Amit a Föld mélye rejt - 1. cikk

1.

Földünk jelenlegi arculatát egy hosszú, közel 4,7 milliárd éves fejlődési folyamat során nyerte el. Bolygónk ezalatt az emberi léptékkel szinte felfoghatatlanul hosszúnak tűnő idő alatt folyamatosan változott, felszínén óceánok és hegyek születtek, majd tűntek el szinte nyomtalanul. A ma ismert magas hegységek és tengerek a földtörténet egyik legifjabb szereplői, csupán néhány millió évvel ezelőtt születtek, igazi „tinédzserek” és mint minden kamasz, ők is folyamatosan átalakulnak. Ezek a változások már az ember számára is érzékelhetőek, gondoljunk csak a vulkánkitörésekre vagy a mélyből kipattanó földrengésekre. Ráadásul napjainkban a modern technika segítségével az előbbieknél jóval szofisztikáltabb változások is nyomon követhetőek, a tudósok már képesek nyomon követni az évenként csupán néhány millimétert emelkedő hegyek növekedését is.

Ezek a kisebb-nagyobb események mind-mind bizonyítékai Földünk szüntelen változásának, átalakulásának. Feltehetjük tehát a kérdést: mi hajtja ezt az „örökmozgó” bolygót? Honnan származik ez a hatalmas belső erő? Vajon az ember számára hasznosítható ez az energia? Két részből álló cikksorozatunk ezekre a kérdésekre keresi a választ, tartson hát velünk.

Annak érdekében, hogy megérthessük bolygónk működését, fontos megismerünk annak belső szerkezetét.

A természettudományok iránt érdeklődő olvasó számára biztosan ismerősek az atmoszféra és a hidroszféra fogalmak. Előbbi a bolygó felszínét körülvevő légkört, utóbbi pedig a Földön fellelhető különböző halmazállapotú vizek összességét foglalja magában. E két fogalmat most kiegészítjük egy harmadikkal, a geoszférával, amely a Föld szilárd és olvadt kőzetekből álló külső részét jelöli. A Föld belső szerkezetének jellemzésére is ez az öves koncepció a legalkalmasabb. Bolygónk belső öves felosztásának az alapja a fizikai tulajdonságok változása.

Ahogyan Jules Verne főhősei is tették az Utazás a Föld középpontja felé c. regényben, úgy mi is haladjunk fentről lefelé és vizsgáljuk meg, milyen nagyobb övekre bontható a Föld belseje.

A litoszféra bolygónk legkülső, szilárd kőzetekből álló burka, melynek vastagsága 70 és 200 km között változik. A litoszféra felső részét kéregnek nevezzük, vastagsága a kontinensek esetében 30 – 60 km, de az óceánok alatt elvékonyodik, vastagsága lecsökkenhet akár 5000 méter alá is. A litoszféra mélyebb részein, amit felsőköpenynek is nevezünk, a hőmérséklet meghaladhatja az 1000 °C-t is. A bolygónkról szerzett földtani információk jelentős része a kéreg geológiai felépítésének immáron több évszázada tartó vizsgálatából származik. Éppen ezért erről a térrészről van a legtöbb és legrészletesebb közvetlen információink.

A kéreg felső pár kilométeres szakasza különösen izgalmas az emberiség számára, hiszen itt található minden fontosabb folyékony és szilárd ásványi nyersanyag. Hogy mi mindent rejt magában a földkéreg felső 1-2 kilométeres szakasza, azt megtudhatja cikksorozatunk következő részéből.

Tovább haladva a Föld középpontja felé, átérünk az asztenoszférába, ahol a hőmérséklet hatására az egyébként még szilárd halmazállapotú kőzetek plasztikusan viselkednek.

Ennek szemléltetésére jó példa a gyurma, amit ha beteszünk a hűtőbe, megkeményedik és könnyedén apró darabokra törhetjük, viszont ha gyúrni kezdjük, kezünk melegétől egyre puhább és képlékenyebb lesz.

