O tom, že dovnútra Zeme nevidno, netreba hádam presviedčať nikoho. O tom, ako hlboko sme boli, dávajú pomerne jasnú predstavu čísla – aj tie najhlbšie vrty majú len niečo vyše desať kilometrov (čo predstavuje necelé dve promile zemského polomeru). Takže ak sa chceme dozvedieť niečo o tom, čo prežíva Zem vo svojom vnútri, treba ju naozaj počúvať.
Reč nie je, samozrejme, o nejakej planetárnej psychoanalýze. Hovoríme o celkom inej analýze – o analýze akustických vĺn šíriacich sa zemeguľou.
Prístroje na počúvanie týchto vĺn sa volajú seizmografy. Tak, ako naše ucho dokáže zachytiť zvukové vlny šíriace sa vzduchom, seizmografy zachytávajú a zaznamenávajú akustické vlny šíriace sa Zemou. Zdrojom týchto vĺn sú väčšinou zemetrasenia, ale môžu to byť aj umelo vyvolané podzemné výbuchy. Umenie počúvať Zem spočíva v tom, že ju nepočúvame len na jednom mieste, ale súčasne na mnohých miestach.
.oldham
Sedemnásteho apríla roku 1889, krátko pred šiestou hodinou večer, zaregistrovali seizmografy na dvoch rôznych miestach v Nemecku jemné, ale celkom zreteľné kmity. Zaregistrovali ich takmer naraz, takže bolo jasné, že majú rovnaký pôvod. Ale vôbec nebolo jasné, aký to bol pôvod. Nebolo jasné, čo bolo zdrojom týchto kmitov.
Osemnásteho apríla ráno, dve hodiny po polnoci, vypuklo v Tokiu silné zemetrasenie. Keď sa o tom nemeckí seizmológovia neskôr dozvedeli, okamžite pochopili, že toto je ten hľadaný zdroj nimi zaznamenaných kmitov. Bolo to prvý raz, čo ľudia zachytili vlny vyvolané zemetrasením na protiľahlej strane zemegule. (Nenechajme sa popliesť skutočnosťou, že zemetrasenie nastalo až na druhý deň – ak vezmeme do úvahy časový posun medzi Japonskom a Európou, ukáže sa, že seizmografy zachytili kmity takmer hodinu po zemetrasení).
O niekoľko rokov neskôr, konkrétne v roku 1897 pri veľkom zemetrasení v Assáme, zistil Richard Oldham z britskej Geologickej služby v Indii zaujímavú vec: v prípade vzdialených zemetrasení registrovali seizmografy okrem hlavnej vlny aj dve menej intenzívne vlny, ktoré prichádzali s miernym predstihom. Oldham nielenže tieto dve drobné vlny zbadal, ale si aj uvedomil, čo to vlastne vidí. A vtedy to začalo byť naozaj zaujímavé.
Na základe teoretických prác matematikov a fyzikov, zaoberajúcich sa šírením zvukových vĺn v rôznych látkach, Oldham vedel, že v tuhej látke sa môže šíriť niekoľko rôznych typov takýchto vĺn. Jednak takzvané pozdĺžne vlny (ktoré sa šíria aj v kvapalinách a plynoch), jednak priečne vlny (ktoré sa v kvapalinách a plynoch nevyskytujú), a napokon ešte aj povrchové vlny (ktoré sa vyskytujú na rozhraní dvoch odlišných prostredí). Prvé dva typy vĺn sa v prípade zemetrasenia šíria vnútrom zemegule a k vzdialenému seizmografu sa preto môžu dostať o voľačo skôr ako povrchové vlny, ktoré „bežia“ po povrchu Zeme, takže musia prekonať väčšiu vzdialenosť. Ak by to bolo naozaj tak a ak by boli vlny idúce vnútrom Zeme tlmené viac ako vlny na povrchu, potom by sme dostali presne taký priebeh seizmogramov, aké pozoroval Oldham: najprv dve slabšie vlny a potom jedna silnejšia.
