Maapallon ydin: mitä sen ytimessä on ja mistä tiedämme sen?

Kun tieteiskirjallisuuden uranuurtaja Jules Verne kirjoitti vuonna 1864 teoksensa Matka maan keskipisteeseen, hän todennäköisesti tiesi, että hänen juonensa oli puhdasta fantasiaa. Vernen hahmot pääsivät vain muutaman kilometrin syvyyteen, mutta ajatus siitä, että joku voisi edes harkita matkustamista maapallon ytimeen, oli hylätty jo ennen viktoriaanista aikaa.

Tosiasiassa vielä nykyäänkin kauimmaksi maapallosta on porattu noin 12 kilometriä, kun taas etäisyys maapallon keskipisteeseen on yli 500-kertainen, 6370 kilometriä.

Kuinkahan tiedämme, mitä maapallon alla piilee? Sen selvittäminen, mitä planeettamme ytimessä on, on ollut suurenmoinen tieteellinen arvoitus.

Mistä tiedämme, että maapallo on pyöreä?

Ajatus siitä, että maapallolla on mielekäs keskipiste, kulkee käsi kädessä sen kanssa, että planeetta on pallon muotoinen, ja olemme tienneet, ettemme asu kiekon päällä jo pitkään.

On myytti, että keskiaikaiset ihmiset ajattelivat, että maapallo on litteä – tämä on itse asiassa seurausta viktoriaanisen uskonnonvastaisen propagandan sekoituksesta ja tuon ajan tyyliteltyjen karttojen väärästä tulkinnasta.

Kreikkalainen moniottelija Eratosteenes mittasi ensimmäisen kerran etäisyyden maapallon pallon kehän ympärillä yli 2200 vuotta sitten, ja siitä lähtien on ollut selvää, että maapallolla täytyy olla keskus.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että varhaiset filosofit olisivat ajatelleet maapalloa samalla tavalla kuin me tänään.

Vanhan kreikkalaisen fysiikan mukaan maailma koostui sarjasta samankeskisiä palloja, jotka koostuivat neljästä peruselementistä: maasta, vedestä, ilmasta ja lopulta tulesta.

Tässä vanhimmassa tieteellisessä kuvassa planeetan keskipisteen täytyi olla kiinteä, sillä ilma ei voinut olla maapallon sisällä.

Selvästikään maapalloa ei ollut täysin veden ympäröimä, sillä muuten ei olisi ollut kuivaa maata, joten ajateltiin, että maapalloa oli hieman ulkonevaa – mikä tarkoitti, että mantereita saattoi olla vain yksi.

Amerikan löytäminen oli itse asiassa yksi ensimmäisistä kokeellisista tieteellisistä tuloksista, joka kumosi ajatuksen yhdestä mantereesta ja merkitsi merkittävää askelta matkalla muinaiskreikkalaisesta tieteellisestä ajattelusta eteenpäin.

Ajatus siitä, että maapallo olisi kokonaan ontto tai että sen keskipisteeseen ulottuisivat valtavat luolat, kuten Vernen kirjassa, on ollut suosittua kaunokirjallisuuden ja mytologian piirissä muinaisista ajoista lähtien, ja se on ollut esillä myös näennäistieteissä ja salaliittoteorioissa.

Ei kuitenkaan ole selvää, että kukaan tiedemies olisi koskaan ottanut tätä ajatusta vakavasti lukuun ottamatta tähtitieteilijä Edmond Halleya, joka ehdotti onttoa maapalloa selittääkseen joitakin epätavallisia kompassilukemia vuonna 1692.

Ja vuonna 1798 eräs englantilainen tiedemies ja eksentrikko löi lopullisen naulan ”ontto maapallo” -hypoteesin arkkuun. Eteenpäin astui Henry Cavendish, joka teki kokeen planeetan tarkasta punnitsemisesta.

Paljonko maapallo painaa?

Cavendish oli omituinen mies, joka kommunikoi palvelijoidensa kanssa vain muistiinpanojen välityksellä välttääkseen tapaamisia kasvotusten.

