada radioaktivnih elemenata i smrzavanja unutrašnjeg jezgra.

S.Đ.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"