Πυρήνας της Γης:τι βρίσκεται στο κέντρο και πώς γνωρίζουμε;

Όταν ο πρωτοπόρος συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας Ιούλιος Βερν έγραψε το Ταξίδι στο Κέντρο της Γης το 1864, πιθανότατα ήξερε ότι η πλοκή του ήταν καθαρή φαντασία. Οι χαρακτήρες του Βερν έφτασαν μόνο λίγα μίλια πιο κάτω, αλλά η ιδέα ότι κάποιος μπορούσε ακόμη και να σκεφτεί να ταξιδέψει στον πυρήνα της Γης είχε απορριφθεί πριν από τη βικτωριανή εποχή.

Στην πραγματικότητα, ακόμη και σήμερα, το πιο απομακρυσμένο που έχουμε κάνει διάτρηση στη Γη είναι περίπου 12 χιλιόμετρα, ενώ η απόσταση από το κέντρο είναι πάνω από 500 φορές πιο μακριά, στα 6.370 χιλιόμετρα.

Πώς ξέρουμε λοιπόν τι κρύβεται από κάτω; Το να καταλάβουμε τι βρίσκεται στην καρδιά του πλανήτη μας ήταν ένα υπέροχο επιστημονικό παζλ.

Πώς γνωρίζουμε ότι η Γη είναι στρογγυλή;

Η ιδέα ότι η Γη έχει ένα ουσιαστικό κέντρο συμβαδίζει με το σχήμα του πλανήτη σαν μπάλα και γνωρίζουμε ότι δεν ζούμε σε δίσκο για πολύ καιρό.

Είναι μύθος ότι ο μεσαιωνικός λαός πίστευε ότι η Γη ήταν επίπεδη – στην πραγματικότητα προήλθε από ένα μείγμα βικτωριανής αντιθρησκευτικής προπαγάνδας και μια παρερμηνεία των στυλιζαρισμένων χαρτών της περιόδου.

Πριν από περισσότερα από 2.200 χρόνια, ο Έλληνας πολύμαθος Ερατοσθένης έκανε την πρώτη μέτρηση της απόστασης γύρω από τη γήινη σφαίρα, και έκτοτε ήταν σαφές ότι πρέπει να έχει κέντρο.

Αυτό δεν σημαίνει, ωστόσο, ότι οι πρώτοι φιλόσοφοι θεωρούσαν τη Γη όπως εμείς σήμερα.

Η αρχαία ελληνική φυσική έλεγε ότι ο κόσμος αποτελούνταν από μια σειρά ομόκεντρων σφαιρών τεσσάρων θεμελιωδών στοιχείων:γη, νερό, αέρας και, τέλος, φωτιά.

Σε αυτήν την παλαιότερη επιστημονική εικόνα, το κέντρο του πλανήτη έπρεπε να είναι συμπαγές, καθώς ο αέρας δεν μπορούσε να βρίσκεται μέσα στη σφαίρα της γης.

Σαφώς, η σφαίρα της γης δεν περιβαλλόταν πλήρως από νερό ή δεν θα υπήρχε ξηρή γη, επομένως θεωρήθηκε ότι υπήρχε ένα κομμάτι της γης που προεξείχε – που σημαίνει ότι θα μπορούσε να υπάρχει μόνο μία ήπειρος.

Ως αποτέλεσμα, η ανακάλυψη της Αμερικής ήταν, στην πραγματικότητα, ένα από τα πρώτα πειραματικά επιστημονικά αποτελέσματα, που διαψεύδουν την ιδέα μιας ενιαίας ηπείρου και σηματοδοτούν ένα σημαντικό βήμα στο δρόμο για την υπέρβαση της αρχαίας ελληνικής επιστημονικής σκέψης.

Η ιδέα ότι η Γη είναι εντελώς κούφια ή με τεράστια σπήλαια που φτάνουν στο κέντρο, όπως στο βιβλίο του Βερν, ήταν δημοφιλής στη μυθολογία και τη μυθολογία από την αρχαιότητα, καθώς επίσης και στην ψευδοεπιστήμη και τις θεωρίες συνωμοσίας.

Ωστόσο, δεν είναι σαφές ότι κάποιος επιστήμονας εκτός από τον αστρονόμο Edmond Halley, ο οποίος πρότεινε μια κούφια Γη για να εξηγήσει μερικές ασυνήθιστες αναγνώσεις πυξίδας το 1692, έχει λάβει ποτέ αυτή την ιδέα στα σοβαρά.