Aristokraattisesta taustastaan huolimatta Cavendish omisti elämänsä tieteelle ja työskenteli sekä kemian että fysiikan parissa, ja tunnetuimpana hän suunnitteli kokeen, jonka avulla hän pystyi laskemaan maapallon tiheyden.

Yksinkertaisen vääntövaakavaa’an avulla, joka mittasi kahden suuren pallon pienempään pallopariin kohdistaman gravitaatiovoiman aiheuttaman vääntövoiman määrää, Cavendish pystyi laskemaan kahden palloparin välisen heikon gravitaatiovoiman.

Vertaamalla tätä Maan omaan vetovoimaan hän pystyi laskemaan planeetan tiheyden (ja koska Maan koko oli jo tiedossa, myös sen massan).

Mutta tiheysluku osoitti, että planeettamme täytyi olla suurimmaksi osaksi kiinteä, ellei jossakin syvyyksissä ollut äärimmäisen tiheää tuntematonta materiaalia.

Miten tiedämme, mitä Maan ytimessä on?

Tänään jaoimme Maan sisuskalut kolmeen osaan: kuoreen, joka on uloin kerros, jonka paksuus vaihtelee 5 km:n ja 75 km:n välillä, vaippaan, joka ulottuu noin 2900 km:n syvyyteen, ja ytimen paksuus – se osa, josta olemme kiinnostuneita – ulottuu noin 3500 km:n etäisyydelle Maan keskipisteestä, ja siinä on kaksi erillistä osa-aluetta.

Ytimen ytimen ytimessä on äärimmäisen kuuma, mutta edelleen kiinteä nikkeli-rautapallo, jonka säde on noin 1200 km. Tämän sisemmän ytimen lämpötila on noin 5400 °C ja se vastaa lämpötilaltaan Auringon pintaa. Loppuosa on Maan nestemäistä ulkosydäntä, joka koostuu enimmäkseen nikkeliraudasta ja jonka lämpötila on samankaltainen ja kuumenee keskustaa kohti.

Mutta miten voimme tietää näin paljon yksityiskohtia paikasta, joka on niin saavuttamattomissa?

Koska on lähes mahdotonta päästä edes tuhannen kilometrin päähän ytimestä, kaikki tietomme ovat epäsuoraa tietoa, ja ne ovat riippuvaisia seismologiasta, eli tieteestä, joka tutkii maanjäristyksiä.

Järistyksen jälkeen seismiset aallot kulkevat maan läpi muuttaen muotoaan ja suuntaansa sen mukaan, minkä materiaalin läpi ne kulkevat. Geofyysikot ovat käyttäneet tätä tietoa päättelyyn siitä, mitä maapallon ytimessä on.

Heidän seismometrinsä, laitteet tällaisten aaltojen mittaamiseen, vastaavat teleskooppeja, joilla tutkitaan maapallon sisintä.

Lue lisää maapallon ytimestä:

• Mitä tapahtuisi, jos maapallon ydin jäähtyisi?
• Maailman magneettikenttä kääntyy useammin – nyt tiedämme miksi
• Voisimmeko lähettää robottiluotaimen maapallon ytimeen?
• Onko Kuulla sulanut ydin?

20. vuosisadan alussa lämpötilan nousu sitä mukaa, kun kaivoimme syvemmälle Maahan, yhdistettynä seismologien tekemiin analyyseihin maanpäällisistä aalloista, viittasivat siihen, että planeettamme sisäosat olivat ainakin osittain sulatettuja – tarpeeksi kuumia muuttaakseen kiven ja metallin nestemäisiksi.

Ja keskeiset havainnot teki kaksi tiedemiestä, jotka häpeällisen häpeällisesti eivät koskaan joutuneet edes ehdokkaiksi Nobel-palkinnon saajiksi: Brittiläinen geologi Richard Oldham ja tanskalainen seismologi Inge Lehmann.

Mitä aallot voivat kertoa meille maapallon rakenteesta?