Az asztenoszféra vastagsága változó, átlagban 150 km, a hőmérséklete pedig elérheti az 1500 °C-t is. Ilyen mélyre nemhogy ember, de még kutatófúrás sem jutott el, ezért a Földünknek ezen mélységéből már csak közvetett információink vannak. Ilyen információkat szolgáltatnak például a földrengéshullámok, amelyek úgy szelik át a bolygó belsejét, mint ahogy az ultrahangos vizsgálatok során a hangsugarak az emberi testet. A litoszférából kipattanó földrengéshullámok egy része elindul a Föld középpontja felé és a változó sűrűségű közegekben elnyelődig, vagy a határfelületekről visszapattan. A visszapattanó hullámokat a felszíni geofizikai obszervatóriumok detektálják, a jelet feldolgozva pedig kiszámítható a különböző határfelületek mélysége.

Tudta? A legmélyebb szárazföldi kutatófúrás 12 261 méteres mélységig jutott le. A Koala-félszigeten mélyített fúrás közel 20 évig tartott, de végül így sem érte el a tervezett 15 kilométeres mélységet. A kutatás célja a kéreg és köpeny határának elérése volt, de végül a projekt kudarcba fulladt. A fúróberendezés nem bírta a vártnál jóval nagyobb hőmérsékletet, így végül 1989-ben leállították.

A mezoszféra avagy a köpeny alsó része nagyjából 350 kilométeres mélységben kezdődik és 2900 kilométerig tart. A földrengéshullámok azt mutatják, hogy ebben a mélységben a több ezer Celsius fokos hőmérséklet ellenére a kőzetek szilárdan viselkednek. A tudósok szerint ez a hatalmas nyomásnak köszönhető, mivel ilyen mélyen a nyomásnak van uralkodó szerepe a hőmérséklettel szemben.

A Föld magja is két részre osztható: a külső mag folyékony fémből áll, míg a vas-nikkel anyagú belső mag az elképesztően magas, több mint 1,4 millió megapascal nyomásnak köszönhetően még közel 4000 °C hőmérsékleten sem olvad meg. A folyékony külső magban végbemenő áramlásoknak köszönhetően alakul ki a Föld mágneses tere, amely a dinamó működési elvéhez hasonlóan gerjesztődik.

Belső erők

Láthatjuk tehát, hogy a több száz kilométer vastagságú kőzet a bolygó belsejében milyen irtózatosan magas nyomásviszonyokat eredményez. De vajon minek a hatására alakult ki a több ezer Celsius fokos hőmérséklet a Föld központjában?

A geológusok úgy gondolják, hogy ez a hő leginkább két belső folyamattal magyarázható. A hőmennyiség egyik része már a Föld keletkezésétől jelen van, úgynevezett maradványhő, amely a Föld kialakulásának kezdeti szakászából származik. Ekkor még a teljes bolygó olvadt kőzetből és fémből állt. A hőmennyiség jelentősebb részé pedig a Föld mélyében lezajló kémiai reakciók során szabadul fel. Ilyen folyamat a radioaktív elemek bomlása, illetve bizonyos kristályosodási folyamatok. Ezeket a kémiában exoterm, vagyis hőfelszabadulással járó kémiai reakcióknak nevezzük.

Miért érdekes és izgalmas a belső hő a tudósok számára? Ennek a nagymennyiségű hőenergiának köszönhetően alakult ki és ma is folyamatosan változik bolygónk felszíne. Ez a hő hajtja azt az asztenoszféra konvekciót, amely a kontinensek vándorlását eredményezi, végső soron pedig hozzájárul a vulkánok működéséhez, a hegységek kiemelkedéséhez, óceánok és tengerek kialakulásához. Ha nem lenne ilyen forró a Földünk belseje, akkor valószínűleg most élet sem lenne rajta.

A Föld belsejéből a felszín irányába haladó hő nemcsak a geológiai folyamatok szempontjából izgalmas.

Az ember számára is igen hasznosnak bizonyult, ugyanis közvetlen módon hozzájárul értékes ásványi nyersanyagok kialakulásához, továbbá közvetlen módon hasznosítható hőenergiát biztosít a bolygó felszínén.