Jaké jsou vrstvy Země?

Na Zemi je víc, než co můžeme vidět na povrchu. Ve skutečnosti, pokud jste byli schopni držet Země v ruce a rozkrojte ji na polovinu, uvidíte, že má více vrstev. Ale samozřejmě, vnitřek našeho světa pro nás nadále skrývá některá tajemství. I když neohroženě zkoumáme jiné světy a rozmisťujeme satelity na oběžnou dráhu, vnitřní zákoutí naší planety nám zůstávají mimo dosah.

Pokroky v seismologii nám však umožnily naučit se hodně o Zemi a mnoha vrstvách, které ji tvoří. Každá vrstva má své vlastní vlastnosti, složení a charakteristiky, které ovlivňují mnoho klíčových procesů naší planety. Jsou to v pořadí od exteriéru k interiéru – kůra, plášť, vnější jádro a vnitřní jádro. Pojďme se na ně podívat a zjistit, co se děje.

Moderní teorie:

Jako všichni terestrické planety , vnitřek Země je diferencovaný. To znamená, že jeho vnitřní struktura se skládá z vrstev, uspořádaných jako slupka cibule. Odloupněte jeden a najdete další, který se od posledního liší svými chemickými a geologickými vlastnostmi, stejně jako obrovskými rozdíly v teplotě a tlaku.

Naše moderní vědecké chápání vnitřní struktury Země je založeno na závěrech vytvořených pomocí seismického monitorování. V podstatě to zahrnuje měření zvukových vln generovaných zemětřesením a zkoumání toho, jak průchod různými vrstvami Země způsobuje jejich zpomalení. Změny seismické rychlosti způsobují lom, který se vypočítá (v souladu s Snellův zákon ) k určení rozdílů v hustotě.

Model ploché Země s kontinenty vymodelovanými ve tvaru disku a Antarktidou jako ledovou stěnou. Kredit: Wikipedia Commons

Ty se používají spolu s měřením gravitačních a magnetických polí Země a experimenty s krystalickými pevnými látkami, které simulují tlaky a teploty v hlubokém nitru Země, k určení toho, jak vypadají vrstvy Země. Kromě toho se rozumí, že rozdíly v teplotě a tlaku jsou způsobeny zbytkovým teplem z počátečního formování planety, rozpadem radioaktivních prvků a zamrznutím vnitřního jádra v důsledku intenzivního tlaku.

Historie studia:

Od pradávna se lidé snažili porozumět formování a složení Země. Nejstarší známé případy byly nevědecké povahy – měly podobu mýtů o stvoření nebo náboženských bajek zahrnujících bohy. Mezi klasickým starověkem a středověkem se však objevilo několik teorií o původu Země a jejím správném složení.

Většina starověkých teorií o Zemi inklinovala k pohledu na fyzickou podobu naší planety „Plochá Země“. Takový byl názor v mezopotámské kultuře, kde byl svět zobrazován jako plochý disk plující v oceánu. Pro Mayové byl svět plochý a v jeho rozích drželi oblohu čtyři jaguáři (známí jako bacabi). Staří Peršané spekulovali, že Země je sedmivrstvý zikkurat (nebo kosmická hora), zatímco Číňané na ni pohlíželi jako na čtyřhrannou krychli.

V 6. století př. n. l. začali řečtí filozofové spekulovat, že Země je ve skutečnosti kulatá, a ve 3. století př. n. l. se myšlenka kulovité Země začala formulovat jako vědecká záležitost. Ve stejném období se také začal objevovat vývoj geologického pohledu na Zemi, kdy filozofové pochopili, že se skládá z minerálů, kovů a že podléhá velmi pomalému procesu změn.

Ilustrace modelu posvátné Země Edmonda Halleyho, která se skládala ze soustředných koulí. Poděkování: Wikipedia Commons/Rick Manning

Avšak teprve v 16. a 17. století se vědecké chápání planety Země a její struktury skutečně začalo rozvíjet. V roce 1692 Edmond Halley (objevitel Halleyova kometa ) navrhl to, co je nyní známé jako teorie „duté Země“. V příspěvku předloženém do Filosofické transakce londýnské královské společnosti ,předložil myšlenku Země sestávající z dutého pláště o tloušťce asi 800 km (~500 mil).