Και το 1798, ένας Άγγλος επιστήμονας και εκκεντρικός έβαλε το τελευταίο καρφί στο φέρετρο της υπόθεσης της «κούφιας Γης». Βήμα μπροστά Henry Cavendish, με ένα πείραμα για να ζυγίσει με ακρίβεια τον πλανήτη.

Πόσο ζυγίζει η Γη;

Ο Κάβεντις ήταν ένας περίεργος άνδρας, ο οποίος επικοινωνούσε με τους υπηρέτες του μόνο μέσω σημειώσεων για να αποφύγει να τους συναντήσει πρόσωπο με πρόσωπο.

Παρά το αριστοκρατικό του υπόβαθρο, ο Κάβεντις αφιέρωσε τη ζωή του στην επιστήμη, δουλεύοντας τόσο στη χημεία όσο και στη φυσική, και το πιο γνωστό επινόησε ένα πείραμα για τον υπολογισμό της πυκνότητας της Γης.

Χρησιμοποιώντας μια απλή ισορροπία στρέψης, η οποία μέτρησε την ποσότητα της δύναμης συστροφής που προκαλείται από τη βαρυτική έλξη δύο μεγάλων σφαιρών σε ένα μικρότερο ζεύγος, ο Cavendish μπόρεσε να υπολογίσει την αμυδρή βαρυτική έλξη μεταξύ των δύο ζευγών σφαιρών.

Συγκρίνοντας αυτό με τη βαρυτική έλξη της ίδιας της Γης, θα μπορούσε να υπολογίσει την πυκνότητα του πλανήτη (και, όπως ήταν ήδη γνωστό το μέγεθος της Γης, τη μάζα του επίσης).

Αλλά ο αριθμός της πυκνότητας έδειξε ότι ο πλανήτης μας πρέπει να είναι ως επί το πλείστον συμπαγής, εκτός αν υπήρχαν εξαιρετικά πυκνά άγνωστα υλικά κάπου στα βάθη.

Πώς γνωρίζουμε τι βρίσκεται στον πυρήνα της Γης;

Σήμερα, χωρίζουμε τα μύχια της Γης σε τρία τμήματα:τον φλοιό, που είναι το εξωτερικό στρώμα, πάχους μεταξύ 5km και 75km, τον μανδύα, που εκτείνεται σε βάθος περίπου 2.900km, με το πάχος του πυρήνα - το κομμάτι που Ενδιαφέρομαι για εδώ – εκτείνεται περίπου 3.500 χιλιόμετρα έξω από το κέντρο της Γης, με δύο διακριτά τμήματα.

Στην καρδιά του πυρήνα βρίσκεται μια εξαιρετικά καυτή αλλά ακόμα συμπαγής σφαίρα νικελίου-σιδήρου με ακτίνα περίπου 1.200 km. Σε περίπου 5.400°C, αυτός ο εσωτερικός πυρήνας είναι παρόμοιος σε θερμοκρασία με την επιφάνεια του Ήλιου. Το υπόλοιπο είναι ο υγρός εξωτερικός πυρήνας της Γης, κατασκευασμένος κυρίως από νικέλιο-σίδερο, με παρόμοιες θερμοκρασίες, που γίνεται όλο και πιο ζεστός προς το κέντρο.

Αλλά πώς μπορούμε να γνωρίζουμε τέτοιες λεπτομέρειες για μια τοποθεσία που είναι τόσο απρόσιτη;

Δεδομένης της σχεδόν αδύνατης να φτάσουμε ποτέ ακόμη και σε απόσταση χιλίων χιλιομέτρων από τον πυρήνα, όλες οι γνώσεις μας είναι έμμεσες και εξαρτώνται από τη σεισμολογία - την επιστήμη των σεισμών.

Μετά από έναν σεισμό, τα σεισμικά κύματα διασχίζουν τη Γη, αλλάζοντας τη μορφή και την κατεύθυνσή τους ανάλογα με τα υλικά από τα οποία περνούν. Οι γεωφυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει αυτές τις πληροφορίες για να συμπεράνουν τι βρίσκεται στον πυρήνα της Γης.

Τα σεισμόμετρά τους, συσκευές μέτρησης τέτοιων κυμάτων, είναι ισοδύναμα με τηλεσκόπια για εξερεύνηση του εσωτερικού της Γης.

