Wyobraź sobie, że stoisz na środku zwyczajnej ulicy. Pod tobą znajduje się asfalt, kilka metrów ziemi, a dalej skała. Wszystko wydaje się nieruchome i stabilne. Możesz przejść przez miasto, wejść na górę albo wykopać dół w ogrodzie i przez całe życie nie zobaczyć niczego, co znajduje się naprawdę głęboko pod powierzchnią. A jednak pod twoimi stopami rozciąga się świat tak odmienny od tego, który znamy na powierzchni, że trudno go sobie wyobrazić. Temperatura rośnie, ciśnienie staje się niewyobrażalne, skały zachowują się w sposób, którego nie obserwujemy na co dzień, a w samym centrum planety znajduje się metaliczne jądro. Co więcej, właśnie tam, w głębi Ziemi, zaczynają się procesy, które ostatecznie tworzą góry, wywołują trzęsienia ziemi, napędzają wulkanizm i pomagają chronić planetę przed częścią wpływów Słońca. Żeby zrozumieć powierzchnię Ziemi, musimy więc zrobić coś niezwykłego: zejść do jej wnętrza.
Podróż, której człowiek nie odbył
Gdybyśmy mogli rozpocząć podróż prosto w dół, początkowo nic nie wydawałoby się niezwykłe. Przeszlibyśmy przez warstwę gleby, skały osadowe, może przez granit albo inne skały budujące kontynent. Wraz z głębokością rosłaby jednak temperatura i ciśnienie. Po kilku kilometrach znaleźlibyśmy się już głębiej niż większość kopalń świata.
I tutaj pojawia się pierwsza niezwykła rzecz: człowiek nigdy nie dotarł nawet w pobliże płaszcza Ziemi.
Najgłębsze odwierty wykonane przez ludzi mają zaledwie kilkanaście kilometrów. Tymczasem promień Ziemi wynosi około 6370 kilometrów. Oznacza to, że bezpośrednio zbadaliśmy tylko bardzo cienką warstwę naszej planety. To trochę tak, jakbyśmy chcieli poznać budowę jabłka, drapiąc jego skórkę paznokciem.
Skąd więc wiemy, co znajduje się głębiej?
Nie możemy tam zejść. Nie możemy zrobić zdjęcia. Nie możemy pobrać próbki skały z jądra.
A jednak wiemy zaskakująco dużo.
Naukowcy wykorzystują między innymi fale sejsmiczne powstające podczas trzęsień ziemi. Kiedy potężna energia przechodzi przez wnętrze planety, zachowuje się inaczej w różnych materiałach. Fale przyspieszają, zwalniają, załamują się i odbijają. Na podstawie tych zmian można odtworzyć strukturę wnętrza Ziemi.
To niezwykła metoda poznawania świata. Nie widzimy wnętrza Ziemi bezpośrednio. Wnioskujemy o nim z jego zachowania.
W pewnym sensie planeta sama zdradza nam swoje sekrety.
Skorupa — cienka skóra planety
Najbardziej zewnętrzną warstwą Ziemi jest skorupa ziemska. To właśnie po niej chodzimy, w niej wykopujemy fundamenty i tunele, na niej znajdują się oceany, kontynenty, pustynie i góry.
Skorupa wygląda na ogromną, kiedy patrzymy na nią z naszej ludzkiej perspektywy. W porównaniu z całą planetą jest jednak niezwykle cienka.
Pod oceanami skorupa ma zazwyczaj zaledwie kilka kilometrów grubości. Pod kontynentami jest znacznie grubsza i może mieć średnio około 30 kilometrów, a pod wielkimi górami jej podstawa może sięgać jeszcze głębiej.
Wyobraź sobie więc Ziemię jako ogromną piłkę. Teraz wyobraź sobie, że jej powierzchnia jest pokryta cienką, twardą skorupą. Wszystko, co znamy — od Himalajów po dno Bałtyku, od Sahary po amazoński las deszczowy — znajduje się na tej bardzo cienkiej warstwie.
Wszystkie nasze miasta, drogi, lotniska i granice państw są więc umieszczone na czymś, co w skali całej planety przypomina skórkę owocu.
To właśnie ta pozornie delikatna warstwa jest miejscem, gdzie rozgrywa się cała znana nam historia ludzkości.
Pod skorupą zaczyna się zupełnie inny świat
Pod skorupą znajduje się płaszcz Ziemi.
Jego grubość wynosi około 2900 kilometrów. To ogromna masa gorącej, gęstej skały. Nie jest to jednak podziemny ocean płynnej lawy, po którym kontynenty pływają niczym statki. To popularny obraz, ale rzeczywistość jest znacznie ciekawsza.
Płaszcz jest w ogromnej części stały. Jednocześnie w bardzo długiej skali czasu może powoli się odkształcać i przemieszczać. Wysoka temperatura i ogromne ciśnienie sprawiają, że materiał zachowuje się inaczej niż skała, którą możemy podnieść z ziemi.