Usoudil, že mezi touto a vnitřní koulí je vzduchová mezera o stejné vzdálenosti. Aby se vyhnul srážce, tvrdil, že vnitřní koule byla držena na místě gravitační silou. Model obsahoval dvě vnitřní soustředné skořápky kolem nejvnitřnějšího jádra, odpovídající průměrům planet Rtuť , Venuše , a březen resp.

Halleyův konstrukt byl metodou účtování hodnot relativní hustoty Země a Měsíce, které byly dány Sir Isaac Newton , v jeho Matematické principy přírodní filozofie (1687) – které se později ukázaly jako nepřesné. Jeho práce však přispěla k rozvoji geografie a teorií o nitru Země během 17. a 18. století.

Dalším důležitým faktorem byly debaty v průběhu 17. a 18. století o pravosti Bible a mýtu o potopě. To přimělo vědce a teology k debatě o skutečném stáří Země a přimělo hledat důkazy, že k velké potopě skutečně došlo. V kombinaci s fosilními důkazy, které byly nalezeny ve vrstvách Země, se začal objevovat systematický základ pro identifikaci a datování vrstev Země.

Rostoucí význam těžby v 17. a 18. století, zejména drahých kovů, vedl k dalšímu rozvoji geologie a věd o Zemi. Kredit: minerals.usgs.gov

Rozvoj moderních těžebních technik a rostoucí pozornost věnovaná významu nerostů a jejich přirozenému rozšíření přispěly také k urychlení rozvoje moderní geologie. V roce 1774 publikoval německý geolog Abraham Gottlob Werner Vnější známky zkamenělin (O vnějších vlastnostech minerálů)který představil podrobný systém pro identifikaci konkrétních minerálů na základě vnějších charakteristik.

V roce 1741, Národní přírodovědné muzeum ve Francii vytvořil první učitelské místo určené speciálně pro geologii. To byl důležitý krok k dalšímu prosazování znalostí geologie jako vědy a uznání hodnoty širokého šíření těchto znalostí. A do roku 1751, s vydáním Encyklopedie od Denise Diderota se pojem „geologie“ stal akceptovaným pojmem.

V 70. letech 18. století začala chemie hrát klíčovou roli v teoretickém základu geologie a začaly se objevovat teorie o tom, jak se formovaly vrstvy Země. Jedna populární myšlenka říkala, že tekutá záplava, jako biblická potopa, byla zodpovědná za vytvoření všech geologických vrstev. Ti, kteří přijali tuto teorii, se stali populární jako diluvianisté nebo neptunisté.

Od 80. let 18. století se pomalu prosazovala další teze, která uváděla, že místo vody se vrstvy vytvořily teplem (nebo ohněm). Ti, kteří následovali tuto teorii na počátku 19. století, označovali tento názor jako plutonismus, který tvrdil, že Země se formovala postupně prostřednictvím tuhnutí roztavených hmot pomalým tempem. Tyto teorie společně vedly k závěru, že Země byla nezměrně starší, než navrhuje Bible.

HMS Beagle na Galapágách, maloval John Chancellor. Kredit: hmsbeagleproject.otg

Na počátku 19. století podnítil těžařský průmysl a průmyslová revoluce rychlý rozvoj konceptu stratigrafického sloupce – že skalní útvary byly uspořádány podle pořadí jejich formování v čase. Současně geologové a přírodovědci začali chápat, že stáří zkamenělin lze určit geologicky (tj. že čím hlouběji byla vrstva, ve které byly nalezeny, od povrchu, tím byly starší).

Během císařského období 19. století měli evropští vědci možnost provádět výzkumy i ve vzdálených zemích. Jedním z takových jedinců byl Charles Darwin, kterého naverboval kapitán FitzRoy z HMSBeaglestudovat pobřežní země Jižní Ameriky a poskytovat geologické rady.