Διαβάστε περισσότερα για τον πυρήνα της Γης :

• Τι θα συμβεί εάν ο πυρήνας της Γης κρυώσει;
• Το μαγνητικό πεδίο της Γης αντιστρέφεται πιο συχνά – τώρα ξέρουμε γιατί
• Θα μπορούσαμε να στείλουμε έναν ρομποτικό ανιχνευτή στον πυρήνα της Γης;
• Έχει η Σελήνη λιωμένο πυρήνα;

Στις αρχές του 20ου αιώνα, οι αυξανόμενες θερμοκρασίες καθώς σκάβαμε βαθύτερα στη Γη, σε συνδυασμό με την ανάλυση των γήινων κυμάτων από τους σεισμολόγους, υποδηλώνουν ότι τα εσωτερικά μέρη του πλανήτη μας ήταν τουλάχιστον εν μέρει λιωμένα - αρκετά ζεστά για να μετατρέψουν το βράχο και το μέταλλο σε υγρό.

Και οι βασικές ανακαλύψεις έγιναν από δύο επιστήμονες που, δυστυχώς, δεν προτάθηκαν ποτέ καν για βραβείο Νόμπελ:ο Βρετανός γεωλόγος Richard Oldham και η Δανή σεισμολόγος Inge Lehmann.

Τι μπορούν να μας πουν τα κύματα για τη δομή της Γης;

Σκεφτείτε ένα κύμα και πιθανότατα θα σκεφτείτε ένα επιφανειακό κύμα, όπως αυτό που θα βλέπατε στη θάλασσα. Αλλά πολλά κύματα – ο ήχος, για παράδειγμα – ταξιδεύουν μέσα από το σώμα ενός υλικού.

Αν και τα σεισμικά κύματα που προκαλούν ζημιά σε έναν σεισμό είναι αυτά που ταξιδεύουν στην επιφάνεια, υπάρχουν επίσης δύο τύποι «κύματος σώματος» που κινούνται μέσω της Γης. Τα κύματα P (το "P" σημαίνει "πρωτεύον") είναι διαμήκη κύματα, όπως ακριβώς ο ήχος.

Δονούνται προς την κατεύθυνση της κίνησης, με αποτέλεσμα η Γη να στριμώχνεται και να διαστέλλεται καθώς περνούν.

Τα κύματα P ταξιδεύουν γρήγορα – περίπου 5 χλμ το δευτερόλεπτο σε βράχο όπως ο γρανίτης και έως και 14 χλμ το δευτερόλεπτο στα πιο πυκνά μέρη του μανδύα.

Ο δεύτερος τύπος κυμάτων σώματος, τα κύματα S («S» σημαίνει «δευτερεύον»), είναι πιο αργά, εγκάρσια κύματα, που κινούνται από τη μία πλευρά στην άλλη. Σε αντίθεση με τα κύματα P, δεν μπορούν να ταξιδέψουν μέσα από ένα υγρό, γι' αυτό και αυτοί οι δύο τύποι κυμάτων αποδείχθηκαν απαραίτητοι για να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τον πυρήνα της Γης.

Φανταστείτε ότι υπάρχει ένας τεράστιος σεισμός. Τα κύματα αρχίζουν να κινούνται στη Γη.

Τα κύματα P εκτοξεύονται μπροστά, ενώ τα κύματα S ακολουθούν πίσω με περίπου τη μισή ταχύτητα. Και οι δύο τύποι κυμάτων θα ανιχνευθούν από σεισόμετρα, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των δονήσεων στο έδαφος, σε όλη τη Γη.

Όμως όπου τα κύματα περνούν από τον πυρήνα για να φτάσουν σε έναν μακρινό σταθμό μέτρησης, υπάρχει μια λεγόμενη ζώνη σκιάς. Ταξιδέψτε περίπου 104° γύρω από την περίμετρο της Γης από το επίκεντρο του σεισμού και τα κύματα εξαφανίζονται. Αλλά από τις 140° και μετά, τα κύματα P επανεμφανίζονται, χωρίς συνοδευτικά κύματα S.

Ήδη από το 1906, ο Richard Oldham συνειδητοποίησε τις συνέπειες αυτής της περίεργης σκιάς. Ο Όλνταμ πέρασε το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του στο Γεωλογικό Ινστιτούτο της Ινδίας, εργαζόμενος συχνά στα Ιμαλάια.

