Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

I. Dynamika středu Země

Vnitřní jádro rotuje rychleji než zemský povrch
 |  5. 2. 1998
 |  Vesmír 77, 78, 1998/2

Cílem tohoto i dvou následujících článků je popsat dění uvnitř Země z geofyzikálního a geochemického hlediska. Země je stále aktivní, a to nejen na povrchu, ale i uvnitř, v plášti a jádru. Jevy ve velkých hloubkách je možné studovat vyhodnocováním měření prostorových seizmických vln. Prostorové seizmické vlny jsou dvojího typu: vlny P (primární) jsou  způsobeny kmitáním hornin ve směru šíření a přicházejí na seizmické stanice první, zatímco vlny S (sekundární), které jsou způsobeny kmitáním v rovině kolmé na směr šíření, přicházejí později. Pro výzkumy nitra Země jsou rozhodující některé vlastnosti seizmických vln. Vlny S dokážou procházet jen pevnými látkami, v plynech a v kapalinách zanikají.  Vlny P  jsou rychlejší než vlny S a procházejí látkami pevnými, kapalnými i plynnými. Oba typy vln se ohýbají, lámou a odrážejí, což umožňuje zjišťovat v Zemi průběh seizmických rychlostí a vytvořit tak přesný model vertikálního rozvrstvení Země. Nejsvrchnější partii Země tvoří litosférické desky, dosahující mocnosti zhruba 100 km a pohybující se horizontálně. Uvnitř litosférických desek leží rozhraní mezi kůrou a svrchním pláštěm, který sahá až do hloubek 670 km. Tato hloubka skrývá několik otázek. Předně se zde mění rychlost seizmických vln, je to také nejspodnější hranice, na které ještě vznikají epicentra zemětřesení. Zatím se neví, co přesně tato bariéra znamená pro klesající „mrtvé“ litosférické desky. Spodní plášť sahá až do hloubky 2 890 km, kde už hraničí s tekutým vnějším jádrem. Právě rozhraní pláště a jádra je považováno za chemicky nejaktivnější oblast v nitru Země. Celé jádro je kovové. Vnější jádro je tekuté a obklopuje vnitřní krystalické jádro (to má poloměr 1 220 km). Při průchodu vnějším jádrem se vlny P poněkud zpomalí a při vstupu do vnitřního jádra jsou schopné generovat ještě vlny typu S. Průchod vln S vnitřním jádrem však dosud nebyl plně prokázán, protože zatím nejsou k dispozici dostatečně citlivé přístroje, které by je zachytily.

Jakub Němec

Rotace středu

1) Jedním z nejpozoruhodnějších objevů je, že vnitřní jádro pravděpodobně rotuje o 1 až 3 stupně za rok rychleji než zemský povrch. To poskytuje východisko k určení pohybů v kapalné oblasti, v níž se vytváří magnetické pole Země. Je to první známý příklad časového vývoje hlubinné seizmologické struktury.

Už před řadou let se zjistilo, že vnitřním jádrem se vlny nešíří stejnou rychlostí ve všech směrech (mluvíme o akustické anizotropii), ale podél polární osy se seizmické vlny šíří o několik procent rychleji než v rovníkové rovině. Příčina této anizotropie není dosud detailně vysvětlena, zdá se však, že souvisí s hexagonální krystalickou strukturou vnitřního jádra.

Za nejpřijatelnější vysvětlení pozorované anizotropie se pokládá texturace působená konvekcí ve vnitřním jádře. Texturace je struktura uspořádaná z krystalů orientovaných jedním směrem. Orientované uspořádání může vést k silné směrové závislosti elastických vlastností. Texturace je běžná v polykrystalických médiích, která byla deformována – např. v ledu uvnitř ledovce. Nedávné experimenty ukazují, že v železe s hexagonální strukturou se při tlacích milionů atmosfér může vyvinout texturace výjimečně silná.

Není jasné, proč by měla být nerovnoměrná rychlost šíření vln ve vnitřním jádře orientována zhruba podél zemské rotační osy. Snad je to ovlivněno způsobem, jímž vnější jádro ztrácí teplo, nebo může jít o důsledek mírné odchylky od sféričnosti vnitřního jádra způsobené konvekcí. Z analýzy časů šíření tisíců vln, které prošly vnitřním jádrem, vyplývá, že směr nejvyšší rychlosti seizmických vln ve vnitřním jádře je odchýlen téměř o 10 stupňů od zemské rotační osy. Takto zjištěný sklon osy anizotropie poskytl možnost, jak sledovat časový vývoj vnitřního jádra. Toho se předloni chopili vědci z Kolumbovy univerzity, kteří analyzovali výběr vysoce kvalitních seizmických záznamů pokrývajících třicetileté časové období. Časovou závislost v dobách šíření seizmických vln procházejících vnitřním jádrem pozorovali zřetelně.

