Na konci série piatich článkov o zemeguli som chcel, tak ako vždy, uviesť dva rozhovory na túto tému. Rozhovory sa mali týkať zemského jadra. Jeden z nich mal byť o tom, ako ľudia prišli na to, že jadro je kvapalné, druhý o tom, ako sa toto kvapalné jadro prejavuje.
K tej druhej otázke som sa dozvedel veľa zaujímavých vecí od geofyzika Sebastiána Ševčíka. O rozhovor k prvej otázke som postupne požiadal troch geofyzikov. Všetci traja najprv súhlasili, ale potom sa na poslednú chvíľu z rôznych dôvodov ospravedlnili.
To samo osebe nie je nič strašné, nepríjemné to začína byť až v kombinácii s fenoménom, ktorému sa v novinách a časopisoch hovorí uzávierka. V stave akútnej paniky a latentného zúfalstva som sa nakoniec rozhodol na otázky, ktoré som chcel položiť iným, odpovedať sám. Nie je to veľmi elegantné riešenie, vyzerá to hlúpo, ale prázdna strana by vyzerala ešte hlúpejšie.
.s Martinom Mojžišom o objave kvapalného jadra
.ako vlastne prišli ľudia na to, že zemské jadro je tekuté?
Informácie o zemskom jadre pochádzajú zo seizmografických meraní. Veľké zemetrasenia vyvolávajú seizmické vlny, ktoré dokážeme registrovať aj na opačnom konci zemegule. Tieto vlny prechádzajú celou Zemou a vypovedajú čosi o jej vnútri. Začiatkom 20. storočia sme sa z týchto vĺn dozvedeli, že im v hlbinách niečo stojí v ceste. To niečo siaha zhruba do polovice Zeme a nazývame to zemským jadrom. Zaujímavé je, že objav zemského jadra bol postavený na niekoľkých predpokladoch, ktoré sa neskôr ukázali nesprávne. No a opustenie jedného z týchto nesprávnych predpokladov viedlo k objavu tekutosti jadra.
.ako sa dá urobiť správny objav na základe nesprávnych predpokladov? (Nefalšovaný údiv.)
Buď vďaka náhode, alebo vďaka tomu, že tie predpoklady nie sú pre daný objav kľúčové. Príkladom náhody je objav Ameriky. Kolumbus založil svoju plavbu na predpoklade, že Zem je asi dvakrát menšia, než v skutočnosti je. Bez tohto predpokladu by si na tú cestu takmer určite netrúfol a celkom určite by mu ju nikto nefinancoval. Predpoklad bol naozaj kľúčový a bol zlý, náhodou však na polceste ležala Amerika.
Zemské jadro je iný prípad. Jeho objaviteľ Richard Oldham napríklad predpokladal, že seizmické vlny sa šíria v Zemi priamočiaro ako svetelné lúče. Dnes vieme, že to nie je pravda, ale tento predpoklad ovplyvňuje len detaily, nie podstatu. Okrem toho Oldham nesprávne predpokladal, že všetky vlny šíriace sa vnútrom Zeme sa šíria aj jadrom. Ani ten predpoklad nemenil nič na podstate, ale dôkladne skryl jeden dôležitý detail a tým je práve tekutosť jadra.
.ako súvisí tekutosť jadra s tým, či sa ním šíria alebo nešíria nejaké vlny?
Veľmi úzko. V tuhej látke sa môžu šíriť dva typy vĺn. Jednak takzvané pozdĺžne vlny, pri ktorých sa častice látky pohybujú v smere šírenia vlny, a jednak priečne vlny, pri ktorých sa tieto častice pohybujú v smere kolmom na smer šírenia vlny. V kvapalinách a plynoch existujú len pozdĺžne vlny, priečne vlny tam vôbec neexistujú. Oldham predpokladal, že vlny, ktoré po ceste vnútrom Zeme narazia na jadro, cez toto jadro prechádzajú pomalšie ako cez zvyšok Zeme. Tým vysvetlil pozorované spomaľovanie takýchto vĺn. Neskôr sa však zistilo, že pre pozdĺžne vlny to síce platí, ale pre priečne nie. Priečne vlny jadrom vôbec neprechádzali a za jadro sa dostávali len vďaka odrazom od povrchu Zeme. Nuž, a jediné rozumné vysvetlenie toho, že jadrom neprechádzajú priečne vlny, bolo, že je tekuté.