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τους σεισμούς:

• Μπορούν τα ζώα να μας βοηθήσουν να προβλέψουμε τους σεισμούς;
• Πώς να σταματήσετε έναν σεισμό
• Πώς είναι ένας σεισμός 10 Ρίχτερ;
• Επίπεδες πλάκες που συνδέονται με μεγάλους σεισμούς

Όταν αποσύρθηκε στο Ηνωμένο Βασίλειο το 1903, χρησιμοποίησε τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν τα προηγούμενα χρόνια για να διερευνήσει το εσωτερικό της Γης. Συνειδητοποίησε ότι η παρατηρούμενη συμπεριφορά του κύματος P και του κύματος S μπορούσε να εξηγηθεί εάν το κέντρο της Γης ήταν υγρό.

Σε μια τέτοια περίπτωση, τα κύματα P θα διαθλώνται από το υγρό, κάμπτοντας όπως το φως όταν μετακινείται από το νερό στον αέρα, αφήνοντας μια χαρακτηριστική σκιά. Τα κύματα S, αντίθετα, θα σταματούσαν εξ ολοκλήρου από έναν υγρό πυρήνα.

Η ανακάλυψη του Oldham οδήγησε σε μια ευρέως αποδεκτή εικόνα ενός λιωμένου πυρήνα, αλλά 30 χρόνια αργότερα, η Inge Lehmann συνειδητοποίησε ότι η ιδέα του Oldham ήταν πολύ απλή.

Η διάθλαση των κυμάτων P από το πυκνό υγρό στο κέντρο της Γης θα έπρεπε να έχει δημιουργήσει μια συνολική σκιά.

Στην πραγματικότητα, οι μετρήσεις που έγιναν με τα πιο ευαίσθητα σεισμόμετρα που ήταν διαθέσιμα την εποχή του Lehmann έδειξαν ότι εξακολουθούν να φθάνουν αμυδρά κύματα P στη σκιώδη ζώνη.

Μελετώντας δεδομένα που περνούσαν από τον πλανήτη από έναν σεισμό του 1929 στη Νέα Ζηλανδία, ο Lehmann πρότεινε ότι αυτά τα κύματα αντανακλώνονταν από το όριο μεταξύ ενός εσωτερικού στερεού πυρήνα και του εξωτερικού υγρού.

Τα αποτελέσματά της, που δημοσιεύθηκαν το 1936, επιβεβαιώθηκαν δύο χρόνια αργότερα από τον Beno Gutenberg και τον Charles Richter, οι οποίοι μοντελοποίησαν με ακρίβεια τα αποτελέσματα ενός συμπαγούς πυρήνα.

Οι άμεσες μετρήσεις αυτών των ανακλώμενων σεισμικών κυμάτων έγιναν τελικά το 1970.

Από τι αποτελείται ο πυρήνας της Γης;

Περαιτέρω μελέτες εντόπισαν ακόμη πιο διακριτικά κύματα τα οποία, από την καθυστερημένη άφιξή τους, έπρεπε να είχαν διασχίσει τον υγρό εξωτερικό πυρήνα ως κύματα P, πριν μετατραπούν σε εγκάρσια κύματα S στον εσωτερικό πυρήνα και στη συνέχεια πίσω σε κύματα P στον διέξοδος.

Αυτή η ανακάλυψη, που επιβεβαιώθηκε μόλις το 2005, ήταν περαιτέρω απόδειξη του συμπαγούς πυρήνα.

Ακόμα κι έτσι, η ακριβής φύση του εσωτερικού πυρήνα υπόκειται σε σημαντική συζήτηση. Οι θερμοκρασίες, για παράδειγμα, μπορούν να υπολογιστούν μόνο από πειραματικές μελέτες για το πώς λιώνουν και στερεοποιούνται τα υλικά υπό πίεση.

Στην πραγματικότητα, η υπόθεση ότι ο πυρήνας αποτελείται κυρίως από σίδηρο και νικέλιο προέρχεται από έναν συνδυασμό της συχνότητας με την οποία συμβαίνουν διαφορετικά στοιχεία στην τοπική μας περιοχή του Γαλαξία μας και από την κατανόησή μας για το πώς σχηματίστηκε ο πλανήτης μας.

Κάτω από την τεράστια πίεση στο κέντρο της Γης –πάνω από τρία εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση– τα υλικά μπορούν να δρουν πολύ διαφορετικά από τις κανονικές συνθήκες.

Εισάγοντας τα στοιχεία σας, συμφωνείτε με τους όρους και τις προϋποθέσεις και την πολιτική απορρήτου μας. Μπορείτε να καταργήσετε την εγγραφή σας ανά πάσα στιγμή.