Z toho, že by to mohlo byť takto, však ešte nevyplývalo, že by to nemohlo byť aj nejako inak. Oldham preto venoval takmer tri roky analýze rôznych seizmografických meraní a nakoniec prišiel k záveru, že jeho hypotéza je s veľkou pravdepodobnosťou správna. A to znamenalo, že niektoré vlny naozaj prechádzajú vnútrom Zeme a môžu nám o tom vnútre čosi prezradiť.
A veruže aj prezradili. Ako prvému samotnému Oldhamovi a ten to potom v roku 1906 prezradil aj nám ostatným. Na základe ďalšieho podrobného štúdia seizmologických záznamov veľkých zemetrasení Oldham zistil, že tieto záznamy nie sú v súlade s jednoduchou predstavou Zeme ako homogénnej gule.
O čo išlo? Ak si na chvíľu zvolíme na Zemi pracovné zemepisné súradnice tak, aby bol náš južný pól v epicentre zemetrasenia, potom na celej južnej pologuli dorazia seizmické vlny presne tak, ako by sme to očakávali (vypočítali) v prípade homogénnej zemegule. Aj ďalej to tak pokračuje, ale len po 30. stupeň severnej zemepisnej šírky. Potom sa začnú vlny prechádzajúce vnútrom Zeme za vypočítanými časmi zreteľne oneskorovať.
Údaje seizmografov však prezradili Oldhamovi viac, než len to, že Zem nie je homogénna. Prezradili mu aj to, ako je nehomogénna. Ak by totiž zemeguľa obsahovala akési jadro s iným zložením a vlastnosťami, než zvyšok gule, dali by sa dáta celkom jednoducho interpretovať. Vlny, ktoré by na svojej ceste na jadro nenarazili, by prichádzali v časoch vypočítaných pre homogénnu guľu. Nuž, a vlny, ktoré by na svojej ceste prechádzali aj jadrom, by dorazili na povrch vo viac alebo menej posunutých časoch.
Z toho, že až po 30. stupeň severnej zemepisnej šírky sa vlny šíria celkom nerušene, dokázal Oldham určiť veľkosť jadra. Vyšlo mu, že musí mať polomer rovný dvom pätinám polomeru Zeme. Tak sme sa prvý raz dozvedeli o zemskom jadre a jeho veľkosti. Zvyšku zemegule sme začali hovoriť zemský plášť.
.mohorovičič
Ôsmeho októbra 1909 vypuklo menšie zemetrasenie v blízkosti Záhrebu. Zaregistrovali ho všetky seizmografické stanice v Európe, ktoré v tom čase už tvorili pomerne hustú sieť. Ich údaje poskytli chorvátskemu seizmológovi Andrijovi Mohorovičičovi bohatý materiál ukrývajúci v sebe informácie o šírení vĺn v relatívne malých hĺbkach.
Mohorovičič analyzoval seizmografické údaje podobne, ako pred tromi rokmi Oldham. A na svoje prekvapenie zistil, že aj vidí niečo podobné ako Oldham. Do určitej vzdialenosti od Záhrebu sa časy príchodu seizmických vĺn zhodovali s vypočítanými, ale približne po 700 kilometroch sa to zmenilo – podobne ako u Oldhama.
To však bolo úplne neočakávané. Mohorovičič totiž pracoval na rádovo inej škále ako Oldham (pracoval so stovkami, a nie tisíckami kilometrov) a na takejto škále sa zemské jadro nemalo vôbec prejavovať.
Ako sa to dalo vysvetliť? Nuž, keby to chcel Mohorovičič vysvetliť rovnako ako Oldham, vyšlo by mu, že akustické vlastnosti zemegule sa prudko menia nie tisícky, ale desiatky kilometrov pod povrchom Zeme. A to by znamenalo čo? Že zemské jadro siaha až takmer k povrchu zeme? Nie, znamenalo by to len toľko, že okrem ostrého rozhrania medzi jadrom a plášťom existuje ešte jedno ostré rozhranie. Mohorovičič vypočítal, že toto rozhranie sa nachádza v hĺbke 50 kilometrov.
