Zemské jádro: co se nachází v jeho středu a jak to víme?

Když průkopník science fiction Jules Verne napsal v roce 1864 Cestu do středu Země, pravděpodobně věděl, že jeho zápletka je čistá fantazie. Verneovy postavy se dostaly jen o několik kilometrů níže, ale myšlenka, že by někdo mohl vůbec uvažovat o cestě do zemského jádra, byla zavržena už před viktoriánskou dobou.

Vždyť i dnes je nejvzdálenější místo, kam jsme se do Země navrtali, asi 12 km, zatímco vzdálenost do středu je více než 500krát větší – 6 370 km.

Jak tedy víme, co se nachází pod povrchem? Zjistit, co se nachází v nitru naší planety, je velkolepá vědecká hádanka.

Jak víme, že je Země kulatá?

Myšlenka, že Země má smysluplný střed, jde ruku v ruce s tím, že planeta má tvar koule, a že nežijeme na disku, víme už dlouho.

Je mýtus, že si středověcí lidé mysleli, že Země je placatá – ve skutečnosti to vzniklo kombinací viktoriánské protináboženské propagandy a chybné interpretace stylizovaných map té doby.

Před více než 2 200 lety provedl řecký polyhistor Eratosthenes první měření vzdálenosti kolem zemské koule a od té doby je jasné, že musí mít střed.

To však neznamená, že první filozofové uvažovali o Zemi stejně jako my dnes.

Stará řecká fyzika tvrdila, že svět se skládá z řady soustředných sfér čtyř základních prvků: země, vody, vzduchu a nakonec ohně.

V této nejstarší vědecké představě musel být střed planety pevný, protože uvnitř zemské koule nemohl být vzduch.

Je jasné, že zemská koule nebyla zcela obklopena vodou, jinak by neexistovala souš, takže se předpokládalo, že kousek země vyčnívá ven – což znamenalo, že může existovat pouze jeden kontinent.

Objevení Ameriky tak bylo vlastně jedním z prvních experimentálních vědeckých výsledků, který vyvrátil představu jediného kontinentu a znamenal významný krok na cestě k překonání starořeckého vědeckého myšlení.

Myšlenka, že Země je zcela dutá nebo s rozsáhlými jeskyněmi sahajícími až do středu jako ve Verneově knize, byla od starověku populární ve fikci a mytologii a objevovala se také v pseudovědě a konspiračních teoriích.

Není však jasné, zda se touto myšlenkou někdy vážně zabýval nějaký vědec kromě astronoma Edmonda Halleye, který v roce 1692 navrhl dutou Zemi, aby vysvětlil některé neobvyklé údaje kompasu.

A v roce 1798 zasadil anglický vědec a excentrik poslední hřebíček do rakve hypotéze „duté Země“. Henry Cavendish přišel s pokusem o přesné zvážení planety.

Kolik váží Země?

Cavendish byl podivín, který se svými sluhy komunikoval pouze prostřednictvím poznámek, aby se s nimi nemusel setkávat tváří v tvář.

Navzdory svému aristokratickému původu zasvětil Cavendish svůj život vědě, pracoval v oblasti chemie i fyziky a nejznámějším se stal pokus o výpočet hustoty Země.

Pomocí jednoduchých torzních vah, která měřila velikost kroutící síly způsobené gravitačním působením dvou velkých koulí na menší pár, dokázal Cavendish vypočítat slabou gravitační přitažlivost mezi oběma páry koulí.

Při porovnání s gravitační přitažlivostí Země mohl vypočítat hustotu planety (a protože již byla známa velikost Země, i její hmotnost).

Údaj o hustotě ukázal, že naše planeta musí být z větší části pevná, pokud se někde v hlubinách nenachází extrémně husté neznámé materiály.

Jak víme, co se nachází v jádru Země?

Dnes jsme vnitřnosti Země rozdělili na tři segmenty: kůru, což je vnější vrstva o tloušťce 5 až 75 km, plášť, který sahá do hloubky asi 2 900 km, přičemž tloušťka jádra – kousek, který nás zde zajímá – sahá asi 3 500 km od středu Země a má dva odlišné segmenty.

