A Föld magja Miből áll a DER SPIEGEL bolygónk legbelső része
Hogyan lehet megtudni, hogy miből áll a föld magja? "Ha valaki csak lemenne és megnézné", akkor kísértésbe esik a válasz. Végül is a saját bolygónk építéséről van szó - nem pedig egy billió kilométerre lévő csillagokról vagy exobolygókról.
Valójában erre a kérdésre évtizedek óta nem adnak végleges választ. Ismeretes, hogy a föld magjának 90 százaléka a vas és a nikkel elemekből áll. De mi van a fennmaradó tíz százalékkal? A föld mind a mai napig megőrizte ezt a titkot - de a kutatók ennek a harmadik elemnek a nyomában járnak.
Geofizika, atombomba, majd megint geofizika
A keresés 65 évvel ezelőtt, 1952-ben kezdődött az amerikai Harvard Egyetemen. A második világháború idején Francis Birch amerikai geofizikus segített az atombomba megépítésében. Most, a háború után, Birch visszatért a föld felfedezéséhez.
Már akkor tudni lehetett, hogy vasuk és esetleg nikkel rejtőzött a magjukban. De amikor Birch összehasonlítja a kísérleti adatokat és az elméleti jóslatokat, megállapítja, hogy a kettő nem áll együtt.
Esszéjében józanul megjegyezte: "Lehetségesnek tűnik, hogy a réteg sűrűsége E. esetleg 10-20 százalékkal alacsonyabb, mint a vas vagy a nikkel-vas sűrűsége ugyanazon körülmények között. "Réteg E., ez a föld magja.
Wanted: a harmadik elem
Egyszerű szóval ez azt jelenti: Ha a mag kizárólag vasból és nikkelből áll, akkor annak sokkal sűrűbbnek kell lennie, mint azt Birch mérési adatai mutatják. Tehát egy harmadik, könnyű elemnek el kell bújnia a nehézsúlyú vas és nikkel között - így a mag egésze bolyhosabbá válik.
Birch maga harmadik elemként a szenet vagy a szilíciumot javasolja. De elvileg elképzelhető a kén, az oxigén és a hidrogén is, ahogy Thomas Duffy kutató írja egy cikkében.
Tehát van elég jelölt. De a föld nem tárja fel olyan könnyen a legmélyebb titkát. Ennek két oka van: nagy a távolság a föld felszínétől a magig, és a körülmények rendkívüliek.
A földig fúrni és mintákat venni - "menj le és nézz" - lehetetlen. A világ legmélyebb furata tizenkét kilométer mély - ahhoz, hogy a Föld magjáig eljusson, csaknem 3000 kilométer mélyre kell fúrnia, amint azt a grafika is mutatja:
Fotó: SPIEGEL ONLINE
A föld mély rétegeinek tanulmányozása érdekében a geofizikusok kitaláltak valamit. A "földrengés-koncertet" hallgatja.
Valahogy így működik: A szeizmográfokat úgy osztják szét a föld felszínén, mint a hallgatók a koncertteremben. Ha a világ bármely pontján rengés van, a hullámok az epicentrumtól indulva terjednek a földön. Minél közelebb van egy szeizmográf az epicentrumhoz, annál korábban mérhetők ott a hullámok. Ha több mérőállomást kombinál, akkor jellemezheti a hullámokat.
A legfontosabb: a földön haladva a hullámok áthaladnak a különféle rétegeken, vagy visszatükröződnek rájuk - és ezért a szeizmográfhoz érve információkat hordoznak a bennük lévő rétegekről.
Ezekből a kísérletekből tudjuk, hogy a földnek van kérge, palástja és magja (lásd a fenti ábrát). A mag viszont két részből áll: belül egy tömör gömbből, kívül pedig egy folyékony részből.
Próbáld, próbáld, próbáld
Ez a módszer önmagában azonban nem elegendő a harmadik elem azonosságának tisztázásához. A kutatók nem tudják, hogyan viselkednek a lehetséges anyagok a Föld magjának extrém körülmények között. Az ottani nyomás hárommilliószorosa a föld felszínének. A hőmérséklet 3700 és 6200 Celsius fok között alakul.
A kutatóknak nincs más választása, mint kipróbálni az összes lehetséges kombinációt, és megnézni, melyik felel meg a legjobban a szeizmográfok eredményeinek.
A jelek szilíciumot jelölnek
A kutatók csak az elmúlt években tudták elérni a laboratóriumi magas nyomást és hőmérsékletet, és ugyanakkor megmérni az anyagok hullámsebességét. "Ezek nagyon nehéz kísérletek" - mondja David Rubie geofizikus a Bayreuth-i Bajor Geo-Intézettől. A mintákat két csiszolt gyémánt közé szorítják - csak ők képesek ellenállni a kísérletnek.
Japán kutatók most ezt a módszert alkalmazták a szilícium tesztelésére, és bíznak abban, hogy megtalálták a harmadik elemet. "Úgy gondoljuk, hogy a szilícium elengedhetetlen része" - mondta Eiji Ohtani, a Tohoku Egyetem munkatársa a BBC-nek.
"Az eredmények megegyeznek saját számításainkkal" - mondja David Rubie, aki nem vett részt a japán tanulmányban. A meteoritokban és a föld köpenyében végzett mérések összehasonlítása szintén alátámasztaná a szilícium hipotézist.
A geofizikusok már nem hiszik, hogy a szénnek, a hidrogénnek vagy a kénnek lenne nagy szerepe. Rubie szerint még csak egy jelölt van versenyben: oxigén. Francia kutatók 2013-ban publikálták a megfelelő eredményeket.
További kísérletek szükségesek a szilícium hipotézissel kapcsolatos utolsó kétségek eloszlatásához. Ezért teljesen lehetséges, hogy Francis Birch találós kérdése öt év múlva ünnepli 70. születésnapját.