Choć do środka Ziemi wcale nie jest dalej niż z Warszawy do Nowego Jorku, nigdy nie udało nam się tam zajrzeć.

Podczas gdy mała sonda Voyager 1 – najdalszy obiekt wysłany przez człowieka w przestrzeń kosmiczną – znajduje się już ponad 122 jednostki astronomiczne od Ziemi (przypomnijmy, że jednostka astronomiczna to niebagatelne 149 597 871 km), wnętrze naszej niewielkiej planety pozostaje praktycznie niezbadane. Mogłoby się wydawać – nic prostszego, wystarczy wykopać dostatecznie głęboką dziurę! Niestety, problemy zaczęłyby się już po kilku metrach, gdy w dołku pojawiłaby się woda. Potem trzeba byłoby zmierzyć się z rosnącą z każdym kilometrem temperaturą – w kopalni złota TauTona w Republice Południowej Afryki, która jest najgłębszą kopalnią na świecie i sięga blisko 4 km w głąb Ziemi, temperatura przekracza 55°C… A to dopiero początek drogi!

12 000 metrów pod Ziemią

Rekordowo głęboką dziurę w ziemi, noszącą nazwę SG-3, udało się wywiercić Rosjanom w latach 1970–1989 na Półwyspie Kolskim. Choć ambitny projekt zakładał osiągnięcie 15 tys. metrów, z powodu ogromnych kosztów i trudności technicznych związanych m.in. właśnie z wysoką temperaturą (która na głębokości, gdzie naukowcy spodziewali się 100°C, sięgała już 190 stopni), ostatecznie został wstrzymany na 12 262 metrach. Niestety Rosjanie w niewielkim stopniu podzielili się zebranymi danymi ze światem naukowym; odwiert stał się znany zwłaszcza z absurdalnej plotki, jakoby wiódł do piekła (patrz ramka na s. 69).

12 km robi wrażenie, dopóki nie przypomnimy sobie, że promień Ziemi wynosi aż 6371 km…! Część skał, do których naukowcy mają dostęp (ponieważ wskutek rozmaitych procesów geologicznych znalazły się na powierzchni Ziemi – w górach, w dolinach rzek, w ścianach kanionów), pochodzi z jeszcze głębszych warstw. Na tym niestety kończą się możliwości bezpośredniego badania tego, co kryje wnętrze naszej planety.

Próbując odgadnąć jej skład chemiczny, naukowcy sięgają m.in. po meteoryty, które powstały z tej samej materii, z której około 4,6 mld lat temu utworzyła się Ziemia. W poznaniu procesów zachodzących we wnętrzu Ziemi pomagają również wykonywane w laboratoriach doświadczenia z wysokim ciśnieniem i temperaturą, w których badacze próbują odtworzyć warunki panujące w środku planety.

Prześwietlić planetę

Mogąc tylko w niewielkim stopniu polegać na łopatach i wiertłach, naukowcy zdobywają wiedzę o wnętrzu Ziemi inaczej – postępują jak lekarze, którzy badając pacjenta, nie muszą uciekać się do krojenia go na stole operacyjnym, gdyż mają do dyspozycji nieinwazyjne techniki diagnostyczne, takie jak np. USG, która próbkuje wnętrze naszego ciała przy użyciu ultradźwięków. Badacze Ziemi zamiast ultradźwięków używają fal sejsmicznych (generowanych przez trzęsienia ziemi lub przez człowieka – za pomocą ładunków wybuchowych). Przechodząc przez wnętrze Ziemi, fale sejsmiczne zmieniają prędkość, stąd wiemy, że nasza planeta nie jest wewnątrz jednorodna, lecz przypomina wielką pralinkę z dwoma rodzajami nadzienia i twardym orzeszkiem w środku. Drobniejsze zmiany w zachowaniu się fal sejsmicznych zdradzają, że także poszczególne warstwy nie są w każdym punkcie identyczne. Ponieważ jednak na rozchodzenie się fal sejsmicznych wpływają różne czynniki, naukowcom nie jest łatwo odgadnąć, co konkretnie odróżnia jakieś miejsce od sąsiadujących z nim obszarów – może to być wyższa temperatura, ciśnienie lub też inny skład chemiczny.

Gdybyśmy mogli rozkroić naszą wielką pralinkę, zobaczylibyśmy zatem kilka warstw nadzienia. Warstwa zewnętrzna to skorupa ziemska. Jej grubość nie jest wszędzie taka sama – pod kontynentami wynosi 25–70 km, pod oceanami – tylko 6–9 km. Wielu z nas pewnie chciałoby, aby była zrobiona z czekolady, ale niestety! Jej podstawowym budulcem są skały, przede wszystkim krzemiany, czyli minerały złożone z krzemu i tlenu z dodatkiem innych pierwiastków. Krzemiany tworzą również niższą warstwę – płaszcz ziemski grubości ponad 2900 km. Temperatura płaszcza jest znacznie wyższa od temperatury skorupy ziemskiej, dlatego rozgrzane skały w jego górnej części zachowują się jak ciecz – „płyną” leniwie z prędkością do kilku centymetrów rocznie. Niżej, gdzie ciśnienie jest wyższe, skały płaszcza są w stanie stałym. Część naukowców uważa, że ruch półpłynnych skał płaszcza reguluje konwekcja – partie leżące bliżej środka planety są podgrzewane przez gorące jądro i ponieważ są lżejsze od obszarów chłodniejszych, przemieszczają się powoli ku górze, tworząc tzw. pióropusze płaszcza. To właśnie niespokojne ruchy płaszcza miałyby być odpowiedzialne za łamanie się i zderzanie unoszących się na nim płyt litosfery, i co za tym idzie – za trzęsienia ziemi (więcej na ten temat na s. 48).

Ziemskie żółtko

Już 300 lat temu Isaac Newton wyliczył, że średnia gęstość Ziemi jest 2 razy większa od gęstości skał, więc część wnętrza naszej planety musi być zbudowana z materii bardzo gęstej. To położone w samym środku jądro, które prawdopodobnie składa się głównie z żelaza. Skąd to przypuszczenie? Właściwości tego pierwiastka „pasują” do wyników pomiarów sejsmologicznych i jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych metali w Układzie Słonecznym.

Naukowcy uważają, że jądro Ziemi, metalowa kula o promieniu 3500 km, składa się z dwóch części. Sam środek – jądro wewnętrzne, czyli twardy orzeszek w naszej czekoladce – to stop żelaza i niklu zestalony pod ciśnieniem sięgającym 300 GPa o temperaturze 5000–6000°C. Otacza go jądro zewnętrzne o podobnym składzie, lecz o odrobinę niższej temperaturze (4000°C), pod mniejszym ciśnieniem i co ważne – o płynnej konsystencji. Dzięki temu, że jądro zewnętrzne jest gęstą cieczą, powstaje otulające Ziemię pole magnetyczne, które chroni naszą planetę przed wiatrem słonecznym – gdyby nie ono, Ziemia nie nadawałaby się do życia. Za istnienie pola magnetycznego możemy podziękować zjonizowanym cząsteczkom żelaza poruszającym się w jądrze zewnętrznym i ruchowi obrotowemu Ziemi. Obecność płynnego jądra zewnętrznego zdradza nie tylko pole magnetyczne, sugerują to również pomiary sejsmologiczne. Sejsmolodzy obserwują różne rodzaje fal generowanych podczas trzęsień ziemi, przede wszystkim fale podłużne (P) – w których drgania odbywają się w kierunku poruszania się fali, i fale poprzeczne (S) – gdzie drgania odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Dodatkowo o falach poprzecznych wiadomo, że nie mogą poruszać się w cieczach. I dlatego właśnie – na podstawie obserwacji, że fale S nie przechodzą przez jądro Ziemi – możemy twierdzić, że jest ono, przynajmniej częściowo, płynne.

Trudna przeprawa    

Fakt, że nasza wiedza o wnętrzu Ziemi opiera się w dużej mierze na domysłach, doskwiera wielu naukowcom. W 2003 roku amerykański astrofizyk David Stevenson zaproponował niebanalną metodę wysłania sondy aż do samego jądra planety. Najpierw za pomocą wybuchu jądrowego należałoby zrobić pęknięcie w ziemi, potem zalać je tysiącami ton płynnego żelaza, a w nie wrzucić sondę wielkości grejpfruta. Resztę roboty wykonałaby grawitacja, ciągnąc cięższe od skał żelazo w głąb ziemi. Dotarcie sondy do jądra planety to według Stevensona kwestia dni. Sonda zmierzyłaby temperaturę wnętrza Ziemi, zbadałaby jego skład chemiczny, a dane wysłałaby na powierzchnię za pomocą fal dźwiękowych.

