36073 WiZ( 29

geofizyka„„_t„_{d( b>d}

WYPRAWA DO WNĘTRZA Zl

Zmiany gęstości w obrębie górnego płaszcza Ziemi pod dnem Pacyfiku, odtworzone za pomocą metod sejsmicznych.

Kolor niebieski odpowiada przestrzeniom o dużej gęstośd (a więc chłodnym), czerwony - fragmentom o małej

9*stosa (gofącym).

Masz do niego nie dalej niż do Nowego Jorku, a mimo to nigdy go nie ujrzysz, choć jest pod twoimi stopami. Wnętrze Ziemi to jedno z najtrudniejszych środowisk do zbadania.

•3 JAROSŁAW CHROSTOWSKI

W 1989 ROKU radzieckim naukowcom udało się dowiercić na głębokość 12 262 m. Pbtrze-bowali w tym celu aż... 19 lat. Odwiert SG-3 na Półwyspie Kolskim, w pobliżu miejscowości Zapoliamyj, do dziś pozostaje rekordowy. Robi wrażenie na laiku, lecz dla geofizyka to nie „aż", a „zaledwie" 13 km. Budowę skał leżących nieco głębiej możemy poznać metodami bezpośrednimi tylko dzięki niektórym wulkanom. Wydobywająca się przez nie magma porywa fragmenty skał zbiornika magmowego i wynosi je na powierzchnię (są to tzw. porwała, w przypadku wulkanów nazywane ksenołitami), gdzie trafiają w ręce geologów i geofizyków. Jak jednak zbadać to, co leży głębiej, na przykład kilka tysięcy kilometrów pod powierzchnią?

W teorii najprostszą metodą poznania wewnętrznej budowy Ziemi byłoby zbudowanie sondy, która przeprowadziłaby bezpośrednie pomiary. Przedsięwzięcie jest na razie niewykonalne z przyczyn technicznych. Jak skutecznie zabezpieczyć sondę przed rosnącą temperaturą i ciśnieniem (już na dnie odwiertu SG-3 temperatura wynosiła 190 °Q? Jak umożliwić jej poruszanie się, najpierw w twardych skałach, później w roztopionej magmie o różnej gęstości? Wreszcie, jak zapewnić zasilanie i łączność?

Mimo oczywistych przeszkód w 2003 roku David Ste-venson, geolog planetarny w Califomia Institute of Technology. na łamach czasopisma „Naturę" zaproponował wysłanie próbnika do jądra Ziemi. W tym celu za pomocą eksplozji o sile kilku megaton TNT należałoby utworzyć kilometrowej głębokości szczelinę w skorupie ziemskiej i zalać ją 100 min ton stopionego żelaza, w którym pływałby próbnik. Ciężar żelaza byłby tak wielki, że całość sama by się zanurzyła we wnętrzu Ziemi i po tygodniu próbnik dotarłby do jądra. Gigantyczna eksplozja, ilość stopionego żelaza odpowiadająca godzinnemu wytopowi wszystkich hut na świecie, próbnik z diamentów - mimo pozorów realności, propozycja Stevensona także jest fantazją, tyle że odrobinę realniejszą od innych propozycji. Jak więc dziś dotrzeć w głąb Ziemi?

Wrażliwy posłaniec

Gdzie człowiek nie może, tam zazwyczaj coś pośle. W przeciwieństwie do androcentrycznych bohaterów przysłów, fizycy najchętniej posyłają fale. Mają one tę przyjemną cechę, że oddziałują z ośrodkami, przez które się przemieszczają: załamują się i odbijają na granicach ośrodków, uginają w ośrodkach o zmiennej gęstości. Analiza sposobu rozchodzenia się fal umożliwia więc odtworzenie struktury przestrzennej niejednorodności w głębi Ziemi. Wnętrze naszej planety nadaje się do tego typu badań, jest bowiem ośrodkiem, w którym fale mechanicznie - wywołane na przykład głębokimi trzęsieniami Ziemi - rozchodzą się dość dobrze.