Existenciu takéhoto rozhrania potvrdili neskoršie merania na celom svete. Rozhranie sa dodnes nazýva Mohorovičičovým rozhraním, častejšie sa však používa domácke meno Moho. (Dôvod všeobecného prijatia tejto skratky je jednoduchý – tie dve č na konci celého mena sú pre väčšinu ľudskej populácie nevysloviteľné. Aj keď snaha sa niektorým Anglosasom uprieť nedá – celkom milá je v tomto smere wikipédia, ktorá poctivo uvádza výslovnosť Mohorovičičovho mena ako moe-hoe-roe-veeech-eeech).
Takto sme sa teda prvý raz dozvedeli o zemskej kôre. Tak totiž hovoríme tej vrstve nad Mohorovičičovým rozhraním (to pod ňou nazývame stále zemským plášťom). Objavom zemského jadra, plášťa a kôry sa však história seizmologického skúmania vnútra Zeme neskončila, ale len začala.
Už Mohorovičič si uvedomil, že šírenie vĺn v priamočiarych lúčoch, aké predpokladal Oldham, je len prvým priblížením k ich skutočnému priebehu. Vo svojej práci toto priblíženie podstatne vylepšil, a dostal tak uspokojivejší súhlas s experimentálnymi údajmi. Zaujímavé na tom je, že toto vylepšenie bolo (a muselo byť) založené na nejakých predpokladoch o zmenách fyzikálnych vlastností hornín s hĺbkou (pod ktorými sa rozumeli spojité zmeny v rámci kôry, plášťa a jadra, a nie skokové zmeny medzi týmito vrstvami). Tie predpoklady pritom nebolo možné nijako priamo overiť, ich rozumnosť sa potvrdzovala alebo nepotvrdzovala práve len lepším či horším súhlasom so seizmologickými dátami.
A takto to pokračovalo ďalších sto rokov. Nové a presnejšie dáta nám umožnili vytvárať čoraz presnejšie modely zemského vnútra a tieto modely umožnili vysvetľovať čoraz väčšie množstvo dát. Naše vedomosti o zemskom vnútri sú vynikajúcou ilustráciou fascinujúcej symbiózy teórie a experimentu pri poznávaní prírody. Bez seizmologických meraní by sme nikdy nijaké solídne a spoľahlivé modely zemského vnútra nevytvorili. A bez týchto modelov by sme seizmologickým dátam vôbec nerozumeli. Málokde je tak jasne vidieť, že teória a experiment sú jeden pre druhého životne dôležité.
Reč nie je, samozrejme, o nejakej planetárnej psychoanalýze. Hovoríme o celkom inej analýze – o analýze akustických vĺn šíriacich sa zemeguľou.
Prístroje na počúvanie týchto vĺn sa volajú seizmografy. Tak, ako naše ucho dokáže zachytiť zvukové vlny šíriace sa vzduchom, seizmografy zachytávajú a zaznamenávajú akustické vlny šíriace sa Zemou. Zdrojom týchto vĺn sú väčšinou zemetrasenia, ale môžu to byť aj umelo vyvolané podzemné výbuchy. Umenie počúvať Zem spočíva v tom, že ju nepočúvame len na jednom mieste, ale súčasne na mnohých miestach.
.oldham
Sedemnásteho apríla roku 1889, krátko pred šiestou hodinou večer, zaregistrovali seizmografy na dvoch rôznych miestach v Nemecku jemné, ale celkom zreteľné kmity. Zaregistrovali ich takmer naraz, takže bolo jasné, že majú rovnaký pôvod. Ale vôbec nebolo jasné, aký to bol pôvod. Nebolo jasné, čo bolo zdrojom týchto kmitov.
Osemnásteho apríla ráno, dve hodiny po polnoci, vypuklo v Tokiu silné zemetrasenie. Keď sa o tom nemeckí seizmológovia neskôr dozvedeli, okamžite pochopili, že toto je ten hľadaný zdroj nimi zaznamenaných kmitov. Bolo to prvý raz, čo ľudia zachytili vlny vyvolané zemetrasením na protiľahlej strane zemegule. (Nenechajme sa popliesť skutočnosťou, že zemetrasenie nastalo až na druhý deň – ak vezmeme do úvahy časový posun medzi Japonskom a Európou, ukáže sa, že seizmografy zachytili kmity takmer hodinu po zemetrasení).
