Ogólnie rzecz biorąc, Ziemia ma cztery warstwy: stałą skorupę na zewnątrz, płaszcz i rdzeń – podzielony na rdzeń zewnętrzny i wewnętrzny.
Skorupa
Skorupa to wszystko, co możemy bezpośrednio zobaczyć i zbadać. Najcieńsza warstwa Ziemi, skorupa nadal mierzy średnio około 40 km, a jej głębokość waha się od 5-70 km (~3-44 mil). Ale w skali planety to mniej niż skórka jabłka.
Istnieją dwa rodzaje skorupy: kontynentalna i oceaniczna. Skorupę oceaniczną można znaleźć na dnie oceanów lub poniżej skorupy kontynentalnej; jest ona na ogół twardsza i głębsza, składa się z gęstszych skał, takich jak bazalt, podczas gdy skorupa kontynentalna zawiera skały typu granitowego i osady. Skorupa kontynentalna grubsza na lądzie.
Skorupa ziemska nie jest jedną sztywną rzeczą, ale jest podzielona na kilka płyt tektonicznych. Te płyty tektoniczne nie są nieruchome, ale są w ruchu względnym jedna od drugiej. W zależności od relacji i ustawienia geologicznego, istnieją trzy rodzaje granic płyt tektonicznych: zbieżne (przesuwające się jedna w kierunku drugiej), rozbieżne (oddalające się od drugiej) i transformujące (przesuwające się na boki).
Płyty te „pływają” na miękkim, plastycznym górnym płaszczu.
Płaszcz
Płaszcz rozciąga się w dół na 2 890 km, co czyni go najgrubszą warstwą Ziemi. Stanowi on około 84% objętości Ziemi. Wszystko, co wiemy o płaszczu, wiemy pośrednio, ponieważ żadne ludzkie badania nie zdołały wyjść poza skorupę. Większość rzeczy, które wiemy o płaszczu, wiemy z badań sejsmologicznych (więcej na ten temat później).
Płaszcz jest również podzielony na kilka warstw, w oparciu o właściwości sejsmologiczne. Górna warstwa płaszcza rozciąga się od miejsca, gdzie kończy się skorupa do około 670 km. Mimo że ten obszar jest uważany za lepki, można go również uznać za utworzony ze skały – dokładniej skały zwanej perydotytem. Poniżej tego obszaru, niższy płaszcz rozciąga się od 670 do prawie 2900 kilometrów pod powierzchnią.
Zasadniczo przyjęło się już, że płaszcz nie znajduje się w stanie ustalonym, lecz raczej w stanie ciągłego ruchu. Istnieje ogólna cyrkulacja konwekcyjna, w której gorący materiał unosi się ku powierzchni, a chłodniejszy schodzi głębiej. Ogólnie uważa się, że ta konwekcja faktycznie kieruje obiegiem tektoniki płyt w skorupie.
Większość trzęsień ziemi powstaje na powierzchni, w skorupie ziemskiej; w miarę przesuwania się płyt tworzą się napięcia, a kiedy te napięcia się uwalniają lub kiedy coś pęka, mamy trzęsienie ziemi. Jednakże trzęsienia ziemi mogą się również zdarzyć w płaszczu, a przy takich ciśnieniach nie można mówić o uskokach i pęknięciach. W obszarach subdukcji, gdzie jedna płaszczyzna przechodzi pod drugą, trzęsienia ziemi zaobserwowano na głębokości do 670 km. Mechanizm tych trzęsień ziemi nie jest jeszcze dobrze poznany, ale jedna z teorii mówi, że niektóre minerały przechodzą z jednego stanu w drugi, zmieniając w tym procesie swoją objętość. Ta zmiana objętości może prowadzić do trzęsień ziemi.
Jednakże jesteśmy coraz bliżej zrozumienia płaszcza – nawet bez dotarcia tam. W ostatnich czasach naukowcy zbliżyli się do odtworzenia wysokiej temperatury/ciśnienia w płaszczu, a wysokopoziomowe modele komputerowe również ujawniają niektóre z jego tajemnic.
Rdzeń
Czasami mówimy o rdzeniu jako o jednej rzeczy, chociaż rdzeń wewnętrzny i rdzeń zewnętrzny są zasadniczo różne – nie są warstwami tej samej rzeczy. Stałe” jądro wewnętrzne ma promień ~1,220 km, podczas gdy „płynne” jądro zewnętrzne rozciąga się aż do promienia ~3,400 km.