Ve stejné době harvardští geofyzici znovu zpracovávali tomografické obrazy Země. Tomografické studie tohoto typu vedly původně k objevu odchylky osy anizotropie. Předpokládá se, že vnitřní jádro rotuje asi o 2±1 stupně za rok rychleji než zemský povrch. Mnohé aspekty pozorování vyžadují navíc další potvrzení, a tak se sluší brát obě studie s rezervou. Když však dva nezávislé soubory dat, zkoumané dvěma různými vědeckými skupinami, vedou ke stejnému základnímu závěru o rotaci vnitřního jádra Země, o něčem to svědčí.

Meteorologie kapalného jádra

Seizmologická pozorování mohou sledovat pohyby spodku vnějšího jádra v časovém úseku několika let. Doplňují tím odhady pohybů u vnějšího povrchu jádra, které jsou odvozeny z časových změn magnetického pole na zemském povrchu a poskytují tak nový pohled na „meteorologii“ celého vnějšího jádra, kde se vytváří geomagnetické pole. Hydrodynamiku vnějšího jádra popisují stejné rovnice jako proudění hmot v atmosféře. V jádře však nelze zanedbat vliv magnetického pole; rovnice, které ho popisují, jsou proto spřaženy s rovnicemi hydrodynamiky.

Rozměrová analýza ukazuje, že určování pohybů kapalného jádra v ročních intervalech odpovídá meteorologickým pozorováním v hodinových intervalech. Časové měřítko týkající se pozorování kapalného jádra je úzce spjato s hlavními poznatky v teoretickém chápání dynamiky jádra. Konkrétně, Glatzmeier a Roberts numericky simulovali magnetohydrodynamické dynamo, které vytváří magnetické pole Země. Jedním z prvních úspěchů bylo, že v jejich modelových výpočtech došlo k převrácení polarity magnetického pole za dobu odpovídající 30 000 let. V nedávné práci, dosud nepublikované, získali Glatzmeier a Roberts další modelové inverze, následující zhruba po 120 000 a 220 000 letech. K převrácení polarity zemského magnetického pole dochází obvykle několikrát během každého milionu let. Vzhledem k tomu, že magnetohydrodynamický systém je nelineární, není možné určit a priori okamžik přepólování, přestože jde o proces plně určený rovnicemi. Přepólování je tak vlastně reakcí na nahromadění jednotlivých vnitřních činitelů. Zajímavým výsledkem magnetohydrodynamických výpočtů je potvrzení rychlejší rotace vnitřního jádra proti zemskému plášti. Detailní rozbor příčin tohoto rozdílu rotací, pokud k němu opravdu dochází, je složitý. Je tomu tak proto, že toky kapaliny a magnetické pole vnějšího jádra jsou úzce spřaženy. Nicméně, jedním z účinků zemské rotace je roztočení kapaliny vnějšího jádra během jejího pohybu od pláště k polárním oblastem vnitřního jádra. Siločáry magnetického pole ve zkapalněném kovu vnějšího jádra jsou tak taženy těmito pohyby, a protože procházejí i kovovým vnitřním jádrem, výsledkem je rozdíl rotací, jehož vypočtená hodnota je asi dva až tři stupně za rok.

Zopakujme: vypočtené magnetohydrodynamické výsledky se shodují s pozorováním. Tato předpověď předcházela seizmologické práci. Je to jeden z prvních případů, kdy simulace procesů probíhajících hluboko v jádře mohou být přímo konfrontovány s nezávislými pozorováními. Zabudujeme-li při modelování do teorie nějaké klíčové předpoklady, např. o chování turbulencí ve vnějším jádře, zvyšuje pak evidentní shoda mezi teorií a pozorováním naši důvěru v tyto předpoklady. Další předpovědí modelu geodynama je, že pohyby vnitřního jádra by měly být poněkud trhavé v časovém měřítku staletí, či snad dokonce i kratších období, což by mohlo být porovnáváno se seizmologickými a geomagnetickými pozorováními v nastávajících letech.

