A Föld középpontjában a hőmérséklet eléri az 5700 °C-ot – ezt a számot már az iskolában is tanultad.
Bár úgy hangzik, mintha ez egy műszer hajszálpontos mérése lenne, a középponthoz legközelebbi, ember alkotta eszköz, ami egyáltalán megmérhette volna a hőmérsékletet, 6359 kilométerre állt meg tőle. A Kola-félszigeti szupermély fúrás 12 262 méterig jutott – ami a földi sugár alig 0,19%-a. Jelenleg ez az emberiség rekordja. A Kolai fúrásról már született egy érdekes cikk itt az oldalon:
Az 5700 °C-os értéket nem a fúrólyuk alján mérték, és nem is csak úgy egyszerűen lefelé meghosszabbították a hőmérsékleti görbét. Akkor hogyan sikerült az embereknek mégis kiszámolni mindezt anélkül, hogy elérték volna magát a magot? Járjunk a végére!
Földrengés röntgen helyett
Minden nagyobb rengés kétféle hullámot indít útjára a Földön keresztül. A longitudinális P-hullámok összenyomják és kinyújtják az anyagot – ez lényegében a kőzeten áthaladó hang. A transzverzális S-hullámok pedig oldalra tolják el a kőzetet.
A köztük lévő különbség dönt el mindent. A folyadékok szinte egyáltalán nem állnak ellen a nyírásnak, ezért az S-hullámok egyáltalán nem haladnak át a folyékony külső magon. A P-hullámok átjutnak ugyan, de a határon élesen megtörnek, így a rengés epicentrumától számított 104 és 140 fok közötti zónába nem érkeznek közvetlen P-hullámok. Ez az a bizonyos híres szeizmikus árnyék.
1906-ban a brit Richard Oldham a hullámok furcsa, távoli megérkezéséből arra következtetett, hogy a Földnek van egy központi magja. 1913-ban a német Beno Gutenberg meg is becsülte a határának mélységét: körülbelül 2900 kilométer. A külső mag folyékony halmazállapotát pedig Harold Jeffreys bizonyította be 1926-ban.
Ezután a világ különböző állomásaira beérkező hullámok idejét, a bolygó saját rezgéseit, tömegét és tehetetlenségi nyomatékát egyetlen modellbe sűrítették. Ez a modell adja ki a számokat: 3,3, illetve 3,6 millió atmoszféra nyomás uralkodik a belső mag határán, illetve magában a középpontban.
A nyomást tehát megkaptuk. A következő lépés a hőmérséklet megmérése, hiszen ezek a mennyiségek szorosan összefüggnek.
Hogyan vált a mag hőmérővé?
1936-ban Inge Lehmann dán szeizmológus földrengések feljegyzéseit tanulmányozta, és valami furcsaságot vett észre. A szeizmikus árnyékban, ahová a hullámoknak szinte be sem kellett volna jutniuk, a műszerek mégis gyenge jeleket fogtak. Lehmann feltételezte: a folyékony mag belsejében rejtőzik egy másik is – egy szilárd mag, amelynek sugara körülbelül 1220 kilométer.
Később ezt maga a Föld rezgése is megerősítette. Egy-egy erős földrengés után a bolygó még sokáig remeg és kong, akár egy hatalmas harang. Ennek a kongásnak a jellege bebizonyította: a középpontban valóban egy szilárd gömb található. Ez a felfedezés pedig nemcsak abban segített, hogy belenézzünk a Föld belsejébe, hanem abban is, hogy felbecsüljük a hőmérsékletét.
Körülbelül 5150 kilométeres mélységben a folyékony külső mag találkozik a szilárd belsővel. A vasötvözet itt egyszerre két halmazállapotban van jelen: kívül olvadt, belül viszont már megszilárdult. Ez azt jelenti, hogy a határon a hőmérsékletnek közel kell lennie a fém olvadáspontjához, mintegy 3,3 millió atmoszféra nyomás mellett.
