Laaja-alaisesti sanottuna Maassa on neljä kerrosta: kiinteä kuori ulkopuolella, vaippa ja ydin – joka jakautuu ulko- ja sisäytimeen.
Kuori
Kuori on kaikki se, mitä voimme nähdä ja tutkia suoraan. Maapallon ohuin kerros, maankuori on edelleen keskimäärin noin 40 km:n pituinen, ja sen syvyys vaihtelee 5-70 km:n (~3-44 mailin) välillä. Mutta planeetan mittakaavassa se on vähemmän kuin omenan kuori.
Kuorta on kahdenlaista: mannermaista ja valtamerten kuorta. Merenkuori löytyy valtamerten pohjasta tai mannermaisen kuoren alapuolelta; se on yleensä kovempaa ja syvemmällä ja koostuu tiheämmistä kivistä, kuten basaltista, kun taas mannermainen kuori sisältää graniittityyppisiä kiviä ja sedimenttejä. Mannermainen kuori on paksumpi maalla.
Kuori ei ole yksi jäykkä kappale, vaan se on jakautunut useisiin tektonisiin laattoihin. Nämä tektoniset levyt eivt ole paikallaan, vaan ne ovat suhteellisessa liikkeessa toisiinsa nähden. Riippuen suhteesta ja geologisesta ympäristöstä, tektonisia laattojen rajoja on kolmenlaisia: konvergentteja (liikkuvat toisiaan kohti), divergenttejä (liikkuvat toisistaan poispäin) ja transformantteja (liikkuvat sivusuunnassa).
Nämä laatat ”kelluvat” pehmeän, plastisen ylemmän vaipan päällä.
Vaippa
Vaippa ulottuu 2890 kilometrin päähän, mikä tekee siitä Maan paksuimman kerroksen. Sen osuus maapallon tilavuudesta on noin 84 %. Kaiken, mitä tiedämme vaipasta, tiedämme epäsuorasti, sillä missään ihmisen tekemässä tutkimuksessa ei ole onnistuttu menemään maankuoren yläpuolelle. Useimmat asiat, jotka tiedämme vaipasta, tiedämme seismologisten tutkimusten perusteella (siitä lisää myöhemmin).
Vaippa jaetaan myös useisiin kerroksiin seismologisten ominaisuuksien perusteella. Ylempi vaippa ulottuu siitä, missä kuori päättyy, noin 670 km:n päähän. Vaikka tätä aluetta pidetään viskoosina, sitä voidaan pitää myös kivestä muodostuneena – tarkemmin sanottuna peridotiitiksi kutsutusta kivestä. Tämän alapuolella alempi vaippa ulottuu 670 kilometristä lähes 2900 kilometriin maanpinnan alapuolelle.
Nyt on periaatteessa hyväksytty, että vaippa ei ole tasaisessa tilassa, vaan pikemminkin jatkuvassa liikkeessä. Mantelissa vallitsee yleinen konvektiivinen kierto, jossa kuumaa ainesta virtaa ylöspäin kohti pintaa ja viileämpää ainesta syvemmälle. Yleisesti ajatellaan, että tämä konvektio itse asiassa ohjaa levytektoniikan kiertoa maankuoressa.
Useimmat maanjäristykset syntyvät maan pinnalla, maankuoressa; kun laattojen välillä syntyy jännitteitä, ja kun nämä jännitteet purkautuvat tai kun jokin murtuu, syntyy maanjäristys. Maanjäristyksiä voi kuitenkin tapahtua myös vaipassa, ja niissä paineissa ei voi mitenkään puhua murtumista ja murtumisesta. Subduktioalueilla, joilla yksi taso painuu toisen alle, maanjäristyksiä on havaittu jopa 670 kilometrin syvyydessä. Näiden maanjäristysten mekanismia ei vieläkään ymmärretä hyvin, mutta yksi teorioista on, että jotkin mineraalit siirtyvät tilasta toiseen ja muuttavat samalla tilavuuttaan. Tämä tilavuuden muutos voi johtaa maanjäristyksiin.
Olemme kuitenkin yhä lähempänä vaipan ymmärtämistä – vaikkei sinne asti päästäkään. Viime aikoina tutkijat ovat päässeet lähelle manttelin korkean lämpötilan/paineen toistamista, ja korkeatasoiset tietokonemallit paljastavat myös joitakin sen salaisuuksia.
Sydän
Kutsumme joskus ydintä yhdeksi asiaksi, vaikka sisempi ydin ja ulompi ydin ovat pohjimmiltaan erilaisia – eivät saman asian kerroksia. ”Kiinteän” sisemmän ytimen säde on ~1 220 km, kun taas ”nestemäisen” ulomman ytimen säde ulottuu ~3 400 km:n säteelle asti.
