Nucleul Pământului: ce se află în centru și cum putem ști?

Când pionierul scriitorului de science-fiction Jules Verne a scris Călătorie spre centrul Pământului în 1864, probabil că știa că intriga sa era pură fantezie. Personajele lui Verne nu au ajuns decât la câțiva kilometri adâncime, dar ideea că cineva ar putea măcar să se gândească să călătorească până în centrul Pământului fusese respinsă înainte de epoca victoriană.

De fapt, chiar și astăzi, cea mai mare distanță pe care am forat-o în interiorul Pământului este de aproximativ 12 km, în timp ce distanța până în centrul Pământului este de peste 500 de ori mai mare, de 6.370 km.

Înseamnă că de unde știm ce se află dedesubt? Descoperirea a ceea ce se află în inima planetei noastre a fost un puzzle științific magnific.

Cum știm că Pământul este rotund?

Ideea că Pământul are un centru semnificativ merge mână în mână cu faptul că planeta are forma unei mingi, iar noi știm de mult timp că nu trăim pe un disc.

Este un mit faptul că oamenii din Evul Mediu credeau că Pământul este plat – de fapt, acest lucru provine dintr-un amestec de propagandă antireligioasă victoriană și o interpretare greșită a hărților stilizate din acea perioadă.

Cu mai bine de 2.200 de ani în urmă, polimatul grec Eratostene a făcut prima măsurătoare a distanței în jurul sferei Pământului, iar de atunci a fost clar că acesta trebuie să aibă un centru.

Aceasta nu înseamnă, totuși, că primii filozofi gândeau despre Pământ așa cum o facem noi astăzi.

Fizica greacă veche spunea că lumea consta dintr-o serie de sfere concentrice formate din patru elemente fundamentale: pământ, apă, aer și, în cele din urmă, foc.

În această imagine științifică mai veche, centrul planetei trebuia să fie solid, deoarece aerul nu se putea afla în interiorul sferei pământului.

Evident, sfera Pământului nu era complet înconjurată de apă, altfel nu ar fi existat uscat, așa că se credea că există o bucățică de pământ care să iasă în afară – ceea ce înseamnă că nu putea exista decât un singur continent.

În consecință, descoperirea Americilor a fost, de fapt, unul dintre primele rezultate științifice experimentale, infirmând ideea unui singur continent și marcând un pas important pe drumul spre depășirea gândirii științifice din Grecia Antică.

Ideea că Pământul ar fi în întregime gol, sau că ar avea caverne vaste care ajung până în centru, ca în cartea lui Verne, a fost populară în ficțiune și mitologie încă din antichitate, apărând, de asemenea, în pseudoștiință și în teoriile conspirației.

Cu toate acestea, nu este clar că vreun om de știință, în afară de astronomul Edmond Halley, care a propus un Pământ gol pentru a explica unele citiri neobișnuite ale busolei în 1692, a luat vreodată în serios această idee.

Și în 1798, un om de știință și excentric englez a pus ultimul cui în sicriul ipotezei „Pământului gol”. A făcut un pas înainte Henry Cavendish, cu un experiment pentru a cântări cu exactitate planeta.

Cât cântărește Pământul?

Cavendish a fost un om ciudat, care comunica cu servitorii săi doar prin notițe pentru a evita să se întâlnească cu ei față în față.

În ciuda trecutului său aristocratic, Cavendish și-a dedicat viața științei, lucrând atât în domeniul chimiei, cât și al fizicii, și cel mai faimos a conceput un experiment pentru a calcula densitatea Pământului.

Utilizând o simplă balanță de torsiune, care măsura cantitatea de forță de torsiune cauzată de atracția gravitațională a două bile mari asupra unei perechi mai mici, Cavendish a reușit să calculeze atracția gravitațională slabă dintre cele două perechi de bile.

Comparând acest lucru cu propria atracție gravitațională a Pământului, el a putut calcula densitatea planetei (și, deoarece dimensiunea Pământului era deja cunoscută, și masa sa).

Dar cifra densității a arătat că planeta noastră trebuie să fie în mare parte solidă, cu excepția cazului în care există materiale necunoscute extrem de dense undeva în adâncuri.

Cum știm ce se află în centrul Pământului?

Astăzi, împărțim măruntaiele Pământului în trei segmente: scoarța, care este stratul exterior, cu o grosime cuprinsă între 5 km și 75 km, mantaua, care se întinde până la o adâncime de aproximativ 2.900 km, iar grosimea nucleului – partea care ne interesează aici – se întinde la aproximativ 3.500 km din centrul Pământului, cu două segmente distincte.