Ενώ ο πιο προφανής υποψήφιος για τον εσωτερικό πυρήνα είναι ένα συμπαγές κράμα νικελίου-σιδήρου, είναι πιθανό ένα εξαιρετικά πυκνό πλάσμα - η κατάσταση της ύλης που βρίσκεται σε ένα αστέρι - να έχει παρόμοιες ιδιότητες. Μία από τις δυσκολίες εδώ είναι να γνωρίζουμε πώς συμπεριφέρονται τα υλικά σε τόσο ακραία περιβάλλοντα.

Εισαγάγετε το διαμαντένιο κελί άκμονα.

Σε αυτήν την αξιοσημείωτη συσκευή, τα σημεία δύο διαμαντιών, μόλις ένα κλάσμα του χιλιοστού πλάτους, συμπιέζονται μεταξύ τους.

Η εφαρμογή μιας δύναμης σε μια μικρή περιοχή παράγει μεγαλύτερη πίεση από την εφαρμογή της σε μια φαρδιά - γι' αυτό το να σας πατήσει μια φτέρνα στιλέτο είναι πολύ πιο επώδυνο από μια επίπεδη σόλα.

Το διαμαντένιο αμόνι δημιουργεί πιέσεις έως και διπλάσιες από αυτές του πυρήνα της Γης και η θέρμανση εφαρμόζεται με χρήση λέιζερ.

Όταν τα μεταλλικά δείγματα συνθλίβονται και θερμαίνονται σε συνθήκες που μοιάζουν με τον πυρήνα, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ένα κρυσταλλικό στερεό στο κέντρο της Γης.

Ρεαλιστικά, δεν θα φτάσουμε ποτέ πουθενά κοντά στον πυρήνα της Γης.

Τα επίπεδα θερμότητας, πίεσης και ραδιενέργειας (μία από τις κύριες πηγές εσωτερικής θέρμανσης) είναι τόσο υψηλά που ακόμα κι αν μπορούσαμε να διαπεράσουμε πάνω από 6.000 χιλιόμετρα βράχου και μετάλλου, ένας ανιχνευτής δεν θα μπορούσε να επιβιώσει.

Σε σύγκριση με το να φτάσετε στον πυρήνα, το ταξίδι στις εξωτερικές περιοχές του Ηλιακού Συστήματος είναι ασήμαντο.

Αλλά οι δονήσεις του πλανήτη μας, που παράγονται από σεισμούς και ερμηνεύονται από επιστήμονες τόσο έξυπνοι όσο η Inge Lehmann, μας δίνουν τα μέσα να εξερευνήσουμε με το μυαλό μας εκεί που δεν θα επισκεφτούμε ποτέ προσωπικά.

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 304 του BBC Focus

Βασικοί όροι

Διαμήκη κύματα - Αυτά τα κύματα αποτελούνται από μια σειρά από συμπιέσεις και χαλαρώσεις προς την κατεύθυνση του ταξιδιού, σαν ένα λοξό ελατήριο που ωθείται σε όλο το μήκος του. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν τον ήχο και τα κύματα P.

Διάθλαση - Όταν ένα κύμα χτυπά το όριο μεταξύ δύο υλικών, ταξιδεύοντας υπό γωνία, αλλάζει κατεύθυνση. Τα φωτεινά κύματα, για παράδειγμα, διαθλώνται όταν περνούν μεταξύ νερού και αέρα, κάνοντας ένα ευθύ αντικείμενο να φαίνεται λυγισμένο.

Σεισμολογία - Η μελέτη των σεισμών. Η ανάλυση του τρόπου με τον οποίο διαφορετικοί τύποι σεισμικών κυμάτων ταξιδεύουν μέσω της Γης μας επέτρεψε να συνδυάσουμε την εσωτερική δομή του πλανήτη μας.

Ζυγό στρέψης - Αυτή η συσκευή αποτελείται από μια ράβδο, η οποία αναρτάται από ένα πλαίσιο με μια στριφτή ίνα. Καθώς η ράβδος κινείται προς τα πλάγια, ασκεί μια δύναμη στην ίνα – όσο περισσότερο στρίβει, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη.

Εγκάρσια κύματα - Αυτά τα κύματα αποτελούνται από μια σειρά από πλευρικές δονήσεις, όπως τα κύματα που στέλνονται μέσω ενός σχοινιού μετακινώντας το ένα άκρο πάνω-κάτω. Στα παραδείγματα περιλαμβάνονται το φως και τα κύματα S.