Čím více se počítačové simulace shodují s realitou, tím větší je naděje, že budou odhaleny klíčové aspekty dlouhodobého geologického vývoje jádra. V Glatzmeierově a Robertsově modelu, který se výborně shoduje s pozorovanými pohyby vnitřního jádra, vycházejí např. větší ztráty tepla v jádře jeho odvodem do pláště, než se usuzuje ve většině nedávných studií o termální historii Země. Je to důležité, protože tepelný tok z jádra do pláště pomáhá pohánět deskovou tektoniku, vulkanizmus, zemětřesení a další geologické procesy. Zvýšený tepelný tok rozhraním mezi jádrem a pláštěm naznačuje, že jádro ovlivňuje geologický vývoj naší planety mnohem více, než se dříve předpokládalo.

Vzájemné působení jádra a pláště

Roste počet důkazů, že kovové jádro Země a kamenný (nebo keramický) plášť, který ho obklopuje, se velmi silně ovlivňují. Seizmologie např. zjišťuje, že spodních 200 km pláště je jednou z nejvíce heterogenních oblastí planety: Rozptyl a další jevy spjaté se silnými laterálními (horizontálními) změnami fyzikálních vlastností způsobují, že tato oblast je pro geofyzikální pozorování poněkud kalná. Z laboratorních experimentů též víme, že za vysokých tlaků a teplot, odpovídajících rozhraní mezi jádrem a pláštěm, bouřlivě reagují oxidy hlubokého pláště v kontaktu s kapalnými slitinami železa. Tyto experimenty naznačují, že v průběhu geologických dob se kamenný plášť pomalu rozpouští do kapalného kovu vnějšího jádra.

Příčina rozpouštění se zdá být spojena se zásadní změnou charakteru kyslíkových vazeb za vysokých tlaků. Zatímco za nízkých tlaků kyslík vytváří nevodivé směsi (typu keramiky), za vysokých tlaků se může stát složkou vytvářející kovové slitiny. Produkty chemických reakcí mezi pláštěm a vnějším jádrem, kdy se elektricky izolující oxidy setkávají s kovovými slitinami, mohou dobře vysvětlit seizmologicky pozorovanou různorodost poblíž jejich rozhraní. Možný výskyt kovových slitin u dna pláště je obzvláště důležitý, protože kov vede teplo mnohem lépe než oxidy. Rozložení úniku tepla z jádra může tedy být prostorově velmi různorodé, což může určovat rozložení konvekčních proudů v zemském plášti.

Skvrny na dně pláště

Snad nejpodivnější anomálie pozorované u rozhraní mezi jádrem a pláštěm jsou tenké oblasti, o mocnosti menší 40 km, v nichž jsou rychlosti seizmických vln lokálně o 10 nebo i více procent nižší. Oblasti s tak velkým poklesem rychlostí nebyly pozorovány nikde jinde v plášti. I kdybychom předpokládali, že tam dochází k chemické reakci nebo kontaminaci jádrem, zdá se, že vysvětlení těchto velkých poklesů seizmických rychlostí vyžaduje i mohutné místní tavení uvnitř nejspodnějších partií pláště.

Taková výrazná různorodost, s lokálními horkými a částečně roztavenými oblastmi ve spodním plášti, je kromě jiného ukázkou vysoce dynamické termální a chemické hraniční vrstvy u svrchní hranice jádra. Existuje hypotéza, že „horké skvrny“ na zemském povrchu – skupiny vulkánů, jako je řetězec Havajských ostrovů, o nichž se má za to, že představují stoupající výrony horkého materiálu v plášti – se mohou nacházet především nad skvrnami ultranízkých rychlostí u rozhraní mezi jádrem a pláštěm.

Existují navíc dobré důkazy o lokální silné seizmické anizotropii právě nad jádrem. Přítomnost tenkých vrstev materiálu s nízkými akustickými rychlostmi, ať už je způsobena natavením nebo kontaminací jádrem (anebo obojím), by mohla vysvětlit anizotropii u dna pláště.