În inima nucleului se află o sferă de nichel-fier extrem de fierbinte, dar încă solidă, cu o rază de aproximativ 1.200 km. La aproximativ 5.400°C, acest nucleu interior are o temperatură similară cu cea a suprafeței Soarelui. Restul este nucleul exterior lichid al Pământului, alcătuit în cea mai mare parte din nichel-fier, cu temperaturi similare, devenind din ce în ce mai fierbinte spre centru.

Dar cum este posibil să cunoaștem astfel de detalii despre o locație atât de inaccesibilă?

Datorită cvasi-imposibilității de a ajunge vreodată chiar și la o mie de kilometri de nucleu, toate cunoștințele noastre sunt indirecte și depind de seismologie – știința cutremurelor.

După un cutremur, undele seismice călătoresc prin Pământ, schimbându-și forma și direcția în funcție de materialele pe care le traversează. Geofizicienii au folosit aceste informații pentru a deduce ce se află în miezul Pământului.

Seismometrele lor, dispozitive de măsurare a acestor unde, sunt echivalentul unor telescoape pentru explorarea interiorului Pământului.

Citește mai multe despre nucleul Pământului:

• Ce s-ar întâmpla dacă nucleul Pământului s-ar răci?
• Câmpurile magnetice ale Pământului se inversează mai des – acum știm de ce
• Am putea trimite o sondă robotică în nucleul Pământului?
• Luna are un nucleu topit?

Până la începutul secolului al XX-lea, creșterea temperaturilor pe măsură ce săpam mai adânc în interiorul Pământului, combinată cu analiza seismologilor a undelor terestre, a sugerat că părțile interioare ale planetei noastre erau cel puțin parțial topite – suficient de fierbinți pentru a transforma roca și metalul în lichid.

Și descoperirile cheie au fost făcute de doi oameni de știință care, rușinos, nu au fost niciodată nominalizați pentru Premiul Nobel: Geologul britanic Richard Oldham și seismologul danez Inge Lehmann.

Ce ne pot spune valurile despre structura Pământului?

Gândiți-vă la un val și probabil că vă veți gândi la un val de suprafață, cum ar fi unul pe care îl vedeți pe mare. Dar multe unde – sunetul, de exemplu – se deplasează prin corpul unui material.

Chiar dacă undele seismice care provoacă pagube la un cutremur sunt cele care se deplasează la suprafață, există, de asemenea, două tipuri de „unde de corp” care se deplasează prin Pământ. Undele P („P” vine de la „primar”) sunt unde longitudinale, la fel ca sunetul.

Ele vibrează în direcția mișcării, făcând ca Pământul să se strivească și să se extindă pe măsură ce trec prin el.

Undele P se deplasează rapid – în jur de 5 km pe secundă într-o rocă precum granitul și până la 14 km pe secundă în cele mai dense părți ale mantalei.

Cel de-al doilea tip de unde ale corpului, undele S („S” înseamnă „secundar”), sunt unde transversale, mai lente, care se deplasează dintr-o parte în alta. Spre deosebire de undele P, ele nu se pot deplasa printr-un lichid, motiv pentru care aceste două tipuri de unde s-au dovedit esențiale pentru a ne ajuta să înțelegem nucleul Pământului.

Imaginați-vă că are loc un cutremur uriaș. Undele încep să se deplaseze prin Pământ.

Undele P pornesc înainte, în timp ce undele S urmează în urmă cu aproximativ jumătate din viteză. Ambele tipuri de unde vor fi detectate de seismometre, care sunt folosite pentru a măsura vibrațiile din sol, pe tot cuprinsul Pământului.

Dar acolo unde undele trec prin nucleu pentru a ajunge la o stație de măsurare îndepărtată, există o așa-numită zonă de umbră. Călătoriți aproximativ 104° în jurul perimetrului Pământului de la epicentrul cutremurului și undele dispar. Dar de la 140° în sus, undele P reapar, fără undele S care să le însoțească.

Încă din 1906, Richard Oldham și-a dat seama de implicațiile acestei umbre ciudate. Oldham și-a petrecut cea mai mare parte a carierei sale la Geological Survey of India, lucrând adesea în Himalaya.

Citește mai multe despre cutremure:

• Pot să ne ajute animalele să prezicem cutremurele?
• Cum să oprim un cutremur
• Cum este un cutremur de magnitudine 10?
• Placi plane legate de mega cutremure

Când s-a retras în Marea Britanie în 1903, a folosit datele acumulate în anii anteriori pentru a cerceta interiorul Pământului. El și-a dat seama că comportamentul observat al undelor P și S ar putea fi explicat dacă centrul Pământului ar fi lichid.

În acest caz, undele P ar fi refractate de lichid, îndoindu-se așa cum face lumina atunci când trece din apă în aer, lăsând o umbră distinctă. Prin contrast, undele S ar fi oprite în întregime de un nucleu lichid.

Descoperirea lui Oldham a dus la o imagine larg acceptată a unui nucleu topit, dar 30 de ani mai târziu, Inge Lehmann și-a dat seama că ideea lui Oldham era prea simplă.

Refracția undelor P de către lichidul dens din centrul Pământului ar fi trebuit să producă o umbră totală.

De fapt, măsurătorile făcute cu seismometrele mai sensibile disponibile pe vremea lui Lehmann au arătat că undele P slabe încă ajungeau în zona de umbră.

Prin studierea datelor care au traversat planeta în urma unui cutremur din Noua Zeelandă din 1929, Lehmann a propus că aceste unde erau reflectate de la granița dintre un nucleu solid interior și lichidul exterior.

Rezultatele sale, publicate în 1936, au fost confirmate doi ani mai târziu de Beno Gutenberg și Charles Richter, care au modelat cu exactitate efectele unui nucleu solid.

Măsurătorile directe ale acestor unde seismice reflectate au apărut în sfârșit în 1970.

Din ce este alcătuit nucleul Pământului?

Studiile ulterioare au detectat unde și mai subtile care, din cauza sosirii lor întârziate, trebuie să fi traversat nucleul exterior lichid ca unde P, înainte de a fi convertite în unde S transversale în nucleul interior și apoi din nou în unde P la ieșire.

Această descoperire, confirmată abia în 2005, a fost o dovadă în plus a nucleului solid.

Chiar și așa, natura exactă a nucleului interior este supusă unor dezbateri semnificative. Temperaturile, de exemplu, pot fi elaborate doar din studii experimentale privind modul în care materialele se topesc și se solidifică sub presiune.

De fapt, presupunerea că nucleul este format în principal din fier și nichel provine dintr-o combinație între frecvența cu care apar diferite elemente în regiunea noastră locală din Calea Lactee și înțelegerea noastră privind modul în care s-a format planeta noastră.

Sub presiunea imensă din centrul Pământului – de peste trei milioane de ori mai mare decât presiunea atmosferică – materialele pot acționa foarte diferit față de condițiile normale.

În timp ce cel mai evident concurent pentru nucleul interior este un aliaj solid de fier și nichel, este posibil ca o plasmă extrem de densă – starea materiei întâlnită într-o stea – să aibă proprietăți similare. Una dintre dificultățile în acest caz este cunoașterea modului în care materialele se comportă în astfel de medii extreme.

Intrați în celula cu nicovală de diamant.

În acest dispozitiv remarcabil, vârfurile a două diamante, cu diametrul de doar o fracțiune de milimetru, sunt strânse împreună.

Aplicarea unei forțe pe o suprafață mică produce mai multă presiune decât aplicarea ei pe o suprafață largă – acesta este motivul pentru care a fi călcat în picioare de un toc stiletto este mult mai dureros decât o talpă plată.

Anclupa de diamant creează presiuni de până la de două ori mai mari decât cea a miezului Pământului, iar încălzirea este aplicată cu ajutorul laserelor.

Când eșantioane metalice sunt zdrobite și încălzite în condiții asemănătoare miezului, rezultatele sugerează existența unui solid cristalin în centrul Pământului.

În mod realist, nu ne vom apropia niciodată de miezul Pământului.

Nivelurile de căldură, presiune și radioactivitate (una dintre principalele surse de încălzire internă) sunt atât de ridicate încât, chiar dacă am putea străpunge peste 6.000 km de rocă și metal, o sondă ar fi incapabilă să supraviețuiască.

În comparație cu atingerea nucleului, călătoria în zonele exterioare ale Sistemului Solar este trivială.

Dar propriile vibrații ale planetei noastre, produse de cutremure și interpretate de oameni de știință la fel de ingenioși ca Inge Lehmann, ne oferă mijloacele de a explora cu mintea noastră acolo unde nu vom vizita niciodată în persoană.

• Acest articol a apărut pentru prima dată în numărul 304 al BBC Focus

.