Ajattele aaltoja, ja luultavasti ajattelet pinta-aaltoja, jollaisia näet merellä. Mutta monet aallot – esimerkiksi ääni – kulkevat aineen rungon läpi.

Vaikka maanjäristyksessä vahinkoa aiheuttavat seismiset aallot ovat pinnalla kulkevia aaltoja, on olemassa myös kahdenlaisia ”rungon aaltoja”, jotka liikkuvat maapallon läpi. P-aallot (”P” tarkoittaa ”primaariaaltoa”) ovat pitkittäisaaltoja, aivan kuten ääni.

Ne värähtelevät liikesuunnassa, jolloin maa puristuu ja laajenee niiden kulkiessa.

P-aallot etenevät nopeasti – noin 5 kilometriä sekunnissa graniitin kaltaisessa kivessä ja jopa 14 kilometriä sekunnissa vaipan tiheimmissä osissa.

Toisenlaiset kappaleaallot, S-aallot (’S’ tarkoittaa ’sekundaarista’), ovat hitaampia, poikittaisia aaltoja, jotka liikkuvat sivulta toiselle. Toisin kuin P-aallot, ne eivät voi kulkea nesteen läpi, minkä vuoksi nämä kaksi aaltotyyppiä osoittautuivat olennaisen tärkeiksi maapallon ytimen ymmärtämisessä.

Kuvitellaan, että tapahtuu valtava maanjäristys. Aallot alkavat liikkua maan läpi.

P-aallot ampuvat eteenpäin, kun taas S-aallot seuraavat perässä noin puolet nopeammin. Molemmat aaltotyypit havaitaan seismometreillä, joilla mitataan maanpinnan värähtelyjä kaikkialla maapallolla.

Mutta siellä, missä aallot kulkevat ytimen läpi päästäkseen kaukaiseen mittausasemaan, on niin sanottu varjoalue. Matkusta noin 104° maapallon kehän ympäri järistyksen epikentästä, niin aallot häviävät. Mutta 140°:sta eteenpäin P-aallot ilmaantuvat uudelleen, mutta niihin ei liity S-aaltoja.

Richard Oldham tajusi jo vuonna 1906 tämän oudon varjon merkityksen. Oldham vietti suurimman osan urastaan Intian geologisessa tutkimuslaitoksessa työskennellen usein Himalajalla.

Lue lisää maanjäristyksistä:

• Voivatko eläimet auttaa meitä ennustamaan maanjäristyksiä?
• Miten maanjäristys pysäytetään
• Millainen on magnitudin 10 maanjäristys?
• Litteät lautaset yhdistetään megaluokan maanjäristyksiin

Kun hän jäi eläkkeelle Isoon-Britanniaan vuonna 1903, hän hyödynsi aiempien vuosien aikana kertynyttä tietoa tutkiakseen maapallon sisintä. Hän tajusi, että havaittu P- ja S-aaltojen käyttäytyminen voitaisiin selittää, jos maapallon keskusta olisi nestemäinen.

Tällöin P-aallot taittuisivat nesteessä ja taittuisivat, kuten valo taittuu siirtyessään vedestä ilmaan, jättäen jälkeensä erottuvan varjon. S-aallot sen sijaan pysähtyisivät kokonaan nestemäiseen ytimeen.

Oldhamin läpimurto johti laajalti hyväksyttyyn kuvaan sulasta ytimestä, mutta 30 vuotta myöhemmin Inge Lehmann tajusi, että Oldhamin ajatus oli liian yksinkertainen.

P-aaltojen taittumisen maapallon keskellä olevan tiheän nesteen takia olisi pitänyt synnyttää totaalinen varjo.

Tosiasiassa mittaukset, jotka tehtiin Lehmannin aikaan käytettävissä olleilla herkemmillä seismometreillä, osoittivat, että heikkoja P-aaltoja saapui edelleen varjoalueelle.

Tutkimalla vuoden 1929 Uuden-Seelannin maanjäristyksestä planeetan läpi kulkevaa dataa Lehmann esitti, että nämä aallot heijastuivat sisemmän kiinteän ytimen ja ulomman nestemäisen aineen välisestä rajasta.