Dla człowieka skała jest twarda i nieruchoma.
Dla geologa obserwującego planetę przez miliony lat skała może być częścią niezwykle powolnego przepływu.
To ważne rozróżnienie, ponieważ pomaga zrozumieć tektonikę płyt.
Ziemia jako ogromna maszyna cieplna
Skąd bierze się energia napędzająca te procesy?
Dlaczego wnętrze Ziemi jest gorące?
Odpowiedź wiąże się z historią narodzin naszej planety.
Ziemia powstała około 4,5 miliarda lat temu z materii krążącej wokół młodego Słońca. W czasie formowania planety ogromne ilości materii zderzały się ze sobą. Energia tych zderzeń zamieniała się w ciepło. Jednocześnie cięższe pierwiastki, takie jak żelazo, zaczęły opadać w kierunku centrum, podczas gdy lżejsze materiały znalazły się bliżej powierzchni.
Ziemia nie ostygła całkowicie od momentu swojego powstania. W jej wnętrzu nadal znajduje się ogromna ilość ciepła, a dodatkowe ciepło jest produkowane przez rozpad pierwiastków promieniotwórczych.
Można więc powiedzieć coś niezwykłego: Ziemia wciąż nosi w swoim wnętrzu część energii ze swoich narodzin.
Planeta, po której chodzimy, nie jest zimną skałą, która przypadkiem zachowała ślady dawnej aktywności.
W jej środku wciąż pracuje gigantyczny silnik.
Jądro — metalowe serce planety
Im głębiej schodzimy, tym bardziej zmienia się skład Ziemi.
W samym centrum znajduje się jądro, złożone głównie z żelaza i innych pierwiastków. Dzielimy je na dwie części: jądro zewnętrzne i jądro wewnętrzne.
Jądro zewnętrzne jest ciekłe.
Jądro wewnętrzne jest stałe.
I tutaj pojawia się jeden z najciekawszych paradoksów naszej planety.
Temperatura w centrum Ziemi jest ogromna. Mogłoby się wydawać, że wszystko powinno tam być płynne. Jednak ciśnienie jest tak wielkie, że wewnętrzna część jądra pozostaje w stanie stałym. NASA opisuje ją jako stałą kulę żelaza, otoczoną warstwą ciekłego żelaza.
Wyobraź sobie więc, że w samym centrum planety znajduje się metalowa kula otoczona oceanem ciekłego metalu.
Nie jest to ocean, który moglibyśmy zobaczyć. Nie ma tam fal ani powierzchni. Jest to gigantyczna warstwa przewodzącego elektrycznie materiału znajdującego się pod niewyobrażalnym ciśnieniem.
I właśnie ta warstwa ma związek z jednym z najważniejszych „wynalazków” naszej planety.
Pole magnetyczne Ziemi.
Niewidzialna tarcza
Ziemia posiada pole magnetyczne, którego nie widzimy bezpośrednio, ale którego działanie możemy obserwować.
Jednym z jego skutków są zorze polarne.
Kiedy naładowane cząstki pochodzące ze Słońca oddziałują z ziemskim polem magnetycznym i atmosferą, mogą powstawać niezwykłe świetlne zjawiska widoczne szczególnie w pobliżu biegunów.
Źródło głównego pola magnetycznego znajduje się głęboko pod naszymi stopami. Ruch przewodzącego płynu w jądrze zewnętrznym napędza proces nazywany geodynamem. NASA podaje, że zdecydowana większość pola magnetycznego obserwowanego przy powierzchni Ziemi pochodzi właśnie z prądów elektrycznych związanych z tym procesem w ciekłym jądrze zewnętrznym.
To oznacza, że kiedy patrzymy na zorzę polarną, oglądamy pośredni skutek procesów zachodzących tysiące kilometrów pod powierzchnią.
Niebo nad nami jest połączone z wnętrzem planety.
Warstwy Ziemi
Możemy teraz uporządkować naszą podróż.
Na zewnątrz znajduje się skorupa — cienka, chłodna i krucha warstwa.
Pod nią znajduje się płaszcz — ogromna, gorąca masa skał, która w długiej skali czasu może powoli się odkształcać.
Jeszcze głębiej znajduje się jądro zewnętrzne — ciekła warstwa metalicznego materiału.
W samym centrum znajduje się jądro wewnętrzne — stała, niezwykle gorąca część planety.
To cztery podstawowe warstwy, o których będziemy mówić najczęściej.
Ale istnieje jeszcze inne ważne rozróżnienie.
Geolodzy mówią o litosferze i astenosferze.
Litosfera obejmuje skorupę oraz sztywną górną część płaszcza. To właśnie ona jest podzielona na wielkie płyty tektoniczne. Pod nią znajduje się bardziej plastyczna, ruchliwa strefa płaszcza, nazywana astenosferą.
I właśnie tutaj zaczyna się historia kontynentów.
Kontynenty nie są przybite do podłoża
Kiedy patrzymy na mapę świata, łatwo ulec złudzeniu, że kontynenty zawsze znajdowały się w obecnych miejscach.
Afryka wygląda jak Afryka.
Ameryka Południowa wygląda jak Ameryka Południowa.
Australia leży daleko na południowym wschodzie.
Antarktyda jest zamrożonym kontynentem wokół bieguna.
Ale setki milionów lat temu świat wyglądał zupełnie inaczej.
Kontynenty przemieszczają się.
Nie płyną szybko. Nie widać ich ruchu gołym okiem. Przesuwają się z prędkościami rzędu kilku centymetrów rocznie. USGS porównuje ten ruch do tempa wzrostu paznokci.
Kilka centymetrów wydaje się niczym.
Ale kilka centymetrów powtarzanych przez dziesiątki i setki milionów lat zmienia wszystko.
Pangea — świat, którego już nie ma
Około 200–300 milionów lat temu istniał superkontynent, który nazywamy Pangeą.
Był to ogromny obszar lądowy, w którym znaczna część dzisiejszych kontynentów była połączona.
Wyobraź sobie świat, w którym można było rozpocząć podróż w miejscu odpowiadającym dzisiejszej Ameryce Południowej i — bez przekraczania oceanu Atlantyckiego — kontynuować ją w kierunku Afryki.
To nie fantazja.
Tak wyglądała dawna konfiguracja lądów.
Pangea jednak nie była początkiem ani końcem historii kontynentów. Przed nią istniały inne układy lądów, a po jej rozpadzie kontynenty rozpoczęły kolejną długą podróż.
Kształt wybrzeży Ameryki Południowej i Afryki jest jednym z najbardziej znanych obrazów związanych z ideą dryfu kontynentów. Ich brzegi wyglądają tak, jakby kiedyś mogły być częściami większej układanki.
Sam kształt wybrzeży nie wystarczyłby jednak do udowodnienia teorii.
Naukowcy znaleźli wiele innych dowodów: podobne skamieniałości występujące na dziś oddzielonych kontynentach, zgodność struktur geologicznych oraz dane dotyczące dawnego klimatu. Późniejszy rozwój teorii tektoniki płyt wyjaśnił mechanizm, który pozwalał kontynentom zmieniać swoje położenie.
To jeden z pięknych przykładów historii nauki.
Najpierw człowiek zauważył zagadkę.
Potem pojawiła się hipoteza.
Następnie przez dziesięciolecia zbierano dowody.
A na końcu różne obserwacje zaczęły układać się w jeden wielki obraz.
Trzy sposoby, w jakie płyty zmieniają świat
Płyty tektoniczne mogą względem siebie poruszać się na kilka podstawowych sposobów.
Mogą się od siebie oddalać. W takich miejscach powstaje nowa skorupa, szczególnie w obrębie grzbietów śródoceanicznych.
Mogą się zderzać. Jedna płyta może zostać wciągnięta pod drugą. Proces ten nazywamy subdukcją. W innych przypadkach dwie płyty kontynentalne mogą zderzać się ze sobą i prowadzić do wypiętrzania ogromnych pasm górskich.
Mogą również przesuwać się obok siebie. Wzdłuż takich granic może dochodzić do gromadzenia naprężeń i ich nagłego uwalniania w postaci trzęsień ziemi.
To właśnie dlatego mapa granic płyt tektonicznych tak często pokrywa się z mapą obszarów aktywnych sejsmicznie i wulkanicznie. USGS wskazuje, że krawędzie płyt są miejscami koncentracji trzęsień ziemi i wulkanów, a kolizje płyt mogą tworzyć góry, takie jak Himalaje.
Góry są pamięcią Ziemi
W poprzedniej lekcji patrzyliśmy na Himalaje jak na przykład działania płyt tektonicznych.
Teraz możemy spojrzeć na nie głębiej.
Góra nie jest po prostu dużą ilością skały ustawioną wysoko nad poziomem morza.
Jest śladem historii.
Jej warstwy mogą przechowywać informacje o dawnych morzach, ruchach skorupy, erozji, zmianach klimatu i zderzeniach kontynentów.
Niektóre skały znajdujące się dziś wysoko w górach powstały w środowiskach, które dawno przestały istnieć.
Może to brzmieć absurdalnie, ale w pewnym sensie możemy znaleźć na szczytach gór ślady dawnych oceanów.
Jak to możliwe?
Jeśli skały powstałe na dnie dawnego morza zostaną wypiętrzone przez ruchy tektoniczne, mogą znaleźć się setki lub tysiące metrów nad współczesnym poziomem morza.
Góra staje się wtedy archiwum.
Wulkan — wiadomość z głębi
Jeszcze bardziej bezpośrednim kontaktem między powierzchnią a wnętrzem Ziemi jest wulkan.
Wulkan pozwala materiałowi pochodzącemu z głębszych części planety dotrzeć na powierzchnię.
Kiedy lawa wypływa i zastyga, tworzy nowe skały.
Te skały mogą zostać później poddane działaniu deszczu, lodu, rzek i wiatru.
Mogą zostać rozdrobnione, przetransportowane i osadzone w zupełnie innym miejscu.
Po milionach lat mogą zostać zakopane głęboko pod powierzchnią.
A później ruchy tektoniczne mogą ponownie wynieść je ku górze.
Ziemia posiada więc własny obieg materii.
Skały powstają.
Są niszczone.
Przemieszczają się.
Zostają zakopywane.
Ogrzewają się.
Topią lub przeobrażają.
A następnie ponownie mogą trafić na powierzchnię.
To geologiczny cykl, którego pojedynczy etap może trwać dłużej niż cała historia ludzkiej cywilizacji.
Dlaczego trzęsie się ziemia?
Jeżeli płyty poruszają się tak wolno, dlaczego trzęsienia ziemi bywają tak gwałtowne?
Problem polega na tym, że ruch nie zawsze odbywa się płynnie.
Wyobraź sobie, że przesuwasz ciężki przedmiot po podłodze.
Naciskasz coraz mocniej, ale przedmiot przez chwilę pozostaje nieruchomy. W pewnym momencie pokonujesz opór i przedmiot nagle przesuwa się do przodu.
W uproszczeniu coś podobnego może zachodzić wzdłuż uskoków geologicznych.
Płyty próbują się przesuwać, ale tarcie może je blokować. Naprężenie narasta. Kiedy skały nagle ulegają przemieszczeniu, energia zostaje uwolniona w postaci fal sejsmicznych.
Wtedy powierzchnia zaczyna drżeć.
Trzęsienie ziemi jest więc nie tyle „nagłym ruchem całej Ziemi”, ile gwałtownym uwolnieniem energii zgromadzonej w skałach.
Planeta, która oddycha bardzo powoli
Możemy teraz spojrzeć na Ziemię z zupełnie nowej perspektywy.
Na powierzchni wszystko wydaje się stabilne.
Kontynenty są nieruchome.
Góry wydają się wieczne.
Oceany wyglądają jak stałe elementy mapy.
Ale pod tą pozorną stabilnością trwa nieustanny ruch.
Płyty przemieszczają się.
Wnętrze planety oddaje ciepło.
Wulkany tworzą nowe skały.
Erozja niszczy stare.
Rzeki przenoszą materiał.
Oceany pochłaniają osady.
Skorupa jest tworzona i niszczona.
Ziemia zmienia się bez przerwy.
Tyle że robi to tak wolno, że człowiek niemal zawsze widzi tylko pojedynczą klatkę filmu.
Najważniejsza lekcja
Jeżeli z pierwszej lekcji mieliśmy zapamiętać, że Ziemia jest systemem wzajemnych zależności, to druga lekcja pokazuje nam, gdzie znajduje się jeden z jego silników.
Wnętrze Ziemi nie jest martwą przestrzenią. To aktywny, gorący i dynamiczny świat, którego procesy wpływają na wszystko, co widzimy na powierzchni.
Skorupa jest cienką zewnętrzną warstwą planety. Poniżej znajduje się ogromny płaszcz, a jeszcze głębiej metaliczne jądro. Zewnętrzna część jądra jest ciekła, a wewnętrzna — mimo ogromnej temperatury — pozostaje stała pod wpływem gigantycznego ciśnienia. Ruch materiału w jądrze zewnętrznym wiąże się z powstawaniem ziemskiego pola magnetycznego.
Litosfera jest podzielona na płyty, które przemieszczają się bardzo powoli. Przez miliony lat ich ruch potrafi jednak przesuwać kontynenty, tworzyć oceany, budować góry i powodować potężną aktywność geologiczną.
A więc kiedy jutro wyjdziesz z domu i spojrzysz na ulicę, spróbuj wyobrazić sobie coś, czego nie widać.
Pod tobą nie znajduje się nieruchoma planeta.
Znajduje się żywy geologiczny mechanizm, który działa od miliardów lat.
I będzie działał długo po tym, jak wszystkie nasze miasta, granice i mapy ulegną zmianie.
W następnej lekcji wyjdziemy ponownie na powierzchnię. Tym razem przyjrzymy się temu, co na niej widać: górom, dolinom, równinom i wyżynom. Nauczymy się czytać rzeźbę terenu tak, jak historyk czyta starą księgę — szukając śladów procesów, które stworzyły dzisiejszy krajobraz.