Darwinův objev obřích fosilií během plavby pomohl upevnit jeho pověst geologa a jeho teorie o příčinách jejich zániku vedla k jeho teorii evoluce přírodním výběrem, publikované v roce O původu druhů v roce 1859.

V průběhu 19. století vlády několika zemí včetně Kanady, Austrálie, Velké Británie a Spojených států začaly financovat geologické průzkumy, které by vytvořily geologické mapy rozsáhlých oblastí zemí. Mysleli si, že byli z velké části motivováni územními ambicemi a využíváním zdrojů, ale studium geologie prospělo.

Tektonické desky Země. Kredit: msnucleus.org

V té době vědecký konsenzus stanovil stáří Země v řádu milionů let a nárůst finančních prostředků a vývoj vylepšených metod a technologií pomohl geologii posunout se dále od dogmatických představ o stáří a struktuře Země.

Na počátku 20. století vývoj radiometrického datování (které se používá k určování stáří minerálů a hornin) poskytl data nezbytná k tomu, abychom začali získávat představu o skutečném stáří Země. Na přelomu století nyní geologové věřili, že Země je stará 2 miliardy let, což otevřelo dveře teoriím kontinentálního pohybu během tohoto obrovského množství času.

V roce 1912 navrhl Alfred Wegener teorii Kontinentální drift , který navrhl, že kontinenty byly spojeny dohromady v určité době v minulosti a vytvořily jedinou pevninu známou jako Pangea . V souladu s touto teorií tvary kontinentů a odpovídající geologie pobřeží mezi některými kontinenty naznačovaly, že byly kdysi spojeny dohromady.

Superkontinent Pangea v období permu (před 300 – 250 miliony let). Kredit: NAU Geology/Ron Blakey

Výzkum dna oceánu také vedl přímo k teorii Tektonika desek, který poskytl mechanismus pro Continental Drift. Geofyzikální důkazy naznačovaly laterální pohyb kontinentů a to, že oceánská kůra je mladší než kontinentální kůra. Tento geofyzikální důkaz také podnítil hypotézu paleomagnetismu, záznam orientace magnetického pole Země zaznamenaný v magnetických minerálech.

Poté došlo na počátku 20. století k rozvoji seismologie, studia zemětřesení a šíření elastických vln Zemí nebo jinými tělesy podobnými planetám. Měřením doby cesty lomených a odražených seismických vln byli vědci schopni postupně odvodit, jak je Země vrstvená a co leží hlouběji v jejím jádru.

Například v roce 1910 Harry Fielding Ried předložil „teorii elastického odskoku“ založenou na svých studiích zemětřesení v San Franciscu v roce 1906. Tato teorie, která tvrdila, že k zemětřesení dochází, když se nahromaděná energie uvolňuje podél zlomové linie, byla prvním vědeckým vysvětlením, proč k zemětřesení dochází, a zůstává základem pro moderní tektonické studie.

Země pozorovaná z Měsíce kosmickou lodí Apollo 11. Kredit: NASA

Poté v roce 1926 anglický vědec Harold Jeffreys na základě své studie zemětřesných vln tvrdil, že pod kůrou je jádro Země tekuté. A pak v roce 1937 šel dánský seismolog Inge Lehmann o krok dále a zjistil, že uvnitř tekutého vnějšího jádra Země je pevná látka.vnitřníjádro.

Ve druhé polovině 20. století vědci vyvinuli komplexní teorii struktury a dynamiky Země, která se vytvořila. V průběhu století se perspektivy posunuly k integrativnějšímu přístupu, kdy geologie a vědy o Zemi začaly zahrnovat studium vnitřní struktury Země, atmosféry, biosféry a hydrosféry do jednoho.

Tomu napomohl vývoj kosmického letu, který umožnil podrobné studium zemské atmosféry a také fotografie Země z vesmíru. V roce 1972, Program Landsat , série satelitních misí společně řízených NASA a US Geological Survey , začala dodávat satelitní snímky, které poskytovaly geologicky podrobné mapy a byly použity k předpovídání přírodních katastrof a posunů desek.