Hänen vuonna 1936 julkaisemansa tulokset vahvistivat kaksi vuotta myöhemmin Beno Gutenberg ja Charles Richter, jotka mallinsivat tarkasti kiinteän ytimen vaikutukset.

Suorat mittaukset näistä heijastuneista seismisistä aalloista saatiin vihdoin vuonna 1970.

Mistä Maan ydin on tehty?

Jatkotutkimukset havaitsivat vielä hienovaraisempia aaltoja, joiden myöhäisen saapumisen vuoksi niiden oli täytynyt kulkea nestemäisen ulomman ytimen läpi P-aaltoina, ennen kuin ne muuttuivat poikittaisiksi S-aalloiksi sisemmässä ytimessä ja palasivat sitten takaisin P-aalloiksi matkalla ulos.

Tämä löytö, joka vahvistettiin vasta vuonna 2005, oli lisätodisteena kiinteästä ytimestä.

Sisäisen ytimen täsmällisestä luonteesta kiistellään kuitenkin edelleen paljon. Esimerkiksi lämpötilat voidaan selvittää vain kokeellisesti tutkimalla, miten materiaalit sulavat ja jähmettyvät paineen alaisena.

Tosiasiassa olettamus, jonka mukaan ydin koostuu ensisijaisesti raudasta ja nikkelistä, perustuu yhdistelmään, jossa yhdistyvät eri alkuaineitten esiintymistiheys paikallisella alueellamme Linnunradan alueella ja ymmärryksemme planeettamme muodostumisesta.

Maailman keskipisteen valtavassa paineessa – yli kolme miljoonaa kertaa ilmakehän paine – materiaalit voivat käyttäytyä hyvin eri tavalla kuin normaaliolosuhteissa.

Vaikka ilmeisin ehdokas sisimmäksi ytimeksi on kiinteä nikkeli-rautaseos, on mahdollista, että äärimmäisen tiheällä plasmalla – tähdessä esiintyvällä aineen olomuodolla – voisi olla samankaltaisia ominaisuuksia. Yksi vaikeuksista tässä on tietää, miten materiaalit käyttäytyvät tällaisissa äärimmäisissä ympäristöissä.

Tulkaa timanttianvillikennoon.

Tässä merkittävässä laitteessa kahden, vain millimetrin murto-osan läpimittaisen timantin kärjet puristetaan yhteen.

Voiman kohdistaminen pieneen pinta-alaan tuottaa enemmän painetta kuin sen kohdistaminen leveään pinta-alaan – siksi stileton kantapään tallaaminen on paljon kivuliaampaa kuin litteän jalkapohjan tallaaminen.

Timanttialustalla luodaan paineita, jotka ovat jopa kaksi kertaa suuremmat kuin Maan ytimessä, ja lämmittäminen tapahtuu lasereilla.

Kun metallinäytteitä murskataan ja lämmitetään ytimen kaltaisiin olosuhteisiin, tulokset viittaavat siihen, että Maan ytimessä on kiteinen kiinteä aine.

Realistisesti ajateltuna emme tule koskaan pääsemään lähellekään Maan ydintä.

Lämpötila, paine ja radioaktiivisuus (yksi sisäisen kuumenemisen tärkeimmistä lähteistä) ovat niin korkeat, että vaikka voisimme porautua yli 6 000 kilometrin pituisen kallion ja metallin läpi, luotain ei selviäisi siitä.

Vertailtuna ytimeen pääsemiseen, matka Aurinkokunnan uloimmille alueille on triviaali.

Mutta planeettamme omat värähtelyt, joita maanjäristykset tuottavat ja joita Inge Lehmannin kaltaiset nerokkaat tiedemiehet tulkitsevat, antavat meille keinot tutkia mielellämme paikkoja, joissa emme koskaan tule käymään henkilökohtaisesti.

• Tämä artikkeli ilmestyi ensimmäisen kerran BBC Focus -lehden numerossa 304.