I grova drag har jorden fyra lager: den fasta jordskorpan på utsidan, manteln och kärnan – uppdelad mellan den yttre kärnan och den inre kärnan.
Den fasta jordskorpan
Den fasta jordskorpan är allt som vi kan se och studera direkt. Jordskorpan, som är det tunnaste skiktet på jorden, mäter fortfarande ca 40 km i genomsnitt, med ett djup på mellan 5-70 km (~3-44 miles). Men i planetens skala är det mindre än skalet på ett äpple.
Det finns två typer av skorpa: kontinentalskorpa och oceanisk skorpa. Oceanisk skorpa finns på botten av haven eller under kontinentalskorpan; den är i allmänhet hårdare och djupare och består av tätare bergarter som basalt, medan kontinentalskorpan innehåller bergarter av granittyp och sediment. Den kontinentala skorpan är tjockare på land.
Skorpan är inte en enda stel sak, utan den är uppdelad i flera tektoniska plattor. Dessa tektoniska plattor är inte stationära utan befinner sig i relativ rörelse varandra. Beroende på förhållandet och den geologiska inställningen finns det tre typer av tektoniska plattgränser: konvergerande (rör sig den ena mot den andra), divergerande (rör sig bort från den andra) och transformant (rör sig i sidled).
Dessa plattor ”flyter” på den mjuka, plastiska övre manteln.
Manteln
Manteln sträcker sig ner 2 890 km, vilket gör den till det tjockaste lagret på jorden. Den utgör ungefär 84 procent av jordens volym. Allt vi vet om manteln vet vi indirekt, eftersom ingen mänsklig studie lyckades gå längre än till jordskorpan. Det mesta vi vet om manteln vet vi från seismologiska studier (mer om det senare).
Manteln delas också in i flera lager, baserat på seismologiska egenskaper. Den övre manteln sträcker sig från där skorpan slutar till ungefär 670 km. Även om detta område anses vara visköst kan man också betrakta det som bildat av sten – en sten som närmare bestämt kallas peridotit. Därunder sträcker sig den nedre manteln från 670 till nästan 2900 kilometer under ytan.
Det är i princip accepterat vid det här laget att manteln inte befinner sig i ett stabilt tillstånd, utan snarare i ett tillstånd av ständig rörelse. Det finns en allmän konvektiv cirkulation, med varmt material som stiger upp mot ytan och kallare material som går djupare ner. Det anses allmänt att denna konvektion faktiskt styr cirkulationen av plattektoniken i jordskorpan.
De flesta jordbävningar bildas på ytan, i jordskorpan; när plattorna ebbar och drar uppstår spänningar och när dessa spänningar släpper eller när något går sönder får man en jordbävning. Jordbävningar kan dock också ske i manteln, och vid dessa tryck kan man omöjligen tala om förkastningar och brott. I subduktionsområden, där ett plan går under ett annat, har jordbävningar observerats på upp till 670 km djup. Mekanismen kring dessa jordbävningar är fortfarande inte väl förstådd, men en av teorierna är att vissa mineraler skiftar från ett tillstånd till ett annat och ändrar sin volym i processen. Denna volymförändring kan leda till jordbävningar.
Hursomhelst kommer vi allt närmare en förståelse av manteln – även utan att komma dit. På senare tid har forskare varit nära att replikera den höga temperaturen/det höga trycket i manteln, och datormodeller på hög nivå avslöjar också en del av dess hemligheter.
Kärnan
Vi hänvisar ibland till kärnan som en enda sak, trots att den inre kärnan och den yttre kärnan är fundamentalt olika – de är inte lager av samma sak. Den ”fasta” inre kärnan har en radie på ~1 220 km, medan den ”flytande” yttre kärnan sträcker sig upp till en radie på ~3 400 km.
Vänta, om vi inte kunde ta oss till manteln, hur skulle vi då kunna veta att den ena är fast och den andra inte? Tja, som tidigare är svaret detsamma: seismiska vågor (vi är nästan framme).
Den inre kärnan
Temperaturerna och trycket i den inre kärnan är absolut extrema, cirka 5 400 °C (9 800 °F) och 330 till 360 gigapascal (3 300 000 till 3 600 000 atm).
Det anses allmänt att den inre kärnan växer mycket långsamt – när kärnan svalnar stelnar mer av den yttre kärnan och blir en del av den inre kärnan. Nedkylningshastigheten är mycket låg trodde man, cirka 100 grader Celsius per miljard år. Men även denna långsamma tillväxt tros ha en betydande inverkan på genereringen av jordens magnetfält genom dynamoeffekter i den flytande yttre kärnan.
Snarare intressant är att den inre kärnan verkar vara asymmetrisk på öst-västlinjen. Det finns en modell som förklarar denna asymmetri med smältning på ena sidan och kristallisering på den andra. Denna anomali påverkar troligen också jordens magnetfält och skapar en asymmetri på den kristalliserande sidan.
Den yttre kärnan
Den yttre kärnan är en vätska med låg viskositet (ungefär tio gånger viskositeten hos flytande metaller på ytan) – ”flytande” är en ganska olämplig term. Eftersom den har en mycket låg viskositet är den lätt deformerad och formbar. Den är en plats för våldsam konvektion. Man tror också att den drabbas av mycket våldsamma konvektionsströmmar – hej, och gissa vad? Den yttre kärnans omrörning och dess relativa rörelse är ansvarig för jordens magnetfält.
Den hetaste delen av den yttre kärnan är faktiskt hetare än den inre kärnan; temperaturen kan uppgå till 6 000° Celsius (10 800° Fahrenheit) – lika varmt som solens yta.
Hur vi vet om jordens lager
Vi kan bara se mycket små delar av jordskorpan, som i sig själv är en liten del av vår planet – så hur kan vi veta alla dessa saker?
Nja, den bästa informationskällan vi har är seismiska vågor. När en jordbävning äger rum släpper den ut tryckvågor som sedan sprider sig över hela planeten. Dessa vågor bär med sig information från de lager de passerar genom – bland annat manteln och kärnan. Genom att studera vågornas utbredning Genom att studera vågornas utbredning genom jorden kan vi lära oss mer om de fysiska egenskaperna i jordens inre. Vissa vågor sprider sig till exempel bara genom fasta medier, medan andra sprider sig genom både fasta och flytande medier – så de kan visa om något lager är fast eller inte. Seismiska vågor samplar smala stråk av jordens inre så att vi också kan isolera den information de bär med sig. Genom att analysera flera jordbävningar som registrerats vid flera seismiska stationer kan vi få fram en CAT-scan-liknande analys av ett område.
Strålar böjs och reflekteras utifrån egenskaperna hos den miljö som de passerar genom, och vågens hastighet påverkas också av miljön.
För övrigt visade moderna simuleringar i laboratoriet hur mineraler sannolikt beter sig vid dessa temperaturer och tryck, och vi har också indirekt gravitations- och magnetisk information, liksom studier av magma och kristaller som hittas på ytan – men huvuddelen av informationen kommer från global seismologi. Det är helt enkelt fantastiskt att vi utan att ens komma i närheten kan veta så mycket om jordens lager.