Vrstvy Země:

Zemi lze rozdělit jedním ze dvou způsobů – mechanicky nebo chemicky. Mechanicky – nebo reologicky, což znamená studium kapalných skupenství – ji lze rozdělit na litosféru, astenosféru, mezosférický plášť, vnější jádro a vnitřní jádro. Ale chemicky, což je oblíbenější z těchto dvou, lze rozdělit na kůra , plášť (které lze rozdělit na horní a spodní plášť) a jádro – které lze také rozdělit na vnější jádro , a vnitřní jádro .

Vnitřní jádro je pevné, vnější jádro je tekuté a plášť je pevný/plastový. To je způsobeno relativními teplotami tání různých vrstev (nikl-železné jádro, silikátová kůra a plášť) a zvýšením teploty a tlaku s rostoucí hloubkou. Na povrchu jsou slitiny niklu a železa a silikáty dostatečně chladné, aby byly pevné. V horním plášti jsou silikáty obecně pevné, ale existují lokalizované oblasti taveniny, což vede k omezené viskozitě.

Naproti tomu spodní plášť je pod obrovským tlakem, a proto má nižší viskozitu než horní plášť. Kovové nikl-železné vnější jádro je tekuté kvůli vysoké teplotě. Intenzivní tlak, který se zvyšuje směrem k vnitřnímu jádru, však dramaticky mění bod tání niklu a železa, čímž se stává pevným.

Rozdíl mezi těmito vrstvami je způsoben procesy, které probíhaly během raných fází formování Země (asi před 4,5 miliardami let). V tomto okamžiku by tání způsobilo, že by hustší látky klesaly směrem ke středu, zatímco materiály s nižší hustotou by migrovaly do kůry. Předpokládá se tedy, že jádro je z velké části složeno ze železa spolu s niklem a některými lehčími prvky, zatímco méně husté prvky migrovaly na povrch spolu se silikátovou horninou.

Zemská kůra:

Kůra je nejvzdálenější vrstva planety, ochlazená a zpevněná část Země, která se pohybuje v hloubce přibližně 5-70 km (~3-44 mil). Tato vrstva tvoří pouze 1 % celkového objemu Země, i když tvoří celý povrch (kontinenty a dno oceánu).

Vrstvy (vrstvy) Země zobrazené v měřítku. Kredit: pubs.usgs.gov

Tenčí části jsou oceánská kůra, která leží pod oceánskými pánvemi v hloubce 5-10 km (~3-6 mil), zatímco silnější kůra je kontinentální kůra. Zatímco oceánská kůra je složena z hustého materiálu, jako jsou vyvřelé horniny křemičitanu železa a hořčíku (jako čedič), kontinentální kůra je méně hustá a skládá se z hornin křemičitanu sodno-draselného a hlinitého, jako je žula.

Nejvyšší část pláště (viz níže) spolu s kůrou tvoří litosféru – nepravidelnou vrstvu o maximální tloušťce asi 200 km (120 mi). Mnoho hornin, které nyní tvoří zemskou kůru, tvořilo méně než 100 milionů (1×10⁸) před lety. Nejstarší známá minerální zrna jsou však 4,4 miliardy (4,4 × 10⁹) let, což naznačuje, že Země měla alespoň tak dlouho pevnou kůru.

Horní plášť:

Plášť, který tvoří asi 84 % objemu Země, je převážně pevný, ale v geologickém čase se chová jako velmi viskózní tekutina. Horní plášť, který začíná na „ Mohorovicic Discontinuity “ (také znám jako „Moho“ – základ kůry) sahá od hloubky 7 až 35 km (4,3 až 21,7 mi) dolů do hloubky 410 km (250 mi). Nejsvrchnější plášť a překrývající se kůra tvoří litosféru, která je nahoře poměrně tuhá, ale pod ní se stává znatelně plastičtější.