Wait, jos emme voisi mennä vaippaan, miten voisimme tietää, että toinen on kiinteä ja toinen ei? No, kuten aiemminkin, vastaus on sama: seismiset aallot (olemme melkein perillä).
Sisäydin
Sisäytimen lämpötilat ja paineet ovat aivan äärimmäisiä, noin 5400 °C (9800 °F) ja 330-360 gigapascalia (3 300 000-3 600 000 atm).
Yleisesti uskotaan, että sisäydin kasvaa hyvin hitaasti – kun ydin jäähtyy, yhä enemmän ulkoydintä jähmettyy ja tulee osaksi sisäydintä. Jäähtymisnopeus on hyvin alhainen ajateltuna, noin 100 celsiusastetta miljardissa vuodessa. Jopa tällä hitaalla kasvulla uskotaan kuitenkin olevan merkittävä vaikutus Maan magneettikentän syntyyn nestemäisessä ulkoytimessä tapahtuvan dynamiotoiminnan ansiosta.
Melko mielenkiintoista on se, että sisäydin näyttäisikin olevan itä-länsi-viivan suhteen epäsymmetrinen. On olemassa malli, joka selittää tämän epäsymmetrian sulamisella toisella puolella ja kiteytymisellä toisella. Tämä anomalia vaikuttaa todennäköisesti myös Maan magneettikenttään luoden epäsymmetriaa kiteytymispuolelle.
Ulkoydin
Ulkoydin on alhaisen viskositeetin omaavaa nestettä (noin kymmenkertainen verrattuna nestemäisten metallien viskositeettiin maan pinnalla) – ”nestemäinen” on melko sopimaton termi. Koska sen viskositeetti on hyvin alhainen, se on helposti muodonmuutoskelpoinen ja muovautuva. Siinä tapahtuu voimakas konvektio. Sen uskotaan myös kärsivän hyvin voimakkaista konvektiovirtauksista – hei, ja arvatkaa mitä? Ulkoisen ytimen sekoittuminen ja sen suhteellinen liike on vastuussa Maan magneettikentästä.
Ulkoisen ytimen kuumin osa on itse asiassa kuumempi kuin sisäinen ydin; lämpötila voi nousta 6 000 celsiusasteeseen (10 800 Fahrenheit-asteeseen) – yhtä kuumaksi kuin auringon pinta.
Miten tiedämme maapallon kerroksista
Voitamme nähdä vain hyvin pieniä murto-osia maankuoresta, joka itsessään on pieni murto-osa planeettamme pinta-alasta – miten siis voimme tietää kaikki nämä asiat?
Noh, paras tietolähteemme ovat seismiset aallot. Kun maanjäristys tapahtuu, se vapauttaa paineaaltoja, jotka sitten etenevät koko planeetalla. Nämä aallot kuljettavat mukanaan tietoa kerroksista, joiden läpi ne kulkevat – myös vaipasta ja ytimestä. Tutkimalla aaltojen etenemistä tutkimalla aaltojen etenemistä maapallon läpi voimme saada tietoa maapallon sisätilan fysikaalisista ominaisuuksista. Esimerkiksi jotkin aallot etenevät vain kiinteän väliaineen läpi, kun taas toiset aallot etenevät sekä kiinteän että nestemäisen väliaineen läpi – joten ne voivat osoittaa, onko jokin kerros kiinteä vai ei. Seismiset aallot poimivat näytteitä kapeista alueista maapallon sisätiloissa, joten voimme myös eristää niiden välittämää tietoa; analysoimalla useita maanjäristyksiä, jotka on tallennettu useilla seismisillä asemilla, voimme tuottaa CAT-skannauksen kaltaisen analyysin alueesta.
Säteet taipuvat ja heijastuvat sen ympäristön ominaisuuksien perusteella, jonka läpi ne kulkevat, ja ympäristö vaikuttaa myös aallon nopeuteen.
Laboratoriossa tehdyt nykyaikaiset simulaatiot osoittivat lisäksi, miten mineraalit todennäköisesti käyttäytyvät näissä lämpötiloissa ja paineissa, ja meillä on myös epäsuoraa gravitaatio- ja magneettitietoa sekä tutkimuksia magmasta ja pinnalta löytyvistä kiteistä – mutta suurin osa tiedosta on peräisin maailmanlaajuisesta seismologiasta. On yksinkertaisesti hämmästyttävää, että ilman, että menemme edes lähellekään sitä, voimme tietää niin paljon maapallon kerroksista.