O niekoľko rokov neskôr, konkrétne v roku 1897 pri veľkom zemetrasení v Assáme, zistil Richard Oldham z britskej Geologickej služby v Indii zaujímavú vec: v prípade vzdialených zemetrasení registrovali seizmografy okrem hlavnej vlny aj dve menej intenzívne vlny, ktoré prichádzali s miernym predstihom. Oldham nielenže tieto dve drobné vlny zbadal, ale si aj uvedomil, čo to vlastne vidí. A vtedy to začalo byť naozaj zaujímavé.
Na základe teoretických prác matematikov a fyzikov, zaoberajúcich sa šírením zvukových vĺn v rôznych látkach, Oldham vedel, že v tuhej látke sa môže šíriť niekoľko rôznych typov takýchto vĺn. Jednak takzvané pozdĺžne vlny (ktoré sa šíria aj v kvapalinách a plynoch), jednak priečne vlny (ktoré sa v kvapalinách a plynoch nevyskytujú), a napokon ešte aj povrchové vlny (ktoré sa vyskytujú na rozhraní dvoch odlišných prostredí). Prvé dva typy vĺn sa v prípade zemetrasenia šíria vnútrom zemegule a k vzdialenému seizmografu sa preto môžu dostať o voľačo skôr ako povrchové vlny, ktoré „bežia“ po povrchu Zeme, takže musia prekonať väčšiu vzdialenosť. Ak by to bolo naozaj tak a ak by boli vlny idúce vnútrom Zeme tlmené viac ako vlny na povrchu, potom by sme dostali presne taký priebeh seizmogramov, aké pozoroval Oldham: najprv dve slabšie vlny a potom jedna silnejšia.
Z toho, že by to mohlo byť takto, však ešte nevyplývalo, že by to nemohlo byť aj nejako inak. Oldham preto venoval takmer tri roky analýze rôznych seizmografických meraní a nakoniec prišiel k záveru, že jeho hypotéza je s veľkou pravdepodobnosťou správna. A to znamenalo, že niektoré vlny naozaj prechádzajú vnútrom Zeme a môžu nám o tom vnútre čosi prezradiť.
A veruže aj prezradili. Ako prvému samotnému Oldhamovi a ten to potom v roku 1906 prezradil aj nám ostatným. Na základe ďalšieho podrobného štúdia seizmologických záznamov veľkých zemetrasení Oldham zistil, že tieto záznamy nie sú v súlade s jednoduchou predstavou Zeme ako homogénnej gule.
O čo išlo? Ak si na chvíľu zvolíme na Zemi pracovné zemepisné súradnice tak, aby bol náš južný pól v epicentre zemetrasenia, potom na celej južnej pologuli dorazia seizmické vlny presne tak, ako by sme to očakávali (vypočítali) v prípade homogénnej zemegule. Aj ďalej to tak pokračuje, ale len po 30. stupeň severnej zemepisnej šírky. Potom sa začnú vlny prechádzajúce vnútrom Zeme za vypočítanými časmi zreteľne oneskorovať.
Údaje seizmografov však prezradili Oldhamovi viac, než len to, že Zem nie je homogénna. Prezradili mu aj to, ako je nehomogénna. Ak by totiž zemeguľa obsahovala akési jadro s iným zložením a vlastnosťami, než zvyšok gule, dali by sa dáta celkom jednoducho interpretovať. Vlny, ktoré by na svojej ceste na jadro nenarazili, by prichádzali v časoch vypočítaných pre homogénnu guľu. Nuž, a vlny, ktoré by na svojej ceste prechádzali aj jadrom, by dorazili na povrch vo viac alebo menej posunutých časoch.
Z toho, že až po 30. stupeň severnej zemepisnej šírky sa vlny šíria celkom nerušene, dokázal Oldham určiť veľkosť jadra. Vyšlo mu, že musí mať polomer rovný dvom pätinám polomeru Zeme. Tak sme sa prvý raz dozvedeli o zemskom jadre a jeho veľkosti. Zvyšku zemegule sme začali hovoriť zemský plášť.