Seizmologická pozorování rozhraní jádro–plášť dokládají termální a chemický vliv kovového jádra na kamenný plášť, což by mohlo být důležité pro porozumění rozsáhlým geologickým jevům v minulosti. Existují důkazy o masivních vulkanických erupcích, jejichž rozsah řádově předčil cokoliv, co se na Zemi událo během nedávné geologické historie. Modelové studie naznačují, že takové superudálosti by mohly být povrchovou ukázkou dynamických nestabilit vybuzených u rozhraní mezi jádrem a pláštěm. Je-li tomu tak, pak současná pozorování seizmických heterogenit a anizotropie těsně nad jádrem mohou poskytnout první snímky nestabilit vznikajících hluboko v Zemi.

Odkud víme, co je uvnitř?


O podstatě hlubokého nitra Země se dozvídáme především ze seizmologických, geomagnetických a dalších geofyzikálních pozorování. Shrňme některé argumenty a charakteristiky hlavních rysů jádra:

  • Vnější jádro je roztavené. Svědčí o tom tři důkazové linie, přičemž první dvě jsou seizmologické. Zaprvé, vlny typu S šířící se dolů pláštěm nepronikají do jádra, čímž dokumentují nedostatek pevnosti ve vnějším jádře. Naopak vlny typu P, které dosáhnou rozhraní plášťjádro, generují kompresní vlny v jádře, které pak mohou generovat jak vlny P, tak i vlny S, jakmile dosáhnou pláště na opačné straně jádra. Výsledné vlny jsou zaznamenávány na zemském povrchu. Druhá, doplňující důkazová linie pochází ze spektra tzv. vlastních kmitů Země, vznikajících velkými zemětřeseními. Pozorované frekvence mohou být vysvětleny pouze za předpokladu, že vnější jádro má nulovou pevnost. I když je určování vlastností Země ze spektra vlastních kmitů samo o sobě úlohou s nejednoznačným řešením, existují dodatečné informace spolehlivě ukazující, že vnější jádro je kapalné. Konečně geodetická pozorování nutací (kolébání rotační osy Země) jsou nejlépe vysvětlena za předpokladu, že vnější jádro je kapalina, která není více vazká než voda za pokojové teploty a tlaku. Nedávná pozorování rotace vnitřního jádra jsou s tak malou viskozitou slučitelná. Ve vazbě mezi kapalným vnějším jádrem a krystalickým vnitřním jádrem převažují spíše geomagnetické síly nad viskózními.

  • Vnitřní jádro je krystalické. Jediný důkaz, že vnitřní jádro není kapalné, pochází z pozorovaného spektra seizmických vlastních kmitů, které nemohou být vysvětleny bez předpokladu pevnosti vnitřního jádra. Spektrum vlastních kmitů také ukazuje, že hustota vnitřního jádra je asi o 500 kg/m3 větší než hustota vnějšího jádra. Anizotropie vln s elastickými vlastnostmi navíc podporuje představu, že vnitřní jádro má krystalickou strukturu.

    Žádné smykové vlny šířící se vnitřním jádrem nebyly dosud spolehlivě pozorovány, ale výpočty založené na známé struktuře Země ukazují, že amplitudy takových vln jsou pro současná pozorování příliš malé.


  • Geomagnetické pole pochází z jádra. Sférická harmonická analýza časově průměrovaného geomagnetického pole na zemském povrchu i nad ním dokázala, že více než 98 procent povrchového pole pochází ze zdrojů hluboko uvnitř planety. Díky jedné z Gaussových raných aplikací sférické harmonické analýzy se o tom vědělo už v 19. století. Geomagnetické bouře, způsobené náhlými změnami v aktivitě slunečního větru, dočasně zvyšují vnější geomagnetické pole a mohou redukovat příspěvek z vnitřku až na 90 procent. Roční i desetileté variace geomagnetického pole ukazují, že plášť má nízkou elektrickou vodivost. To je v souladu se seizmologickými a dalšími údaji, které dokládají, že plášť je tvořen především nevodivými silikátovými a oxidovými horninami. Seizmologické vlastnosti jádra jsou naopak slučitelné se složením z takřka čistého železa, což naznačuje, že geomagnetické pole je primárně produkováno magnetohydrodynamickými procesy v elektricky vodivé kapalině vnějšího jádra.

    Desetiletá až staletá měření časově proměnného geomagnetického pole mohou být použita k odhadům rychlosti kapaliny na povrchu vnějšího jádra. Globální pozorování časových změn se provádějí několik staletí. Z nich se dají odvodit rychlosti proudění u vnějšího povrchu jádra asi 1

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Geologie

O autorech

Raymond Jeanloz

Barbara Romanowicz

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné