Τρίτη, 19 Φεβρουαρίου 2013

Focus:Στο κέντρο της ΓΗΣ


Οι γεωτρήσεις μας φτάνουν έως τα 12 χιλιόμετρα βάθος. Για να "δούμε" παραπέρα χρησιμοποιούμε σεισμικά κύματα, υπολογιστικά μοντέλα και όλα όσα γνωρίζουμε για το ηλιακό μας σύστημα.     

http://www.tsantiri.gr/wp-content/media/2011/04/earth-324x205-300x189.jpgΓια να φτάσουμε στο κέντρο του πλανήτη μας θα έπρεπε να κάνουμε μια γεώτρηση σε βάθος 2.890 χμ., περίπου τέσσερις φορές το μήκος (Γαύδος-Έβρος) όλης της Ελλάδας. Εκεί αρχίζει ο πυρήνας της Γης. Η πίεση στο εσωτερικό του είναι περίπου 1,35 Μεγαμπάρ, 1.350.000 φορές όσο η πίεση της ατμόσφαιρας πάνω στην επιφάνεια της θάλασσας, και η θερμοκρασία του φτάνει στους 4.000°C.

Από τι είναι φτιαγμένος; Σχεδόν από καθαρό σίδηρο, ο οποίος, σύμφωνα με την κρατούσα θεωρία, προήλθε από έναν σουπερνόβα ο οποίος εκρήγνυται όταν οι πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του αρχίζουν να σχηματίζουν σίδηρο. Αλλά γύρω απ' αυτό τον "σχεδόν καθαρό σίδηρο" συγκρούεται η πλειοψηφία των γεωφυσικών. Πράγματι ο πυρήνας της Γης έχει πυκνότητα 10% μικρότερη από εκείνη που θα όφειλε να έχει αν αποτελούνταν από καθαρό σίδηρο σε πίεση όπως αυτή που υπάρχει σ' αυτά τα βάθη. Άρα θα πρέπει να υπάρχει και κάτι άλλο: ένα στοιχείο διαλυτό στο σίδηρο, σε υψηλή πίεση. Δεν είναι καθόλου σαφές αν πρόκειται για το θείο, το οξυγόνο, τον άνθρακα, το πυρίτιο, το νικέλιο ή το υδρογόνο.

Σύμφωνα με μια πρόσφατη θεωρία, ακόμα και ο πυρήνας από σίδηρο περικλείει ένα μικρότερο πυρήνα από ουράνιο. Σ' αυτό το συμπέρασμα κατέληξαν από σεισμολογικές έρευνες, εργαστηριακές ενδείξεις και από τις γνώσεις μας για την ιστορία του ηλιακού μας συστήματος. Δηλαδή μόνο από έμμεσες μετρήσεις, αφού με τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες δεν μπορούμε να κάνουμε γεωτρήσεις πιο κάτω από τα 14-15 χμ. βάθος - το ρεκόρ είναι 125.262 χμ.       

Σίδηρος. Και μετά; 

Πώς πραγματοποιούν οι ειδικοί αυτές τις μετρήσεις; Γνωρίζοντας τη χρονική στιγμή κατά την οποία συνέβησαν εκατοντάδες χιλιάδες σεισμοί και πυρηνικές εκρήξεις, το χρόνο που χρειάστηκαν τα σεισμικά κύματα για να φτάσουν στους διάσπαρτους ανά τη Γη σεισμογράφους (την ταχύτητα διάδοσής τους) αλλά και τις διαστάσεις του πλανήτη μας, κατέληξαν στο πού αρχίζουν και πού τελειώνουν τα διάφορα στρώματα που συνθέτουν τη γήινη σφαίρα.

Στις διασκοπήσεις και στις αναλύσεις των στοιχείων που συνθέτουν τον πυρήνα λαμβάνεται υπόψη και η αστρονομική ιστορία της Γης. Αυτή σχηματίστηκε πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, μετά τη σύγκρουση και τη σύντηξη αστεροειδών πλούσιων σε σίδηρο, o οποίος συγκεντρώθηκε στον πυρήνα του νεογέννητου πλανήτη μας επειδή ήταν υπερβολικά βαρύς. Τα εργαστηριακά πειράματα με τα σεισμικά κύματα, υπό συνθήκες πίεσης κοντά σ' εκείνες του πυρήνα, επιβεβαιώνουν ότι αυτός αποτελείται από σίδηρο.

Όμως ο σίδηρος δεν μπορεί να είναι καθαρός. Μεταξύ των στοιχείων που θα μπορούσαν να τον συνοδεύουν είναι το νικέλιο, ο πυριτόλιθος, το θείο και το οξυγόνο, όμως δεν είμαστε βέβαιοι για το ποια ακριβώς.                 

Κύματα που εξαφανίζονται

Τα σεισμικά κύματα μπορούν να είναι διαφορετικών τύπων. Κυρίως όμως τα κύματα P(συμπύκνωσης) και S (διάτμησης ή εγκάρσια) πρόσφεραν στους γεωφυσικούς τη δυνατότητα μελέτης του εσωτερικού της Γης. Μόλις τα κύματα P φτάνουν στον πυρήνα, ανακλώνται προς τα πάνω και ανασχηματίζονται σε απόσταση 5.150 χμ. από τη γήινη επιφάνεια - στο ίδιο σημείο τα εγκάρσια κύματα επιταχύνονται.

Γι' αυτή την κατάσταση οι γεωφυσικοί δίνουν μια φαινομενικά εύλογη εξήγηση. Ο εξωτερικός πυρήνας, αυτός που ξεκινά στα 2.890 χμ., είναι ρευστός. Πράγματι, στα ρευστά τα κύματα P δε διαδίδονται. Αντίθετα, ο εσωτερικός πυρήνας -ο οποίος αρχίζει στα 5.150 χμ- είναι στερεός. Εκεί τα κύματα S, λόγω της υψηλής πυκνότητάς τους, επιταχύνονται.

Γιατί ο σίδηρος στερεοποιείται μετά από ένα ορισμένο βάθος; Όπως εξηγεί ο Ζαν Πολ Πουαριέ από το Ινστιτούτο De Physique Du Globe του Παρισιού, "η θερμοκρασία τήξης του σιδήρου, όπως και κάθε άλλου στοιχείου, αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης. Σε βάθος 3.000 χμ., όπου υπάρχει θερμοκρασία περίπου 4.000°C, δεν υπάρχει αρκετή πίεση ώστε ο σίδηρος να είναι ρευστός. Αντίθετα, στα 5.100 χμ. η πίεση είναι τόσο μεγάλη ώστε, μολονότι η θερμοκρασία είναι της τάξης των 5.500°C, ο σίδηρος παραμένει στερεός".            

Κόσμοι κάτω από το μανδύα

Είναι δηλαδή όλα σαφή; Όχι. Ο εντοπισμός παράδοξων λεπτομερειών γέννησε νέα ερωτήματα. Διαπιστώθηκε ότι στα σύνορα μεταξύ μανδύα και πυρήνα τα σεισμικά κύματα δεν είναι ομαλά άλλα κυμαινόμενα, σαν να υπήρχαν βουνά ύψους μερικών χιλιομέτρων. "Αυτό το σύνορο αποτελεί τμήμα μιας μεταβατικής ζώνης που ονομάζεται Κατάσταση D, ονομασία που χρησιμοποιούσαν παλιότερα οι σεισμολόγοι όταν υποδιαιρούσαν τη Γη σε ομόκεντρα στρώματα τα οποία διέκριναν με τα γράμματα του αλφαβήτου. Όταν στο εσωτερικό τους ανακάλυπταν κι άλλα στρώματα, τα ταξινομούσαν ως “πρώτο”, “δεύτερο” κ.λπ.", εξηγεί ο Πουαριέ "και θα μπορούσε να έχει μεταβλητό πάχος από 100-220 χμ." Αυτό το στρώμα D επιτρέπει την ανταλλαγή θερμότητας και εν μέρει ύλης ανάμεσα στο μανδύα και στον πυρήνα. Πιθανότατα από το στρώμα D ο πυρήνας αναρροφά οξυγόνο και άλλα στοιχεία.  

Σκληρόκαρδη Γη...

Χάρη σε όλο και πιο ακριβή δεδομένα, οι Μιάκι Ίσι και Άνταμ Ντζεουόνσκι, στις ΗΠΑ, ανακάλυψαν πρόσφατα ότι στο κέντρο του στερεού πυρήνα υπάρχει μια "καρδιά" ακόμα πιο πυκνή, με διάμετρο 300 χμ. Πώς υπάρχει στο σίδηρο και μια δεύτερη, πυκνότερη καρδιά; Για να το καταλάβουμε πρέπει να αναλύσουμε τη μικροσκοπική του δομή.

Σε πίεση και θερμοκρασία περιβάλλοντος τα άτομα αυτού του στοιχείου διατάσσονται σε μια δομή με κυβικό χωροκεντρωμένο, κυβικές κυψέλες με ένα άτομο στο κέντρο (σίδηρος-άλφα). Σε κάθε κυψέλη τα άτομα διατάσσονται στις κορυφές ενός κύβου με ένα άτομο στο κέντρο. Αντίθετα, σε συνθήκες πίεσης 120 κιλομπάρ σχηματίζεται ο "σίδηρος-γάμα", τα άτομα του οποίου διατάσσονται στις κορυφές ενός κύβου και στο κέντρο της κάθε έδρας (κυβικό εδροκεντρωμένο). Τέλος, στα 2,5-3 μεγαμπάρ σχηματίζεται ο "σίδηρος-έψιλον", με δομή εξαγώνου.                   

...και ίσως ραδιενεργή

Μια πιο πρόσφατη υπόθεση είναι ότι στο κέντρο της Γης υπάρχει μια μικρή "σούπερ καρδιά" από ουράνιο, με διάμετρο οχτώ χιλιόμετρα. Μπορεί να σχηματίστηκε με τη γέννηση του πλανήτη και να είναι η πηγή της θερμικής ενέργειας και του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη μας, η προέλευση του οποίου δεν είναι ακόμα σαφής. Εξάλλου η ένταση του μαγνητικού πεδίου μειώνεται περιοδικά έως ότου αντιστρέφεται η πολικότητά του.

Κάθε φορά που συμβαίνει αυτό ο Βόρειος Πόλος γίνεται Νότιος και αντιστρόφως. Η καθιερωμένη εξήγηση αυτού του φαινομένου είναι ότι ο ρευστός σίδηρος συμπεριφέρεται σαν ένα δυναμό: ανεβαίνει από τον πυρήνα στο μανδύα και κατόπιν ξανακυλά στο κέντρο. Μ' αυτή την κίνηση ίσως γεννά ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο με τη σειρά του γεννά ένα μαγνητικό πεδίο. Όμως αυτό το μοντέλο δεν εξηγείται ικανοποιητικά, γιατί σημειώνονται περιοδικά αυξομειώσεις και αλλαγές της πολικότητας αυτού του πεδίου.

"Η ύπαρξη ενός είδους πυρηνικού αντιδραστήρα στον πυρήνα της Γης θα εξηγούσε εύκολα τις αυξομειώσεις της έντασης του μαγνητικού πεδίου", εξηγεί ο Μάρβιν Χέρντον, ειδικός της TrandyneCorporation (ΗΠΑ) και επινοητής αυτής της υπόθεσης. Στηρίζει την ιδέα του στο γεγονός ότι ο πυρήνας κάποιων μετεωριτών έχει παρόμοια σύνθεση με το γήινο πυρήνα, αφού και οι δύο περιέχουν υψηλά ποσοστά ουρανίου.    

Βροχή από ουράνιο

Σύμφωνα μ' αυτή τη θεωρία, το ουράνιο, ένα από τα βαρύτερα στοιχεία, έπεσε σαν βροχή όταν η Γη δεν είχε ακόμα στερεοποιηθεί. Από ένα σημείο κι έπειτα υπήρξε αρκετό ουράνιο για να πυροδοτηθούν πυρηνικές αντιδράσεις. "Προσομοιώσεις σε υπολογιστές που αναπαράγουν αυτό που συνέβη στον πυρήνα της Γης επιβεβαιώνουν αυτό το μοντέλο", εξηγεί ο Ντάνιελ Χόλενμπακ από το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge των ΗΠΑ.

Μια ακόμα ένδειξη υπέρ αυτής της υπόθεσης είναι η παρουσία ηλίου-3 και ηλίου-4 στη λάβα των ηφαιστείων της Χαβάης. Αυτά τα δύο ισότοπα -στοιχεία με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων- του ηλίου σχηματίζονται κυρίως από πυρηνικές αντιδράσεις, αφού οι μαγματικοί θάλαμοι των ηφαιστείων της Χαβάης φαίνεται να συνδέονται με βαθύτερα στρώματα του γήινου μανδύα. Είναι μεγάλη η πιθανότητα να φτάνουν έως την καρδιά του πυρήνα από ουράνιο.                 

Φυσικός ατομικός αντιδραστήρας

"Εδώ και 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια λειτουργεί σιωπηλά στο κέντρο της Γης ένας πυρηνικός αντιδραστήρας ισχύος τεσσάρων εκατομμυρίων μεγαβάτ. Η ενέργειά του προκαλεί κάποια ηλεκτρικά ρεύματα και κατά συνέπεια το γήινο μαγνητικό πεδίο", υποστηρίζει ο Χόλενμπακ. Έτσι εξηγούνται οι αυξομειώσεις του μαγνητικού πεδίου.

"Η πυρηνική σχάση παράγει κατάλοιπα. Αυτά κάποια στιγμή συσσωρεύονται κι εμποδίζουν το ουράνιο να συνεχίσει την αντίδραση, η οποία αδυνατίζει και μπορεί να σταματήσει", συνεχίζει ο Χόλενμπακ. "Επειδή όμως τα κατάλοιπα είναι πιο ελαφριά τείνουν να εγκαταλείψουν τον πυρήνα. Έτσι κάποια στιγμή το ουράνιο αποκτά την αναγκαία πυκνότητα για να επαναπυροδοτηθεί η αντίδραση, αντιστρέφοντας κάποιες φορές τη μαγνητική πολικότητα της Γης".


Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

ShareThis

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...