Stavba Zeme

Tento článok opisuje stavbu Zeme.
Tvar zemského telesa.
Zem má tvar splošteného sféroidu – geoidu, s priemerom 12 742 km. Rotácia spôsobuje, že rovník je vydutý oproti pólom (v priemere o ). Najväčšie odchýlky od zemského povrchu sú Mount Everest ( nad morskou hladinou) a Mariánska priekopa ( pod hladinou mora). Keďže Zem nemá pravidelný tvar, najvzdialenejším miestom od stredu je sopka Chimborazo v Ekvádore. Hmotnosť Zeme je približne 5,98×1024 kg.
Zloženie.
Zem, podobne ako ostatné terestrické planéty, sa skladá z niekoľkých sústredných obalov, z ktorých každý má svojské horninové zloženie a tým aj odlišné chemické a fyzikálne vlastnosti. Horniny z plášťa sa na povrch dostávajú sopečnou činnosťou a poruchami v oceánskej kôre, naspäť do plášťa sa vracajú v subdukčných zónach (pozri horninový cyklus). Väčšina hornín na povrchu je staršia ako 100 mil. rokov.
Chemické zloženie.
Väčšina hornín je tvorená kremičitanovými minerálmi, obsahujúcimi veľmi obmedzené množstvo prvkov. Ako vidno z tabuľky vpravo, prvých osem prvkov je obsiahnutých v 98 % hornín, a len dvanásť prvkov tvorí až 99,3 % hornín. Distribúcia chemických prvkov v zemskom telese však nie je rovnomerná. S vývojom Zeme sa ťažie prvky presúvali k jadru, ľahšie stúpali na povrch (diferenciácia).
Kôra pod kontinentmi sa nazýva "SiAl" (podľa začiatočných písmen latinských názvov dvoch jej najhojnejších prvkov kremíka a hliníka). Kôra pod oceánmi sa nazýva aj "SiMa" (pomenovaná opäť podľa najhojnejších prvkov kremíka a horčíka). Sialické kontinenty vytvorené z ľahších materiálov než je "SiMa", plávajú na nej ako ľadovce v mori. Kontinenty sú pokryté vrstvou zvetralín. Na "SiMe", spočíva ešte pomerne tenká vrstva sedimentov a láv.
Minerálne a horninové zloženie.
S narastajúcou hĺbkou sa zvyšuje hustota, preto sa vo vyšších vrstvách nachádzajú horniny ľahšie: pevninská kôra má priemerné zloženie zodpovedajúce granodioritu, nie až granitu. Na povrchu sa vyskytujú aj veľké masy vápencov a dolomitov, ktorých zloženie je výrazne odlišné, ale celkovo predstavujú len malý objem kôry. Kontinentálna kôra je teda tvorená prevažne kremeňom a živcami. Oceánska kôra je tvorená bazaltami. Mineralogický je tvorená prevažne živcami, menej olivínom. V plášti sa nachádzajú ťažšie horniny, najmä peridotity (horečnato-železité kremičitany), mineralogicky hlavne olivín a pyroxény. Jadro je tvorené oxidmi, príp. sulfidmi železa a niklu.
Zemské obaly.
Zem je tvorená viacerými obalmi, atmosférou, hydrosférou a viacerými geologickými vrstvami, rozdelenými na základe ich odlišných vlastností.
Základné rozdelenie navrhol K. E. Bullen (podľa správania sa prechádzajúcich seizmických vĺn):
Zemská kôra.
Zemská kôra, na ktorej žijeme, je pevná a v pomere k celej Zemi nie je hrubšia ako škrupina na vajci (zaberá 1,5 % objemu Zeme). Delí sa na kontinentálnu a oceánsku kôru. O jej vrchnej časti máme mnoho poznatkov, získaných priamym pozorovaním, o hlbšej časti zasa štúdiom zemetrasných vĺn.
Kontinentálna kôra je v priemere hrubá (30 – ). Jej horninové zloženie je heterogénne (obsahuje rôzne horniny), aj keď ako najbežnejšia sa vyskytuje granit. Oceánska kôra je tenšia (priemerne ), má väčšiu priemernú hustotu (kontinentálna kôra: 2,3 g.cm−3, oceánska: 2.dm−3). Jej zloženie je monotónnejšie (prevažne bazalty). Jej vek nie je väčší ako 200 mil. rokov.
Kôra je od plášťa oddelená rozhraním, na ktorom sa náhle mení hustota (z 2,9 na 3.dm−3). Toto rozhranie sa nazýva Mohorovičićova diskontinuita alebo "Moho". Táto diskontinuita je považovaná za bázu zemskej kôry, dosahuje pod kontinentami priemernú hĺbku , pod oceánmi .
Hrúbka kôry sa pohybuje od cca pod oceánmi, až po pod pevninami. