Struktura Ziemi

Struktura Ziemi to fascynujący i złożony układ warstw tworzących wnętrze naszej planety. Zrozumienie tej struktury ma kluczowe znaczenie dla geologów i naukowców, ponieważ zapewnia wgląd w skład, zachowanie i procesy Ziemi, które kształtują naszą planetę. Wiedza ta jest również niezbędna w różnych dziedzinach, w tym w geologii, sejsmologii i tektonika płyt, ponieważ pomaga wyjaśnić zjawiska naturalne, takie jak trzęsienia ziemi, wulkanyoraz powstawanie kontynentów i basenów oceanicznych.

Wnętrze Ziemi: skorupa, płaszcz i rdzeń

Wnętrze Ziemi można podzielić na trzy główne warstwy: skorupę, płaszcz i jądro. Warstwy te mają różne właściwości i skład, które odgrywają znaczącą rolę w kształtowaniu geologii i zachowania naszej planety.

1. Skorupa:
   • Skorupa ziemska jest najbardziej zewnętrzną warstwą, z którą mamy bezpośredni kontakt. Ma różną grubość, przy czym skorupa oceaniczna jest cieńsza (około 4-7 mil lub 6-11 kilometrów), a skorupa kontynentalna jest grubsza (średnio około 19 mil lub 30 kilometrów).
   • Skorupa składa się głównie z litej skały, przy czym w regionach kontynentalnych i oceanicznych dominują różne rodzaje skał. Skorupa kontynentalna składa się głównie z granitu skały, podczas gdy skorupa oceaniczna składa się głównie ze skał bazaltowych.
   • Skorupa ziemska to miejsce, w którym znajdujemy skorupę ziemską formy terenutakie jak góry, doliny i równiny, a także dno oceanu.
2. Płaszcz:
   • Płaszcz znajduje się pod skorupą ziemską i rozciąga się na głębokość około 1,800 kilometrów. Jest to najgrubsza warstwa Ziemi.
   • Płaszcz składa się z litej skały, głównie krzemianu minerały. Chociaż jest solidny, płaszcz zachowuje się jak bardzo lepki lub plastyczny materiał w geologicznych skalach czasu. Ta właściwość pozwala na powolny przepływ płaszcza, co prowadzi do ruchu płyt tektonicznych i związanych z tym ruchów zjawiska geologiczne jak trzęsienia ziemi i wulkany.
   • Ciepło wytwarzane we wnętrzu Ziemi i rozpad pierwiastków radioaktywnych przyczyniają się do wysokich temperatur wewnątrz płaszcza.
3. rdzeń:
   • Jądro Ziemi dzieli się na dwie części: jądro zewnętrzne i jądro wewnętrzne.
   • Zewnętrzny rdzeń:
     • Zewnętrzne jądro znajduje się pod płaszczem i zaczyna się na głębokości około 1,800 kilometrów i sięga do około 2,900 kilometrów pod powierzchnią.
     • Składa się głównie ze stopionego żelazo i nikiel. Wysokie temperatury i ciśnienia w zewnętrznym rdzeniu utrzymują te materiały w stanie ciekłym.
     • Ruch roztopionego żelaza w jądrze zewnętrznym jest odpowiedzialny za wytwarzanie ziemskiego pola magnetycznego w procesie geodynamo.
   • Rdzeń wewnętrzny:
     • Jądro wewnętrzne znajduje się w samym środku Ziemi, zaczynając od głębokości około 3,500 kilometrów.
     • Składa się głównie ze stałego żelaza i niklu. Pomimo niezwykle wysokich temperatur na tej głębokości, jądro wewnętrzne pozostaje stałe dzięki ogromnemu ciśnieniu.
     • Stała natura jądra wewnętrznego jest ważna dla zrozumienia wewnętrznej dynamiki Ziemi, w tym sposobu fale sejsmiczne przejść przez to.

Struktura Ziemi i interakcje między tymi warstwami są odpowiedzialne za różne zjawiska geologiczne, w tym trzęsienia ziemi, erupcje wulkanów i ruch płyt tektonicznych. Znajomość budowy wnętrza Ziemi jest kluczowa dla zrozumienia i przewidywania tych naturalnych zdarzeń, a także dla poznania historii i geologii planety.

Co powinieneś wiedzieć o wnętrzu Ziemi?

• Nie jest możliwe poznanie wnętrza Ziemi poprzez bezpośrednie obserwacje ze względu na ogromne rozmiary i zmienny charakter jej wnętrza.
• Dotarcie człowieka do środka Ziemi jest prawie niemożliwe (promień Ziemi wynosi 6,370 km).
• Dzięki operacjom wydobywczym i wiertniczym byliśmy w stanie bezpośrednio obserwować wnętrze Ziemi jedynie do głębokości kilku kilometrów.
• Gwałtowny wzrost temperatury pod powierzchnią Ziemi jest w głównej mierze odpowiedzialny za ograniczenie bezpośrednich obserwacji wewnątrz Ziemi.
• Mimo to, dzięki pewnym bezpośrednim i pośrednim źródłom, naukowcy mają pewne pojęcie o tym, jak wygląda wnętrze Ziemi.

Źródła informacji o wnętrzu Ziemi

Źródła bezpośrednie:

1. Skały z terenu górnictwa
2. Erupcje wulkaniczne

Źródła pośrednie

1. Analizując szybkość zmian temperatury i ciśnienia od powierzchni do wnętrza.
2. Meteory, ponieważ należą do tego samego rodzaju materiałów, z których zbudowana jest ziemia.
3. Grawitacja, która jest większa w pobliżu biegunów i mniejsza na równiku.
4. Anomalia grawitacyjna, czyli zmiana wartości grawitacji w zależności od masy materiału, dostarcza nam informacji o materiałach we wnętrzu Ziemi.
5. Źródła magnetyczne.
6. Fale sejsmiczne: strefy cienia fal ciała (fale pierwotne i wtórne) dostarczają nam informacji o stanie materiałów we wnętrzu.

Budowa wnętrza Ziemi

Struktura wnętrza Ziemi zasadniczo dzieli się na trzy warstwy – skorupa, płaszcz i rdzeń.

Skorupa

• Jest to najbardziej zewnętrzna, stała część Ziemi, zwykle o grubości około 8-40 km.
• Ma charakter kruchy.
• Prawie 1% objętości Ziemi i 0.5% masy Ziemi składa się ze skorupy ziemskiej.
• Grubość skorupy pod obszarami oceanicznymi i kontynentalnymi jest różna. Skorupa oceaniczna jest cieńsza (około 5 km) w porównaniu ze skorupą kontynentalną (około 30 km).
• Głównymi elementami skorupy są krzemionka (Si) i aluminium (Al), dlatego często określa się ją jako SIAL (Czasami SIAL jest używany w odniesieniu do litosfery, która jest obszarem obejmującym również skorupę i najwyższy płaszcz stały).
• Średnia gęstość materiałów skorupy wynosi 3 g/cm3.
• Brak ciągłości pomiędzy hydrosfera i skorupa jest określany jako Nieciągłość Conrada.

Płaszcz

• Część wnętrza poza skorupą nazywana jest płaszczem.
• Brak ciągłości pomiędzy skorupa i płaszcz nazywa się Nieciągłość Mohorowicza lub nieciągłość Moho.
• Płaszcz ma grubość około 2900 km.
• Prawie 84% objętości Ziemi i 67% jej masy zajmuje płaszcz.
• Głównymi elementami płaszcza są krzem i magnez, dlatego jest on również określany jako SIMA.
• Gęstość warstwy jest większa niż skorupy i waha się w granicach 3.3 – 5.4 g/cm3.
• Najwyższa stała część płaszcza i cała skorupa stanowią Litosfera.
• Połączenia astenosfera (w odległości od 80 do 200 km) to bardzo lepki, słaby mechanicznie i plastyczny, odkształcający się obszar górnego płaszcza, który leży tuż pod litosferą.
• Głównym źródłem magmy jest astenosfera i warstwa, po której poruszają się płyty litosfery/kontynentalne (tektonika płyt).

• Brak ciągłości pomiędzy płaszcz górny i płaszcz dolny jest znany jako Nieciągłość powtórzeń.
• Część płaszcza znajdująca się tuż pod litosferą i astenosferą, ale nad jądrem, nazywana jest Mezosfera.

rdzeń

• Jest to najbardziej wewnętrzna warstwa otaczająca centrum Ziemi.
• Połączenia rdzeń jest oddzielony od płaszcza nieciągłością Guttenberga.
• Składa się głównie z żelaza (Fe) i niklu (Ni), dlatego nazywany jest również tzw NIFE.
• Jądro stanowi prawie 15% objętości Ziemi i 32.5% masy Ziemi.
• Jądro jest najgęstszą warstwą Ziemi, a jego gęstość waha się w granicach 9.5-14.5 g/cm3.
• Rdzeń składa się z dwóch podwarstw: rdzenia wewnętrznego i rdzenia zewnętrznego.
• Rdzeń wewnętrzny jest w stanie stałym, a rdzeń zewnętrzny jest w stanie ciekłym (lub półpłynnym).
• Nieciągłość pomiędzy górnym i dolnym rdzeniem nazywana jest tzw Nieciągłość Lehmanna.
• Barysfera jest czasami używany w odniesieniu do jądra ziemi, a czasem do całego wnętrza.

Skład Ziemi

Główne pierwiastki i minerały w składzie Ziemi:

1. Tlen (O): Tlen jest najobficiej występującym pierwiastkiem w składzie Ziemi, stanowiącym około 46.6% masy skorupy ziemskiej. Jest kluczowym składnikiem minerałów i związków, takich jak krzemiany i tlenki.
2. Krzem (Si): Krzem jest drugim najpowszechniejszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, stanowiącym około 27.7% jej składu. Jest kluczowym składnikiem różnych minerałów krzemianowych, które są głównymi elementami budulcowymi skorupy ziemskiej.
3. Aluminium (Glin): Aluminium stanowi około 8.1% skorupy ziemskiej. Często występuje w minerałach takich jak skaleń, boksyti różne krzemiany.
4. Żelazo (Fe): Żelazo to kolejny istotny pierwiastek w składzie Ziemi, stanowiący około 5% skorupy ziemskiej. Występuje w różnych minerałach, m.in krwawień i magnetyt.
5. Wapń (Ca): Wapń stanowi około 3.6% skorupy ziemskiej i powszechnie występuje w minerałach takich jak kalcyt i gips.
6. Sód (Na) i potas (K): Sód i potas łącznie stanowią około 2.8% skorupy ziemskiej. Pierwiastki te zwykle znajdują się w minerałach, takich jak skaleń.
7. Magnez (Mg): Magnez stanowi około 2.1% skorupy ziemskiej i występuje w minerałach takich jak oliwin i serpentynowy.
8. Tytan (Ti): Tytan stanowi około 0.57% skorupy ziemskiej i występuje w minerałach takich jak ilmenit i rutyl.
9. Wodór (H): Chociaż wodór nie jest głównym składnikiem skorupy ziemskiej, jest istotnym elementem w ogólnym składzie Ziemi, głównie w postaci wody (H2O).
10. Inne elementy: Różne inne elementy, m.in siarka, węgiel, fosfor i wiele pierwiastków śladowych występują w mniejszych ilościach w składzie Ziemi.

Rozmieszczenie pierwiastków w warstwach Ziemi:

1. Skorupa: Skorupa ziemska składa się głównie z minerałów krzemianowych, m.in kwarc, skaleń, małyi różne rodzaje skał. Krzem i tlen to pierwiastki występujące w skorupie najczęściej, tworzące szkielet tych minerałów.
2. Płaszcz: Płaszcz składa się głównie z minerałów krzemianowych, z dominującymi pierwiastkami: żelazem i magnezem. Oliwin, pirokseny i granat to minerały powszechnie występujące w płaszczu.
3. Rdzeń zewnętrzny: Zewnętrzny rdzeń składa się głównie z ciekłego żelaza i niklu. Warstwa ta odpowiada za wytwarzanie ziemskiego pola magnetycznego, w którym dominującym pierwiastkiem jest żelazo.
4. Rdzeń wewnętrzny: Wewnętrzny rdzeń składa się z litego żelaza i niklu. Pomimo ekstremalnie wysokich temperatur, intensywne ciśnienie utrzymuje te elementy w stanie stałym.

Rozmieszczenie pierwiastków w warstwach Ziemi jest wynikiem różnicowania i oddzielania materiałów we wczesnej historii Ziemi. Warstwowa struktura Ziemi jest konsekwencją procesów fizycznych i chemicznych zachodzących na przestrzeni miliardów lat, w tym akrecji planet, różnicowania i aktywności geologicznej.

Temperatura, ciśnienie i gęstość wnętrza Ziemi

Temperatura

• W kopalniach i studniach głębinowych obserwuje się wzrost temperatury wraz ze wzrostem głębokości.
• Dowody te, wraz z roztopioną lawą wytrysniętą z wnętrza Ziemi, potwierdzają, że temperatura wzrasta w kierunku środka Ziemi.
• Różne obserwacje pokazują, że tempo wzrostu temperatury nie jest równomierne od powierzchni do środka Ziemi. W niektórych miejscach jest szybciej, w innych wolniej.
• Na początku tempo wzrostu temperatury wynosi średnio 1°C na każde 32 m głębokości.
• Podczas gdy na górnych 100 km temperatura rośnie w tempie 12°C na km, a na kolejnych 300 km wynosi 20°C na km. Jednak schodząc głębiej, wskaźnik ten spada do zaledwie 10°C na km.
• Zakłada się zatem, że tempo wzrostu temperatury pod powierzchnią maleje w kierunku centrum (nie mylić szybkości wzrostu temperatury ze wzrostem temperatury. Temperatura zawsze rośnie od powierzchni Ziemi w kierunku środka).
• Szacuje się, że temperatura w centrum mieści się w przedziale od 3000 do 5000°C i może być znacznie wyższa ze względu na reakcje chemiczne zachodzące w warunkach wysokiego ciśnienia.
• Nawet w tak wysokiej temperaturze materiały w środku Ziemi pozostają w stanie stałym ze względu na duże ciśnienie wywierane przez znajdujące się nad nimi materiały.

Nacisk

• Podobnie jak temperatura ciśnienie również rośnie od powierzchni w kierunku środka na Ziemi.
• Dzieje się tak z powodu ogromnego ciężaru materiałów leżących na wierzchu, takich jak skały.
• Szacuje się, że w głębszych partiach ciśnienie jest niezwykle wysokie i będzie prawie 3 do 4 milionów razy wyższe niż ciśnienie atmosfery na poziomie morza.
• W wysokiej temperaturze materiały znajdujące się pod spodem topią się w kierunku środkowej części ziemi, ale pod wpływem dużego ciśnienia te stopione materiały uzyskują właściwości ciała stałego i prawdopodobnie są w stanie plastycznym.

Gęstość

• Ze względu na wzrost ciśnienia i obecność cięższych materiałów, takich jak nikiel i żelazo, w kierunku środka, gęstość warstw ziemi również rośnie w kierunku środka.
• Średnia gęstość warstw rośnie od skorupy do jądra i w samym środku wynosi prawie 14.5 g/cm3.

Pole magnetyczne Ziemi

Ziemskie pole magnetyczne jest kluczową i złożoną cechą otaczającą naszą planetę. Odgrywa znaczącą rolę w naszym codziennym życiu i spełnia kilka ważnych funkcji. Oto przegląd pola magnetycznego Ziemi:

1. Wytwarzanie ziemskiego pola magnetycznego:

• Ziemskie pole magnetyczne powstaje głównie w wyniku ruchu stopionego żelaza i niklu w zewnętrznym jądrze planety. Proces ten nazywany jest geodynamem.
• Geodynamo napędzane jest ciepłem wytwarzanym w wyniku rozpadu izotopów promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi i chłodzenia jądra.

2. Polaryzacja magnetyczna:

• Ziemskie pole magnetyczne ma północny i południowy biegun magnetyczny, podobnie jak magnes sztabkowy. Jednakże te bieguny magnetyczne nie pokrywają się z geograficznymi biegunami północnym i południowym.
• Położenia i orientacje biegunów magnetycznych Ziemi mogą zmieniać się w czasie geologicznym, a te odwrócenia biegunowości są rejestrowane w skałach jako „paski magnetyczne”.

3. Składniki pola magnetycznego:

• Ziemskie pole magnetyczne charakteryzuje się siłą, nachyleniem i deklinacją.
• Siła magnetyczna: Reprezentuje intensywność pola magnetycznego w określonym miejscu na powierzchni Ziemi.
• Nachylenie: Odnosi się do kąta, pod jakim linie pola magnetycznego przecinają powierzchnię Ziemi, wahającego się od niemal pionowego na biegunach magnetycznych do poziomego na równiku.
• Deklinacja: Jest to kąt pomiędzy północą rzeczywistą (północ geograficzną) a północą magnetyczną.

4. Funkcja i znaczenie pola magnetycznego:

• Ziemskie pole magnetyczne ma kilka ważnych funkcji i korzyści:
  • Służy jako tarcza ochronna, odbijająca szkodliwe naładowane cząstki ze Słońca, takie jak wiatr słoneczny i promienie kosmiczne. Tarcza ta znana jest jako magnetosfera i pomaga chronić atmosferę i życie na Ziemi.
  • Umożliwia nawigację i orientację zwierzętom wędrownym, w tym ptakom i żółwiom morskim, które wykorzystują pole magnetyczne jako kompas.
  • Kompasy wykorzystują ziemskie pole magnetyczne do nawigacji i orientacji.
  • Pole magnetyczne wykorzystuje się w różnych badaniach naukowych i geologicznych, w tym w paleomagnetyzmie (badaniach starożytnych pól magnetycznych zarejestrowanych w skałach), aby zrozumieć historię Ziemi i ruch płyt tektonicznych.
  • Pole magnetyczne jest niezbędne dla nowoczesnych technologii, w tym rezonansu magnetycznego (MRI) w medycynie i różnych zastosowań w badaniach geofizycznych.

5. Zmiany pola magnetycznego Ziemi:

• Pole magnetyczne Ziemi nie jest stałe i może ulegać zmianom w czasie, w tym zmianom sekularnym (zmiany stopniowe) i odwróceniom geomagnetycznym (odwrócenie polaryzacji magnetycznej).
• Naukowcy monitorują te zmiany, a ostatnie obserwacje wykazały, że magnetyczny biegun północny przesuwa się w szybszym tempie niż w przeszłości.

Zrozumienie ziemskiego pola magnetycznego jest niezbędne z różnych powodów naukowych, technologicznych i środowiskowych. Jest integralną częścią geologii planety i odgrywa istotną rolę w utrzymaniu warunków niezbędnych do życia na Ziemi.

Referencje

Jijo Sudarsan ,Wnętrze Ziemi: skorupa, płaszcz i rdzeń (2018),https://www.clearias.com/interior-of-the-earth/