Niestety, nawet sam pomysłodawca nie uważał tego planu za wykonalny, opisanie go w artykule w „Nature” było swego rodzaju prowokacją, mającą skłonić naukowców do poświęcenia większej uwagi poszukiwaniu sposobu na bezpośrednie zbadanie wnętrza Ziemi.

Warto wiedzieć:

- Gdyby udało się wykopać dziurę do środka Ziemi, wrzucony do niej kamień spadałby 22 minuty.

- Jądro wewnętrzne zbudowane z tych samych metali co jądro zewnętrzne. Jednak – pomimo bardzo wysokich temperatur, jakie tu panują – materia jądra wewnętrznego jest lita. Powód? Bardzo wysokie ciśnienie!

- Jądro zewnętrzne płynna forma jądra, zbudowana z rozgrzanego żelaza i niklu. Panują tu niższa temperatura i ciśnienie niż w jądrze wewnętrznym.

- Płaszcz dolny z  powodu wysokiego ciśnienia skały płaszcza są w stanie stałym.

- Płaszcz górny podobnie jak w garnku z gotującą wodą, materia płaszcza – podgrzewana przez jądro i chłodzona przez skorupę – nieustannie wznosi się i opada, wykonując tzw. ruchy konwekcyjne.

- Hydrosfera i litosfera - litosfera to zewnętrzna sztywna powłoka Ziemi, a hydrosfera obejmuje wszystkie wody na naszej planecie, pokrywając aż 71 proc. powierzchni Ziemi.

Skąd się bierze lawa?

Składająca się głównie ze stopionych tlenków krzemu, żelaza, sodu, potasu, wapnia lawa powstaje w głębszych warstwach litosfery. Temperatura lawy wyrzuconej na powierzchnię Ziemi w wyniku erupcji wulkanicznej może sięgać nawet 1400° C.

Jak się bada wnętrze Ziemi?

W wyniku trzęsień ziemi fale sejsmiczne rozchodzą się w różnych kierunkach. Zamiast lecieć w prostych liniach, fale rozpraszają się i wyginają, w zależności od gęstości, ciśnienia i elastyczności warstw skalnych, przez które przenikają. Na podstawie czasu, jaki upływa od momentu wytworzenia fali do chwili, gdy osiągnie dany obszar w Ziemi, sejsmolodzy próbują zbadać pokonywaną drogę, a tym samym określić gęstość i skład warstw skalnych we wnętrzu Ziemi. Dziś takie badania wykonuje się przy użyciu superkomputerów.

Dziura do piekła

Legenda głosi, że radzieccy naukowcy wiercący na Syberii rekordowo głęboką dziurę w skorupie ziemskiej w pewnym momencie natrafili na pustą przestrzeń. Temperatura przekraczała 1000°C, a z opuszczonych w dół mikrofonów dobiegły przeszywające jęki tysięcy, jeśli nie milionów torturowanych ludzi. Przerażeni geologowie, przekonani, że dokopali się do samego piekła, rozbiegli się w popłochu, po czym na gwałt przyjęli wiarę chrześcijańską. Tyle plotka, w rzeczywistości żadnej pieczary nie było, a wysoka temperatura, która zaskoczyła naukowców, nie wynosiła 1000°C, lecz ok. 190°C.

Trudno dziś wyśledzić źródło tej absurdalnej historii, wiadomo jednak, że ochoczo została podchwycona zwłaszcza przez media związane z organizacjami chrześcijańskimi. Swoje trzy grosze dołożył norweski nauczyciel Åge Rendalen. Program o dziurze do piekła, który zobaczył w amerykańskiej chrześcijańskiej telewizji TBN podczas swego pobytu w Kalifornii, wydał mu się tak absurdalny, że po powrocie do domu postanowił sprawdzić, czy stacja w ogóle weryfikuje wiarygodność rozpowszechnianych informacji. Wysłał do jej szefostwa list, do którego załączył artykuł na temat piekielnego odkrycia wycięty z szacownej norweskiej gazety i jego tłumaczenie. W rzeczywistości artykuł mówił o czymś zupełnie innym, a rzekome tłumaczenie było radosną twórczością nauczyciela okraszoną wyssaną z palca relacją naocznego świadka zarzekającego się, że z dziury na pustkowiach Syberii wyskoczył szatan  – świecąca postać ze skrzydłami nietoperza. Jak było do przewidzenia, historia zaczęła na nowo krążyć w mediach, a jej prawdziwości nikt nie sprawdził.

Plotka do dziś żyje własnym życiem – w internecie nietrudno znaleźć rzekome nagrania wycia torturowanych potępieńców dochodzące z odwiertu.