Czekaj, jeśli nie moglibyśmy przejść do płaszcza, skąd moglibyśmy wiedzieć, że jedno jest stałe, a drugie nie? Cóż, tak jak poprzednio, odpowiedź jest taka sama: fale sejsmiczne (już prawie tam jesteśmy).
Jądro wewnętrzne
Temperatury i ciśnienia panujące w jądrze wewnętrznym są absolutnie ekstremalne, w przybliżeniu 5 400 °C (9 800 °F) i 330 do 360 gigapaskali (3 300 000 do 3 600 000 atm).
Powszechnie uważa się, że wewnętrzne jądro rośnie bardzo powoli – w miarę jak jądro się ochładza, coraz więcej zewnętrznego jądra krzepnie i staje się częścią wewnętrznego jądra. Tempo stygnięcia jest bardzo niskie, wynosi około 100 stopni Celsjusza na miliard lat. Jednakże uważa się, że nawet ten powolny wzrost ma znaczący wpływ na generowanie ziemskiego pola magnetycznego poprzez działanie dynamo w płynnym jądrze zewnętrznym.
Co ciekawe, jądro wewnętrzne wydaje się być asymetryczne na linii wschód-zachód. Istnieje model, który tłumaczy tę asymetrię topnieniem po jednej stronie i krystalizacją po drugiej. Ta anomalia prawdopodobnie wpływa również na ziemskie pole magnetyczne, tworząc asymetrię po stronie krystalizacji.
Zewnętrzne jądro
Zewnętrzne jądro jest płynem o niskiej lepkości (około dziesięć razy większej niż lepkość ciekłych metali na powierzchni) – „płyn” to raczej niewłaściwe określenie. Ponieważ ma bardzo niską lepkość, jest łatwo odkształcalny i plastyczny. Jest miejscem gwałtownej konwekcji. Uważa się również, że występują w nim bardzo gwałtowne prądy konwekcyjne – hej, i zgadnijcie co? Zawirowania w jądrze zewnętrznym i jego względny ruch jest odpowiedzialny za ziemskie pole magnetyczne.
Najgorętsza część jądra zewnętrznego jest w rzeczywistości gorętsza niż jądro wewnętrzne; temperatury mogą osiągać 6,000° Celsjusza (10,800° Fahrenheita) – tak gorące jak powierzchnia Słońca.
Skąd wiemy o warstwach Ziemi
Możemy zobaczyć tylko bardzo małe fragmenty skorupy ziemskiej, która sama w sobie jest małym fragmentem naszej planety – więc skąd możemy wiedzieć te wszystkie rzeczy?
Najlepszym źródłem informacji, jakie posiadamy, są fale sejsmiczne. Kiedy ma miejsce trzęsienie ziemi, uwalnia ono fale ciśnienia, które następnie rozchodzą się po całej planecie. Fale te niosą ze sobą informacje z warstw, przez które przechodzą – w tym z płaszcza i jądra. Badając rozchodzenie się fal w Ziemi, możemy dowiedzieć się o fizycznych właściwościach jej wnętrza. Na przykład, niektóre fale rozchodzą się tylko przez ośrodki stałe, podczas gdy inne rozchodzą się zarówno przez ośrodki stałe, jak i ciekłe – mogą więc pokazać, czy dana warstwa jest stała, czy nie. Fale sejsmiczne próbkują wąskie pasma wnętrza Ziemi, więc możemy również wyizolować informacje, które niosą; analizując kilka trzęsień ziemi zarejestrowanych w kilku stacjach sejsmicznych, możemy stworzyć analizę obszaru podobną do tomografii komputerowej.
Fale uginają się i odbijają w oparciu o właściwości środowiska, przez które przechodzą, a prędkość fali jest również uzależniona od środowiska.
Więcej, nowoczesne symulacje w laboratorium pokazały, jak minerały prawdopodobnie zachowują się w tych temperaturach i ciśnieniach, a także mamy pośrednie informacje grawitacyjne i magnetyczne, jak również badania magmy i kryształów znalezionych na powierzchni – ale większość informacji pochodzi z globalnej sejsmologii. To po prostu niesamowite, że nie zbliżając się nawet do niej, możemy wiedzieć tak wiele o warstwach Ziemi.