Ve srovnání s jinými vrstvami je o svrchním plášti mnoho známo díky seismickým studiím a přímým průzkumům pomocí mineralogických a geologických průzkumů. Pohyb v plášti (tj. konvekce) je vyjádřen na povrchu prostřednictvím pohybů tektonických desek. Tento proces, poháněný teplem z hlouběji ve vnitrozemí, je zodpovědný za kontinentální drift, zemětřesení, tvorbu horských řetězců a řadu dalších geologických procesů.

Počítačová simulace zemského pole v období normální polarity mezi přepólováním. Kredit: science.nasa.gov

Plášť je také chemicky odlišný od kůry, kromě toho, že je odlišný z hlediska typů hornin a seismických charakteristik. To je z velké části způsobeno tím, že kůra je tvořena ztuhlými produkty pocházejícími z pláště, kde je materiál pláště částečně roztavený a viskózní. To způsobí, že se nekompatibilní prvky oddělí od pláště, přičemž méně hustý materiál se vznáší nahoru a tuhne na povrchu.

Je známo, že krystalizované produkty taveniny blízko povrchu, na kterém žijeme, mají nižší poměr hořčíku k železu a vyšší podíl křemíku a hliníku. Tyto změny v mineralogii mohou ovlivnit konvekci pláště, protože mají za následek změny hustoty a také mohou absorbovat nebo uvolňovat latentní teplo.

V horním plášti se teploty pohybují mezi 500 až 900 °C (932 až 1652 °F). Mezi horním a spodním pláštěm je také to, co je známé jako přechodová zóna, která se pohybuje v hloubce 410–660 km (250–410 mil).

Spodní plášť:

Spodní plášť leží v hloubce mezi 660-2891 km (410-1796 mil). Teploty v této oblasti planety mohou na hranici s jádrem dosáhnout více než 4 000 °C (7 230 °F), což výrazně překračuje body tání plášťových hornin. Vzhledem k obrovskému tlaku vyvíjenému na plášť jsou však viskozita a tavení ve srovnání s horním pláštěm velmi omezené. O spodním plášti je známo jen velmi málo, kromě toho, že se zdá být relativně seismicky homogenní.

Vnitřní struktura Země. Kredit: Wikipedia Commons/Kelvinsong

Vnější jádro:

Vnější jádro, u kterého bylo potvrzeno, že je kapalné (na základě seismických průzkumů), má tloušťku 2300 km a zasahuje do poloměru ~3400 km. V této oblasti se odhaduje, že hustota je mnohem vyšší než u pláště nebo kůry, pohybuje se mezi 9 900 a 12 200 kg/m³. Předpokládá se, že vnější jádro se skládá z 80 % železa spolu s niklem a některými dalšími lehčími prvky.

Hustší prvky, jako je olovo a uran, jsou buď příliš vzácné na to, aby byly významné, nebo mají tendenci se vázat na lehčí prvky, a tak zůstávají v kůře. Vnější jádro není pod dostatečným tlakem, aby bylo pevné, takže je kapalné, i když má složení podobné složení vnitřního jádra. Teplota vnějšího jádra se pohybuje od 4 300 K (4 030 ° C; 7 280 ° F) ve vnějších oblastech do 6 000 K (5 730 ° C; 10 340 ° F) nejblíže vnitřnímu jádru.

Kvůli své vysoké teplotě existuje vnější jádro v tekutém stavu s nízkou viskozitou, který podléhá turbulentní konvekci a rotuje rychleji než zbytek planety. To způsobuje, že se v tekutém jádru tvoří vířivé proudy, což zase vytváří dynamo efekt, o kterém se předpokládá, že ovlivňuje magnetické pole Země. Průměrná síla magnetického pole ve vnějším zemském jádru se odhaduje na 25 Gaussů (2,5 mT), což je 50násobek síly magnetického pole naměřeného na zemském povrchu.

Vnitřní jádro:

Stejně jako vnější jádro je i vnitřní jádro složeno převážně ze železa a niklu a má poloměr ~1 220 km. Hustota v jádru se pohybuje mezi 12 600-13 000 kg/m³, což naznačuje, že tam musí být také velké množství těžkých prvků – jako je zlato, platina, palladium, stříbro a wolfram.