.vnútri tekutého jadra sa nachádza menšie – pevné jadro. Ako ľudia prišli na jeho existenciu?
Na to prišla dánska seizmologička Inge Lehmann. Pozdĺžne a priečne vlny majú takú vlastnosť, že pri odraze a lome na rozhraní dvoch prostredí sa môžu meniť jedny na druhé. Ak teda registrujeme na povrchu nejakú pozdĺžnu vlnu, môže to byť vlna, ktorá bola celý čas pozdĺžna, ale aj vlna, ktorá bola pôvodne priečna, a potom sa zmenila pri nejakom odraze a lome na pozdĺžnu. A môže to byť aj vlna, ktorá absolvovala niekoľko takýchto premien. Inge Lehman zistila podrobným štúdiom seizmografických údajov, že vlny sa v útrobách Zeme menia spôsobom, ktorý sa dá vysvetliť len tak, že vnútri tekutého jadra sa nachádza menšie tuhé jadro.
.z čoho sa tie jadrá skladajú?
Najmä zo železa. Čím hlbšie ideme, tým vyššia je teplota a približne na polceste do stredu Zeme dosahuje teplota hodnotu, pri ktorej sa železo taví. Tým je vysvetlená existencia kvapalného jadra. Okrem teploty však stúpa aj tlak a ten zas nadobúda približne tisíc kilometrov od stredu Zeme hodnoty, pri ktorých aj žeravé železo tuhne. Tým je vysvetlená existencia tuhého vnútorného jadra.
.to všetko je síce zaujímavé, ale aký to má praktický význam? Povedané slovami popredného slovenského mysliteľa Dobroslava Trnku „čo hmatateľné urobilo kvapalné zemské jadro pre tento národ?“
Vytvorilo geomagnetické pole, ktoré nás chráni pred takzvaným slnečným vetrom. Pod týmto poetickým názvom sa skrýva prúd vysokoenergetických častíc, najmä elektrónov a protónov, prichádzajúcich zo Slnka. Geomagnetické pole tie častice odkloní, takže nezasiahnu planétu ani jej atmosféru. Ak by ju zasiahli, malo by to značne nepriaznivé účinky na živé organizmy vrátane tohto národa.
.magnetické pole teda chráni život na planéte?
Nielen to, ono ho pravdepodobne aj umožnilo. Bez tohto poľa by slnečný vietor ionizoval atómy v atmosfére ranej Zeme a tá by strácala ľahké atómy, predovšetkým vodík. Nuž, ale ak by stratila priveľa vodíka, tak by vzniklo primálo vody, ktorá je pre vznik života nevyhnutná. Bez geomagnetického poľa by teda zrejme nijaký život na Zemi nevznikol.
.so Sebastiánom Ševčíkom o prejavoch kvapalného jadra
.ako vlastne vzniká v kvapalnom zemskom jadre magnetické pole?
Elektrické aj magnetické pole súvisí s elektrickými nábojmi. Elektrické pole vzniká v okolí všetkých nábojov, magnetické v okolí pohybujúcich sa nábojov – v okolí elektrických prúdov. Kvapalné jadro Zeme je akási tavenina, v ktorej dochádza k tepelnému prúdeniu. Tieto prúdy však nie sú elektrickými prúdmi, pretože kladné aj záporné ióny putujú spolu. Ale keď sa tento pohyb deje v nejakom magnetickom poli, tak na ióny pôsobí magnetická sila, ktorá rozoznáva znamienko náboja. V dôsledku tejto sily sú pohybujúce sa kladné a záporné ióny vychyľované opačnými smermi a až toto vytvára elektrické prúdy, ktoré sú zdrojom geomagnetického poľa.
.čiže na vznik geomagnetického poľa potrebujeme elektrické prúdy v kvapalnom jadre a tie vznikajú v dôsledku prítomnosti nejakého ďalšieho magnetického poľa. Kde sa vzalo to druhé pole?
To nie je druhé pole, to je to isté pole. Hovoríme o takzvanom selkonzistentnom poli, čiže o poli, ktoré je v súhlase so sebou samým. To znamená, že indukujúce magnetické pole je vlastne totožné s indukovaným magnetickým poľom. Preto sa celý mechanizmus nazýva samobudiacim dynamom.
.čo znie trochu ako perpetuum mobile...
Nie je to perpetuum mobile, pretože to celé nemôže fungovať bez tepelných prúdov a tie zas nemôžu existovať bez dodávania energie. Existuje niekoľko rôznych zdrojov tejto energie. Jedným je obrovský teplotný rozdiel, zhruba tisíc stupňov, medzi pevným vnútorným jadrom a zemským plášťom. V dôsledku tohto rozdielu sa kvapalina pohybuje podobne ako voda v hrnci, ktorý zospodu zahrievame. Ešte významnejším zdrojom energie je niečo iné. V kvapalnom jadre je veľa prímesí ľahkých prvkov, napríklad síry, kremíka alebo kyslíka. Zliatina tvoriaca kvapalné jadro má teda ťažkú a ľahkú frakciu. Toto kvapalné jadro na svojom dne tuhne, v dôsledku čoho rastie vnútorné tuhé jadro zhruba o dva centimetre každých sto rokov. Z metalurgie pritom vieme, že tuhne len tá ťažká frakcia, tá ľahká tam zostáva a v dôsledku Archimedovho zákona stúpa smerom hore. Práve tento mechanizmus dodáva dynamu väčšinu energie.
.nakoľko je geomagnetické pole Zeme premenlivé?
To závísí od toho, ktorú časť poľa máme na mysli. Geomagnetické pole je tvorené z prevažnej časti takzvaným dipólovým poľom, čo je vlastne pole tyčového magnetu, ale obsahuje aj iné zložky. To dipólové pole sa pravidelne mení s periódou zhruba 7 800 rokov. Momentálne sme vo fáze, keď intenzita tohto poľa klesá. Zvyšok geomagnetického poľa, čiže tá jeho nedipólová časť, sa otáča západným smerom, zhruba dve desatiny stupňa za rok. To je takzvaný západný geomagnetický drift.
.a čo kompletné prepólovanie poľa čiže zmena severného magnetického pólu na južný a naopak?
Rovnice pre geomagnetické pole sú také, že ak je nejaké pole ich riešením, tak aj mínus toto pole je riešením. Čiže z matematického hľadiska platí, že ak je možná nejaká konfigurácia poľa, tak je možná aj opačná konfigurácia, ktorá zodpovedá prepólovaniu. K takému prepólovaniu naozaj dochádza, ale nepravidelne. Posledné bolo asi pred 780 000 rokmi, predposledné pred 2 500 000 rokmi. Samotné prepólovanie pritom trvá relatívne krátko, asi 8 000 rokov. Dipólové pole dosť prudko klesá a začína prevládať nedipólové, takže vlastne ani nevidíš, kde je sever. A potom sa to celé pretočí a ustanoví sa znova do nejakého stacionárneho režimu v novej polarite. Ale deje sa to naozaj dosť nepravidelne.
V geologickej histórii Zeme boli aj také obdobia, že k nijakému prepólovaniu nedošlo počas 40 miliónov rokov. Zaujímavé pritom je, že podobné dynamo existuje aj na Slnku, a to sa prepóluje pravidelne každých 11 rokov. Tam to funguje takmer ako hodinky.
.to je ako možné?
Slnko je v tomto smere jednoduchší systém ako Zem. Na Slnku ide o vysoko ionizované a stlačiteľné prostredie, na Zemi o kvapalné prostredie uzavreté medzi dvoma tuhými prostrediami – vnútorným jadrom a plášťom. Počítačové riešenia rovníc pritom ukazujú, že vlastnosti vnútorného jadra a plášťa veľmi výrazne ovplyvňujú správanie dynama v kvapalnom jadre.
.máme priestor ešte na jednu otázku. Čo je na geomagnetickom poli najzaujímavejšie?
Možno to, že si ho Zem sama vyrobila. Všetky atómy, ktoré sú na tejto planéte získala Zem, takpovediac, do vienka, z toho, čo jej zanechalo Slnko. Ale magnetické pole nezískala zvonku. Bolo tu síce nejaké slabulinké medziplanetárne magnetické pole, ale to vlastné pole, to si vyrobila sama. Je to také jej dieťatko.
K tej druhej otázke som sa dozvedel veľa zaujímavých vecí od geofyzika Sebastiána Ševčíka. O rozhovor k prvej otázke som postupne požiadal troch geofyzikov. Všetci traja najprv súhlasili, ale potom sa na poslednú chvíľu z rôznych dôvodov ospravedlnili.
To samo osebe nie je nič strašné, nepríjemné to začína byť až v kombinácii s fenoménom, ktorému sa v novinách a časopisoch hovorí uzávierka. V stave akútnej paniky a latentného zúfalstva som sa nakoniec rozhodol na otázky, ktoré som chcel položiť iným, odpovedať sám. Nie je to veľmi elegantné riešenie, vyzerá to hlúpo, ale prázdna strana by vyzerala ešte hlúpejšie.
.s Martinom Mojžišom o objave kvapalného jadra
.ako vlastne prišli ľudia na to, že zemské jadro je tekuté?
Informácie o zemskom jadre pochádzajú zo seizmografických meraní. Veľké zemetrasenia vyvolávajú seizmické vlny, ktoré dokážeme registrovať aj na opačnom konci zemegule. Tieto vlny prechádzajú celou Zemou a vypovedajú čosi o jej vnútri. Začiatkom 20. storočia sme sa z týchto vĺn dozvedeli, že im v hlbinách niečo stojí v ceste. To niečo siaha zhruba do polovice Zeme a nazývame to zemským jadrom. Zaujímavé je, že objav zemského jadra bol postavený na niekoľkých predpokladoch, ktoré sa neskôr ukázali nesprávne. No a opustenie jedného z týchto nesprávnych predpokladov viedlo k objavu tekutosti jadra.
.ako sa dá urobiť správny objav na základe nesprávnych predpokladov? (Nefalšovaný údiv.)
Buď vďaka náhode, alebo vďaka tomu, že tie predpoklady nie sú pre daný objav kľúčové. Príkladom náhody je objav Ameriky. Kolumbus založil svoju plavbu na predpoklade, že Zem je asi dvakrát menšia, než v skutočnosti je. Bez tohto predpokladu by si na tú cestu takmer určite netrúfol a celkom určite by mu ju nikto nefinancoval. Predpoklad bol naozaj kľúčový a bol zlý, náhodou však na polceste ležala Amerika.
Zemské jadro je iný prípad. Jeho objaviteľ Richard Oldham napríklad predpokladal, že seizmické vlny sa šíria v Zemi priamočiaro ako svetelné lúče. Dnes vieme, že to nie je pravda, ale tento predpoklad ovplyvňuje len detaily, nie podstatu. Okrem toho Oldham nesprávne predpokladal, že všetky vlny šíriace sa vnútrom Zeme sa šíria aj jadrom. Ani ten predpoklad nemenil nič na podstate, ale dôkladne skryl jeden dôležitý detail a tým je práve tekutosť jadra.
.ako súvisí tekutosť jadra s tým, či sa ním šíria alebo nešíria nejaké vlny?
Veľmi úzko. V tuhej látke sa môžu šíriť dva typy vĺn. Jednak takzvané pozdĺžne vlny, pri ktorých sa častice látky pohybujú v smere šírenia vlny, a jednak priečne vlny, pri ktorých sa tieto častice pohybujú v smere kolmom na smer šírenia vlny. V kvapalinách a plynoch existujú len pozdĺžne vlny, priečne vlny tam vôbec neexistujú. Oldham predpokladal, že vlny, ktoré po ceste vnútrom Zeme narazia na jadro, cez toto jadro prechádzajú pomalšie ako cez zvyšok Zeme. Tým vysvetlil pozorované spomaľovanie takýchto vĺn. Neskôr sa však zistilo, že pre pozdĺžne vlny to síce platí, ale pre priečne nie. Priečne vlny jadrom vôbec neprechádzali a za jadro sa dostávali len vďaka odrazom od povrchu Zeme. Nuž, a jediné rozumné vysvetlenie toho, že jadrom neprechádzajú priečne vlny, bolo, že je tekuté.
.vnútri tekutého jadra sa nachádza menšie – pevné jadro. Ako ľudia prišli na jeho existenciu?
Na to prišla dánska seizmologička Inge Lehmann. Pozdĺžne a priečne vlny majú takú vlastnosť, že pri odraze a lome na rozhraní dvoch prostredí sa môžu meniť jedny na druhé. Ak teda registrujeme na povrchu nejakú pozdĺžnu vlnu, môže to byť vlna, ktorá bola celý čas pozdĺžna, ale aj vlna, ktorá bola pôvodne priečna, a potom sa zmenila pri nejakom odraze a lome na pozdĺžnu. A môže to byť aj vlna, ktorá absolvovala niekoľko takýchto premien. Inge Lehman zistila podrobným štúdiom seizmografických údajov, že vlny sa v útrobách Zeme menia spôsobom, ktorý sa dá vysvetliť len tak, že vnútri tekutého jadra sa nachádza menšie tuhé jadro.
.z čoho sa tie jadrá skladajú?
Najmä zo železa. Čím hlbšie ideme, tým vyššia je teplota a približne na polceste do stredu Zeme dosahuje teplota hodnotu, pri ktorej sa železo taví. Tým je vysvetlená existencia kvapalného jadra. Okrem teploty však stúpa aj tlak a ten zas nadobúda približne tisíc kilometrov od stredu Zeme hodnoty, pri ktorých aj žeravé železo tuhne. Tým je vysvetlená existencia tuhého vnútorného jadra.
.to všetko je síce zaujímavé, ale aký to má praktický význam? Povedané slovami popredného slovenského mysliteľa Dobroslava Trnku „čo hmatateľné urobilo kvapalné zemské jadro pre tento národ?“
Vytvorilo geomagnetické pole, ktoré nás chráni pred takzvaným slnečným vetrom. Pod týmto poetickým názvom sa skrýva prúd vysokoenergetických častíc, najmä elektrónov a protónov, prichádzajúcich zo Slnka. Geomagnetické pole tie častice odkloní, takže nezasiahnu planétu ani jej atmosféru. Ak by ju zasiahli, malo by to značne nepriaznivé účinky na živé organizmy vrátane tohto národa.
.magnetické pole teda chráni život na planéte?
Nielen to, ono ho pravdepodobne aj umožnilo. Bez tohto poľa by slnečný vietor ionizoval atómy v atmosfére ranej Zeme a tá by strácala ľahké atómy, predovšetkým vodík. Nuž, ale ak by stratila priveľa vodíka, tak by vzniklo primálo vody, ktorá je pre vznik života nevyhnutná. Bez geomagnetického poľa by teda zrejme nijaký život na Zemi nevznikol.
.so Sebastiánom Ševčíkom o prejavoch kvapalného jadra
.ako vlastne vzniká v kvapalnom zemskom jadre magnetické pole?
Elektrické aj magnetické pole súvisí s elektrickými nábojmi. Elektrické pole vzniká v okolí všetkých nábojov, magnetické v okolí pohybujúcich sa nábojov – v okolí elektrických prúdov. Kvapalné jadro Zeme je akási tavenina, v ktorej dochádza k tepelnému prúdeniu. Tieto prúdy však nie sú elektrickými prúdmi, pretože kladné aj záporné ióny putujú spolu. Ale keď sa tento pohyb deje v nejakom magnetickom poli, tak na ióny pôsobí magnetická sila, ktorá rozoznáva znamienko náboja. V dôsledku tejto sily sú pohybujúce sa kladné a záporné ióny vychyľované opačnými smermi a až toto vytvára elektrické prúdy, ktoré sú zdrojom geomagnetického poľa.
.čiže na vznik geomagnetického poľa potrebujeme elektrické prúdy v kvapalnom jadre a tie vznikajú v dôsledku prítomnosti nejakého ďalšieho magnetického poľa. Kde sa vzalo to druhé pole?
To nie je druhé pole, to je to isté pole. Hovoríme o takzvanom selkonzistentnom poli, čiže o poli, ktoré je v súhlase so sebou samým. To znamená, že indukujúce magnetické pole je vlastne totožné s indukovaným magnetickým poľom. Preto sa celý mechanizmus nazýva samobudiacim dynamom.
.čo znie trochu ako perpetuum mobile...
Nie je to perpetuum mobile, pretože to celé nemôže fungovať bez tepelných prúdov a tie zas nemôžu existovať bez dodávania energie. Existuje niekoľko rôznych zdrojov tejto energie. Jedným je obrovský teplotný rozdiel, zhruba tisíc stupňov, medzi pevným vnútorným jadrom a zemským plášťom. V dôsledku tohto rozdielu sa kvapalina pohybuje podobne ako voda v hrnci, ktorý zospodu zahrievame. Ešte významnejším zdrojom energie je niečo iné. V kvapalnom jadre je veľa prímesí ľahkých prvkov, napríklad síry, kremíka alebo kyslíka. Zliatina tvoriaca kvapalné jadro má teda ťažkú a ľahkú frakciu. Toto kvapalné jadro na svojom dne tuhne, v dôsledku čoho rastie vnútorné tuhé jadro zhruba o dva centimetre každých sto rokov. Z metalurgie pritom vieme, že tuhne len tá ťažká frakcia, tá ľahká tam zostáva a v dôsledku Archimedovho zákona stúpa smerom hore. Práve tento mechanizmus dodáva dynamu väčšinu energie.
.nakoľko je geomagnetické pole Zeme premenlivé?
To závísí od toho, ktorú časť poľa máme na mysli. Geomagnetické pole je tvorené z prevažnej časti takzvaným dipólovým poľom, čo je vlastne pole tyčového magnetu, ale obsahuje aj iné zložky. To dipólové pole sa pravidelne mení s periódou zhruba 7 800 rokov. Momentálne sme vo fáze, keď intenzita tohto poľa klesá. Zvyšok geomagnetického poľa, čiže tá jeho nedipólová časť, sa otáča západným smerom, zhruba dve desatiny stupňa za rok. To je takzvaný západný geomagnetický drift.
.a čo kompletné prepólovanie poľa čiže zmena severného magnetického pólu na južný a naopak?
Rovnice pre geomagnetické pole sú také, že ak je nejaké pole ich riešením, tak aj mínus toto pole je riešením. Čiže z matematického hľadiska platí, že ak je možná nejaká konfigurácia poľa, tak je možná aj opačná konfigurácia, ktorá zodpovedá prepólovaniu. K takému prepólovaniu naozaj dochádza, ale nepravidelne. Posledné bolo asi pred 780 000 rokmi, predposledné pred 2 500 000 rokmi. Samotné prepólovanie pritom trvá relatívne krátko, asi 8 000 rokov. Dipólové pole dosť prudko klesá a začína prevládať nedipólové, takže vlastne ani nevidíš, kde je sever. A potom sa to celé pretočí a ustanoví sa znova do nejakého stacionárneho režimu v novej polarite. Ale deje sa to naozaj dosť nepravidelne.
V geologickej histórii Zeme boli aj také obdobia, že k nijakému prepólovaniu nedošlo počas 40 miliónov rokov. Zaujímavé pritom je, že podobné dynamo existuje aj na Slnku, a to sa prepóluje pravidelne každých 11 rokov. Tam to funguje takmer ako hodinky.
.to je ako možné?
Slnko je v tomto smere jednoduchší systém ako Zem. Na Slnku ide o vysoko ionizované a stlačiteľné prostredie, na Zemi o kvapalné prostredie uzavreté medzi dvoma tuhými prostrediami – vnútorným jadrom a plášťom. Počítačové riešenia rovníc pritom ukazujú, že vlastnosti vnútorného jadra a plášťa veľmi výrazne ovplyvňujú správanie dynama v kvapalnom jadre.
.máme priestor ešte na jednu otázku. Čo je na geomagnetickom poli najzaujímavejšie?
Možno to, že si ho Zem sama vyrobila. Všetky atómy, ktoré sú na tejto planéte získala Zem, takpovediac, do vienka, z toho, čo jej zanechalo Slnko. Ale magnetické pole nezískala zvonku. Bolo tu síce nejaké slabulinké medziplanetárne magnetické pole, ale to vlastné pole, to si vyrobila sama. Je to také jej dieťatko.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.