Fale sejsmiczne przemieszczające się przez kulę ziemską są dwojakiego typu. W przypadku fał podłużnych cząsteczki ośrodka drgają w kierunku ruchu fal, w przypadku fal poprzecznych drgania są do niego prostopadłe. Każdą taką falę można opisać za pomocą kilku parametrów. Do najważniejszych należą: kierunek i prędkość rozchodzenia się fali, amplituda i okres drgań, faza (opisująca, w którym punkcie okresu drgań znajduje się fala docierająca do detektora) oraz polaryzacja (określająca, w jakich płaszczyznach zachodzą drgania). Analiza niemal każdego z tych parame trów pozwała geofizykom wyciągać wnioski dotyczące budowy wnętrza Ziemi. Przykładowo, fale mechaniczne poprzeczne nie mogą rozchodzić się w ośrodkach płynnych, gdyż te nie przenoszą sił ścinających. Właśnie na podstawie braku poprzecznych fal sejsmicznych po przeciwległej trzęsieniu stronie Ziemi (efekt cienia sejsmicznego) stwierdzono, że przynajmniej zewnętrzna część jądra naszej planety jest płynna. Z kolei zmiany prędkości fal sejsmicznych przechodzących przez jądro wewnętrzne, wyraźnie zależące od kierunku ich ruchu, skłoniły badaczy (m.in. prof. Adama Dziewońskiego) do wysunięcia przypuszczenia, że wewnętrzne jądro ma budowę krystaliczną. Analiza danych sejsmograficznych pozwoliła też w latach 90. dokonać kolejnego odkrycia: okazało się, że jądro wewnętrzne obraca się nieco szybciej niż płaszcz Ziemi. Różnica nie jest wielka, ale wyraźna - poniżej 0.5%.

OSŁUCHIWANIE ZIEMI

EPICENTI

Metody sejsmiczne nie są pozbawione wad. Zwłaszcza interpretacja wyników sprawia wiele problemów. Czy zaobserwowany efekt jest na pewno spowodowany zjawiskami zachodzącymi na przy kład w jądrze planety, czy też jest artefaktem podróży fali przez warstwy je otaczające? Na szczęście im więcej danych z różnych ośrodków pomiarowych, tym większa pewność, że odtworzona struktura przestrzenna wnętrza Ziemi jest poprawna. Trzeba tu jednak pamiętać, że sejsmografia pozwala badać zmiany gęsto ści warstw we wnętrzu Ziemi, ale daje niewiele informacji o ich składzie chemicznym.

Komputerowe zgadywanki

Nieocenionym narzędziem w poznawaniu wnętrza Ziemi stały się symulacje komputerowe, które w ostatnich latach zaczęły być traktowane w nauce wręcz jako odrębna metoda badawcza, uzupełniająca wobec doświadczenia i teorii. Dzięki komputerom można sprawdzić przewidywania poszczególnych modeli teoretycznych budowy Ziemi, eksperymentować z doborem parametrów i ich zmianami w czasie, a następnie porówmując wyniki z rzeczywistymi pomiarami, weryfikować poprawność modeli -3

JĄDROWI

Fale sejsmiczne, będące odmianą fal mechanicznych, rozchodzą się we wnętrzu Ziemi w różny sposób Wskutek zmian gęstoso osrodkow. podróżują przez me po liniach zakrzywionych, a także odbijają się i załamują na granicach Dodatkowo poprzeczne fale sejsmiczne nic są w stanie przechodzić przez osrodkj płynne i w rezultacie nie obserwujemy ich po przeciwnej trzęsieniu stronie Ziemi Analizy fal wytwarzanych przez głębokie trzęsienia prowadzone jednocześnie przez wiele ośrodków badawczych, pozwalają zrekonstruować strukturę przestrzenną wnętrza naszej planety

' "Wiedza i życie c/cmicmi