Umělcova ilustrace zemského jádra, vnitřního jádra a vnitřního vnitřního jádra. Kredit: Huff Post Science

Teplota vnitřního jádra se odhaduje na přibližně 5 700 K (~ 5 400 ° C; 9 800 ° F). Jediný důvod, proč mohou být železo a další těžké kovy pevné při tak vysokých teplotách, je ten, že jejich teploty tání se dramaticky zvyšují při tlacích, které jsou tam přítomné, což se pohybuje v rozmezí od asi 330 do 360 gigapascalů.

Protože vnitřní jádro není pevně spojeno s pevným zemským pláštěm, byla dlouho zvažována možnost, že se otáčí o něco rychleji nebo pomaleji než zbytek Země. Pozorováním změn seismických vln, jak procházely jádrem v průběhu mnoha desetiletí, vědci odhadují, že vnitřní jádro rotuje rychlostí o jeden stupeň rychleji než povrch. Více nedávné geofyzikální odhady umístěte rychlost rotace mezi 0,3 až 0,5 stupně za rok vzhledem k povrchu.

Nedávné objevy také naznačují, že samotné pevné vnitřní jádro se skládá z vrstev, oddělených přechodovou zónou o tloušťce asi 250 až 400 km. Tento nový pohled na vnitřní jádro, které obsahuje vnitřní-vnitřní jádro , předpokládá, že nejvnitřnější vrstva jádra měří v průměru 1 180 km (733 mil), což je méně než polovina velikosti vnitřního jádra. Dále se spekulovalo, že zatímco jádro je složeno ze železa, může mít jinou krystalickou strukturu než zbytek vnitřního jádra.

Nedávné studie navíc vedly geology k domněnce, že dynamika hlubokého nitra pohání vnitřní jádro Země k expanzi rychlostí asi 1 milimetr za rok. K tomu dochází většinou proto, že vnitřní jádro nedokáže rozpustit stejné množství lehkých prvků jako vnější jádro.

Zmrazením tekutého železa do krystalické formy na vnitřní hranici jádra vzniká zbytková kapalina, která obsahuje více lehkých prvků než nadložní kapalina. To je zase věřil, že způsobí, že kapalné prvky, aby se staly plovoucí, což pomáhá řídit konvekci ve vnějším jádru. Tento růst proto pravděpodobně bude hrát důležitou roli při vytváření magnetického pole Země působením dynama v kapalném vnějším jádru. Znamená to také, že vnitřní jádro Země a procesy, které jej pohánějí, jsou mnohem složitější, než se dříve myslelo!

Ano, skutečně, Země je zvláštní a záhadné místo, titánské co do měřítka, stejně jako množství tepla a energie, které byly použity k jejímu vytvoření před mnoha miliardami let. A jako všechna tělesa v našem vesmíru, Země není hotový produkt, ale dynamická entita, která podléhá neustálým změnám. A to, co víme o našem světě, je stále předmětem teorie a dohadů, protože nemůžeme zkoumat jeho vnitřek zblízka.

Jak se zemské tektonické desky stále unášejí a srážejí, její vnitřek nadále prochází konvekcí a její jádro stále roste, kdo ví, jak to bude od nynějška vypadat jako věky? Koneckonců, Země tu byla dávno předtím, než jsme byli my, a pravděpodobně tu bude i dlouho poté, co budeme pryč.

Napsali jsme mnoho článků o Země pro Universe Today. Zde jsou některé Zajímavá fakta o Zemi a tady je jeden o tom Vnitřní vnitřní jádro Země , a další o tom, jak minerály zastavit přenos tepla v jádru .

Chcete více zdrojů na Zemi? Zde je odkaz na Stránka Human Spaceflight společnosti NASA , a tady je Viditelná Země NASA .

Pokud chcete více informací o Zemi, podívejte se Průvodce NASA pro průzkum sluneční soustavy na Zemi . A zde je odkaz na Observatoř Země NASA .

Nahráli jsme také epizodu Astronomy Cast o Zemi. Poslouchej tady, Epizoda 51: Země .