Wnętrze Ziemi

We wnętrzu naszej planety znajdują się pierwiastki promieniotwórcze, między innymi uran i radioaktywny tor. W czasie ich rozpadu wytwarzana jest pewna liczba neutrin, które uciekają z wnętrza Ziemi i mogłyby zostać zarejestrowane przez eksperymenty znajdujące się na powierzchni. Pomiar owych neutrin dałby możliwość bezpośredniego wglądu w intensywność przemian promieniotwórczych wewnątrz naszej planety, a tym samym potwierdził lub odrzucił modele geofizyczne naszej planety. Eksperymenty, których celem jest zmierzenie owych geoneutrin, właśnie trwają.


Jak naukowcy budują model wnętrza Ziemi? Jest kilka metod. Pierwsza polega na badaniu skał znajdujących się na powierzchni oraz pod nią (najgłębsze odwierty sięgają kilkunastu kilometrów w głąb Ziemi). Ze składu chemicznego owych skał wyciąga się wnioski odnośnie składu chemicznego wnętrza naszej planety. Z drugiej strony sejsmolodzy potrafią badać gęstość warstw materii znajdującej się znacznie głębiej. Badają oni fale i drgania (naturalne bądź wzbudzane sztucznie), które rozchodzą się wewnątrz naszej planety. Prędkość i kierunek rozchodzenia się fal są zależne od gęstości ośrodka, w którym się rozchodzą. Niestety poznanie gęstości materii nie powie nam wiele o jej składzie chemicznym, szczególnie gdy skład ten jest skomplikowany. Trzecim sposobem badania składu chemicznego Ziemi jest badanie składu meteorytów znajdowanych na powierzchni naszej planety (w szczególności tzw. chondrytów CI). Zakłada się, że meteoryty te uformowały się w Układzie Słonecznym w czasie, w którym formowała się także Ziemia, a ich skład jest zbliżony do składu materii, która uformowała naszą planetę.

Model Ziemi

W modelach Ziemi tworzonych w oparciu o powyższe metody znajduje się wiele niewiadomych. Jedną z niewiadomych jest dokładny skład poszczególnych warstw planety. Drugą niewiadomą jest produkcja ciepła wewnątrz Ziemi. Okazuje się, że powierzchnia Ziemi emituje około 30-45 tysięcy miliardów watów mocy (odpowiada to mocy generowanej przez około 10 000 elektrowni jądrowych!). Skąd pochodzi ta energia? Okazuje się, że może ona mieć kilka źródeł:
- grawitacja - Ziemia kurczyła się w przeszłości i wciąż zmienia swoją objętość. W czasie kurczenia wyzwalana jest energia cieplna, zgromadzona wcześniej w postaci energii grawitacyjnej.
- oddziaływanie grawitacyjne z Księżycem i ze Słońcem powoduje powstawanie ruchów pływowych (podobnych do ruchów pływowych wody w oceanach) wewnątrz Ziemi. W czasie tych ruchów warstwy materii zaczynają o siebie trzeć i wydzielać energię.
- w historii Ziemi wielokrotnie dochodziło do upadków na nią potężnych meteorytów. Zderzenia takie dostarczały wnętrzu Ziemi energii, która przez następne miliardy lat jest z niej stopniowo uwalniana.
- najważniejszym źródłem energii wnętrza Ziemi są rozpady promieniotwórcze - beta oraz alfa. W Ziemi zgromadzona jest duża ilość uranu, toru oraz promieniotwórczego potasu. W oparciu o modele Ziemi szacuje się, że każdego z tych pierwiastków wewnątrz Ziemi jest około stu tysięcy miliardów ton!!! Przy czym większość owych pierwiastków powinna być zgromadzona w zewnętrznej skorupie ziemskiej oraz w górnych warstwach tzw. płaszcza (warstwy, która znajduje się bezpośrednio pod skorupą). Tak przynajmniej mówią najbardziej popularne modele.

Wypływ ciepła z wnętrza Ziemi

Czy powyżej zaprezentowane źródła wystarczą, aby wytłumaczyć emisję energii z powierzchni Ziemi? Otóż okazuje się, że w zależności od przyjętej ilości pierwiastków promieniotwórczych znajdujących się wewnątrz planety produkcja mocy przez rozpady promieniotwórcze wynosi 20-30 tysięcy miliardów watów. Widać więc, że ilość owych pierwiastków jest wystarczająca lub nieco za mała (w zależności od przyjętego modelu), aby wytłumaczyć w pełni emisję energii. Niestety oszacowanie ilości pierwiastków promieniotwórczych wewnątrz planety opiera się na modelach i dokonanych w nich założeniach. Bezpośredniego pomiaru ilości owych pierwiastków można dokonać przeprowadzając pomiar ilości neutrin produkowanych w czasie rozpadów beta. Tzw. neutrina ziemskie lub inaczej geoneutrina mogą dostarczyć istotnej informacji o wnętrzu naszej planety i jego składzie oraz procesach w nim zachodzących. Szczególnie ciekawym pomiarem byłoby zmierzenie ilości neutrin pochodzących z obszaru skorupy oraz z obszarów głębszych. Można tego dokonać umieszczając kilka eksperymentów w różnych obszarach Ziemi. Mierzona ilość neutrin pochodzących z płaszcza planety byłaby w każdym eksperymencie podobna, za to ilość neutrin pochodząca ze skorupy byłaby znacząco różna. Różnica ta zostałaby spowodowana różną grubością skorupy w różnych obszarach kuli ziemskiej. Innym ciekawym pomiarem byłoby zmierzenie stosunków poszczególnych pierwiastków promieniotwórczych zawartych w Ziemi. Można by tego dokonać mierząc energie geoneutrin. Okazuje się, że rozpady poszczególnych jąder produkują neutrina o różnych maksymalnych energiach. I tak np. przy przemianie uranu w stabilny ołów (która dokonuje się w kilku pośrednich krokach, w których pojawiają się kolejne niestabilne, coraz lżejsze pierwiastki) emitowane są neutrina, których energie mogą znacznie przekraczać maksymalne energie neutrin pochodzących z rozpadów toru, czy potasu. Pierwsze geoneutrina i ich energie już zarejestrowano. Pomiar ten obarczony jest niestety bardzo dużą niepewnością.

Wyniki eksperymentu Kamland

Model Ziemi
Jądro Ziemi jest zbudowane ze związków bogatych w żelazo, ciśnienie panujące w nim jest około miliona razy większe niż to panujące na powierzchni, zaś temperatura przekracza 4000 stopni. Jądro dzieli się na wewnętrzne - stałe, i zewnętrzne - płynne. Na zewnątrz jądra znajduje się płaszcz stanowiący przeszło 70% objętości całej planety. Nad płaszczem znajduje się cienka warstwa skorupy. Jej grubość jest różna w różnych miejscach planety (od kilku do kilkudziesięciu kilometrów), mniejsza pod powierzchnią oceanów niż pod kontynentami.

Aby dowiedzieć się więcej:
› wiz.pl
› wikipedia.org