Nagyjából ugyanígy viselkedik a jég és a sós víz is. Amíg a jég a vízben úszik, a keverék hőmérséklete a fagyáspont körül marad. A só azonban eltolja ezt a pontot. A Föld magjában a só szerepét könnyű szennyeződések – oxigén, szilícium, kén és egyéb anyagok – játsszák. Ezért a tiszta vas önmagában nem elég a pontos számításhoz.
A tudósok ezt követően egyszerűen lemodellezték a helyzetet.
Ehhez egy apró vasdarabot két gyémánt közé szorítottak, és több millió atmoszférás nyomást hoztak létre. Ezután a fémet lézerrel felhevítették, a röntgen pedig megmutatta, hogy szilárd marad-e, vagy elkezd olvadni. Az eredményt két másik módszerrel is ellenőrizték: lökéshullámmal nyomták össze a fémet, és számítógépen modellezték az atomok viselkedését.
A különböző módszerek a tiszta vasra 5100 °C-ot adtak. Ez viszont még nem a középpont, hanem a belső mag határának hőmérséklete – innen még 1221 kilométer van hátra a Föld legközepéig. Egyetlen bökkenő van csak: a mag nem tiszta vasból áll.
Az utolsó 1221 kilométer
A szeizmikus hullámok megmutatták, hogy a mag némileg könnyebb, mint egy tiszta vas-nikkel ötvözet. Ez azt jelenti, hogy könnyebb anyagok is találhatók benne – valószínűleg oxigén, szilícium, kén és szén. Ezek csökkentik az olvadáspontot, de mivel a mag pontos összetétele ismeretlen, a becsléseket gyakran nem egyetlen pontos számként, hanem egy tartományként adják meg.
Ettől a határtól a középpontig még 1221 kilométer van hátra. A nyomás az út során egyre nő, és ezzel együtt a hőmérséklet is emelkedik: az összenyomott fém még külső hőbeáramlás nélkül is forróbbá válik. Különböző számítások szerint a növekedés 150 és 500 fok között mozog. Így a tudósok a középpontra körülbelül 6000 Kelvin, azaz megközelítőleg 5700 °C körüli értéket kapnak, néhány száz fokos hibahatárral.
Csak hogy érzékeld a méreteket: a belső mag határán nagyjából olyan hőség van, mint a Nap látható felszínén. Csakhogy ez a „Nap” közvetlenül alattunk található, 5150 kilométeres mélységben.
Meddig bírja még a Föld belső motorja?
Ezek a mechanizmusok rendkívül fontosak a bolygónkon lévő élet szempontjából. Ezeknek a belső folyamatoknak köszönhetően tartható fenn például a mágneses mezőnk, amely leárnyékolja a veszélyes kozmikus sugárzást.
A belső mag ráadásul egyre nő: a folyékony ötvözet évente körülbelül egy milliméterrel hízik a sugarát tekintve. Ez másodpercenként nagyjából 7600–8000 tonna fémet jelent! Eközben hő szabadul fel, a kiszorított könnyű szennyeződések pedig felemelkednek. Az olvadék összekeveredik, a bolygó forgása megcsavarja az áramlatokat, és a vezetőképes folyadékban elektromos áramok maradnak fenn – így működik a geodinamó, a Föld mágneses mezejének forrása.
A mag hőmérséklete itt tehát nem pusztán egy sor a rekordok táblázatában, hanem egy olyan paraméter, amely keretet ad a Föld hőmérsékleti történetének: megmutatja, mennyi energiája volt a bolygónk belső „gépezetének”, és mennyi maradt még. Egyelőre a tartalék több mint bőséges.
A Föld mágneses mezeje még évmilliárdokig fennmarad, a mag teljes megszilárdulása pedig több tízmilliárd évig is eltart majd. A bolygónk sokkal hamarabb fog elpusztulni a Nap miatt, amely nagyjából 5 milliárd év múlva vörös óriássá válik, és egyszerűen elnyel minket.