Srdcem jádra je extrémně horká, ale stále pevná nikl-železná koule o poloměru asi 1 200 km. Při teplotě přibližně 5 400 °C má toto vnitřní jádro podobnou teplotu jako povrch Slunce. Zbytek tvoří tekuté vnější jádro Země, tvořené převážně niklem a železem, s podobnou teplotou, která se směrem ke středu zvyšuje.

Jak ale můžeme vědět takové podrobnosti o místě, které je tak nepřístupné?

Vzhledem k tomu, že je téměř nemožné dostat se k jádru byť jen na vzdálenost tisíce kilometrů, jsou všechny naše poznatky nepřímé a závisí na seismologii – vědě o zemětřeseních.

Po zemětřesení se Zemí šíří seismické vlny, které mění svůj tvar a směr v závislosti na materiálu, kterým procházejí. Geofyzici na základě těchto informací usuzují, co se nachází v zemském jádru

Jejich seismometry, přístroje na měření těchto vln, jsou obdobou teleskopů pro zkoumání zemského nitra.

Přečtěte si více o zemském jádru:

• Co se stane, když se zemské jádro ochladí?
• Zemské magnetické pole se častěji obrací – nyní víme proč
• Mohli bychom k zemskému jádru vyslat robotickou sondu?
• Má Měsíc roztavené jádro?

Na počátku 20. století rostoucí teploty při pronikání hlouběji do Země v kombinaci s analýzou zemských vln, kterou provedli seismologové, naznačovaly, že vnitřní části naší planety jsou přinejmenším částečně roztavené – dostatečně horké na to, aby se horniny a kovy změnily v kapalinu.

A klíčové objevy učinili dva vědci, kteří ostudně nebyli ani nominováni na Nobelovu cenu: Britský geolog Richard Oldham a dánská seismoložka Inge Lehmannová.

Co nám mohou vlny říci o struktuře Země?

Představte si vlnu a pravděpodobně vás napadne povrchová vlna, jakou můžete vidět na moři. Ale mnoho vln – například zvuk – se pohybuje tělesem materiálu.

Ačkoli seismické vlny, které způsobují škody při zemětřesení, jsou ty, které se pohybují po povrchu, existují také dva typy „vln tělesa“, které se pohybují Zemí. Vlny P („P“ znamená „primární“) jsou podélné vlny, podobně jako zvuk.

Vlny kmitají ve směru pohybu a způsobují, že se Země při jejich průchodu mačká a rozpíná.

P-vlny se šíří rychle – v horninách, jako je žula, asi 5 km za sekundu a v nejhustších částech pláště až 14 km za sekundu.

Druhý typ vlnění tělesa, S-vlny („S“ znamená „sekundární“), jsou pomalejší, příčné vlny, které se pohybují ze strany na stranu. Na rozdíl od vln P nemohou procházet kapalinou, což je důvod, proč se tyto dva typy vln ukázaly jako zásadní pro pochopení zemského jádra.

Představte si, že dojde k obrovskému zemětřesení. Zemí se začnou pohybovat vlny.

Vlny P vystřelují vpřed, zatímco vlny S je následují zhruba poloviční rychlostí. Oba typy vln zachytí seismometry, které se používají k měření vibrací země, po celé Zemi.

Ale tam, kde vlny procházejí jádrem, aby dosáhly vzdálené měřicí stanice, vzniká tzv. stínová zóna. Když pojedete asi 104° po obvodu Země od epicentra zemětřesení, vlny zmizí. Od úhlu 140° se však vlny P znovu objeví, aniž by je doprovázely vlny S.

Již v roce 1906 si Richard Oldham uvědomil důsledky tohoto zvláštního stínu. Oldham strávil většinu své kariéry v indické geologické službě a často pracoval v Himálaji.

Přečtěte si více o zemětřesení:

• Mohou nám zvířata pomoci předvídat zemětřesení?
• Jak zastavit zemětřesení
• Jak vypadá zemětřesení o síle 10 stupňů?
• Ploché desky souvisejí s mega zemětřeseními

Když v roce 1903 odešel na odpočinek do Velké Británie, využil data nashromážděná za několik předchozích let ke zkoumání nitra Země. Uvědomil si, že pozorované chování vln P a S lze vysvětlit, pokud je střed Země kapalný.

V takovém případě by se vlny P lámaly v kapalině, ohýbaly by se podobně jako světlo při přechodu z vody do vzduchu a zanechávaly by výrazný stín. S-vlny by naopak byly zcela zastaveny tekutým jádrem.

Oldhamův průlom vedl k všeobecně přijímané představě roztaveného jádra, ale o 30 let později si Inge Lehmann uvědomil, že Oldhamova představa je příliš jednoduchá.

Lom vln P hustou kapalinou ve středu Země měl způsobit úplný stín.

Měření provedená citlivějšími seismometry, které byly k dispozici v Lehmannově době, ve skutečnosti ukázala, že slabé vlny P stále přicházejí do zóny stínu.

Studiem dat procházejících planetou při zemětřesení na Novém Zélandu v roce 1929 Lehmann navrhl, že se tyto vlny odrážejí od hranice mezi vnitřním pevným jádrem a vnější kapalinou.

Její výsledky, publikované v roce 1936, potvrdili o dva roky později Beno Gutenberg a Charles Richter, kteří přesně modelovali účinky pevného jádra.

Přímé měření těchto odražených seismických vln konečně přišlo v roce 1970.

Z čeho se skládá jádro Země?

Další studie zachytily ještě jemnější vlny, které podle svého opožděného příchodu musely procházet kapalným vnějším jádrem jako vlny P, než se ve vnitřním jádře přeměnily na příčné vlny S a při cestě ven opět na vlny P.

Tento objev, potvrzený až v roce 2005, byl dalším důkazem pevného jádra.

I tak je přesná povaha vnitřního jádra předmětem značných diskusí. Například teploty lze zjistit pouze na základě experimentálních studií tání a tuhnutí materiálů pod tlakem.

V podstatě předpoklad, že jádro tvoří především železo a nikl, vychází z kombinace četnosti výskytu různých prvků v naší místní oblasti Mléčné dráhy a z našich znalostí o tom, jak naše planeta vznikla.

Pod obrovským tlakem v centru Země – více než třímilionkrát vyšším než atmosférický tlak – se materiály mohou chovat velmi odlišně od běžných podmínek.

Přestože nejzřejmějším kandidátem na vnitřní jádro je pevná slitina niklu a železa, je možné, že podobné vlastnosti bude mít i extrémně husté plazma – stav hmoty, který se nachází ve hvězdě. Jedním z problémů je poznat, jak se materiály chovají v tak extrémním prostředí.

Vstupte do buňky s diamantovou kovadlinkou.

V tomto pozoruhodném zařízení jsou k sobě přitisknuty hroty dvou diamantů o průměru pouhého zlomku milimetru.

Působení síly na malou plochu vyvolává větší tlak než působení na širokou plochu – proto je sešlápnutí jehlového podpatku mnohem bolestivější než plochá podrážka.

Diamantová kovadlina vytváří tlak až dvakrát vyšší, než je tlak v zemském jádře, a zahřívání se provádí pomocí laserů.

Když se kovové vzorky rozdrtí a zahřejí na podmínky podobné jádru, výsledky naznačují, že v centru Země je krystalické těleso.

Reálně se k zemskému jádru nikdy nepřiblížíme.

Úroveň tepla, tlaku a radioaktivity (jeden z hlavních zdrojů vnitřního ohřevu) je tak vysoká, že i kdybychom se dokázali provrtat více než 6 000 km skály a kovu, sonda by nebyla schopna přežít.

V porovnání s dosažením jádra je cesta do vnějších částí Sluneční soustavy triviální.

Ale vibrace naší planety, vznikající při zemětřeseních a interpretované tak geniálními vědci, jako je Inge Lehmann, nám dávají možnost prozkoumat myslí místa, která nikdy osobně nenavštívíme.

• Tento článek poprvé vyšel v čísle 304 časopisu BBC Focus