.mohorovičič
Ôsmeho októbra 1909 vypuklo menšie zemetrasenie v blízkosti Záhrebu. Zaregistrovali ho všetky seizmografické stanice v Európe, ktoré v tom čase už tvorili pomerne hustú sieť. Ich údaje poskytli chorvátskemu seizmológovi Andrijovi Mohorovičičovi bohatý materiál ukrývajúci v sebe informácie o šírení vĺn v relatívne malých hĺbkach.
Mohorovičič analyzoval seizmografické údaje podobne, ako pred tromi rokmi Oldham. A na svoje prekvapenie zistil, že aj vidí niečo podobné ako Oldham. Do určitej vzdialenosti od Záhrebu sa časy príchodu seizmických vĺn zhodovali s vypočítanými, ale približne po 700 kilometroch sa to zmenilo – podobne ako u Oldhama.
To však bolo úplne neočakávané. Mohorovičič totiž pracoval na rádovo inej škále ako Oldham (pracoval so stovkami, a nie tisíckami kilometrov) a na takejto škále sa zemské jadro nemalo vôbec prejavovať.
Ako sa to dalo vysvetliť? Nuž, keby to chcel Mohorovičič vysvetliť rovnako ako Oldham, vyšlo by mu, že akustické vlastnosti zemegule sa prudko menia nie tisícky, ale desiatky kilometrov pod povrchom Zeme. A to by znamenalo čo? Že zemské jadro siaha až takmer k povrchu zeme? Nie, znamenalo by to len toľko, že okrem ostrého rozhrania medzi jadrom a plášťom existuje ešte jedno ostré rozhranie. Mohorovičič vypočítal, že toto rozhranie sa nachádza v hĺbke 50 kilometrov.
Existenciu takéhoto rozhrania potvrdili neskoršie merania na celom svete. Rozhranie sa dodnes nazýva Mohorovičičovým rozhraním, častejšie sa však používa domácke meno Moho. (Dôvod všeobecného prijatia tejto skratky je jednoduchý – tie dve č na konci celého mena sú pre väčšinu ľudskej populácie nevysloviteľné. Aj keď snaha sa niektorým Anglosasom uprieť nedá – celkom milá je v tomto smere wikipédia, ktorá poctivo uvádza výslovnosť Mohorovičičovho mena ako moe-hoe-roe-veeech-eeech).
Takto sme sa teda prvý raz dozvedeli o zemskej kôre. Tak totiž hovoríme tej vrstve nad Mohorovičičovým rozhraním (to pod ňou nazývame stále zemským plášťom). Objavom zemského jadra, plášťa a kôry sa však história seizmologického skúmania vnútra Zeme neskončila, ale len začala.
Už Mohorovičič si uvedomil, že šírenie vĺn v priamočiarych lúčoch, aké predpokladal Oldham, je len prvým priblížením k ich skutočnému priebehu. Vo svojej práci toto priblíženie podstatne vylepšil, a dostal tak uspokojivejší súhlas s experimentálnymi údajmi. Zaujímavé na tom je, že toto vylepšenie bolo (a muselo byť) založené na nejakých predpokladoch o zmenách fyzikálnych vlastností hornín s hĺbkou (pod ktorými sa rozumeli spojité zmeny v rámci kôry, plášťa a jadra, a nie skokové zmeny medzi týmito vrstvami). Tie predpoklady pritom nebolo možné nijako priamo overiť, ich rozumnosť sa potvrdzovala alebo nepotvrdzovala práve len lepším či horším súhlasom so seizmologickými dátami.
A takto to pokračovalo ďalších sto rokov. Nové a presnejšie dáta nám umožnili vytvárať čoraz presnejšie modely zemského vnútra a tieto modely umožnili vysvetľovať čoraz väčšie množstvo dát. Naše vedomosti o zemskom vnútri sú vynikajúcou ilustráciou fascinujúcej symbiózy teórie a experimentu pri poznávaní prírody. Bez seizmologických meraní by sme nikdy nijaké solídne a spoľahlivé modely zemského vnútra nevytvorili. A bez týchto modelov by sme seizmologickým dátam vôbec nerozumeli. Málokde je tak jasne vidieť, že teória a experiment sú jeden pre druhého životne dôležité.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.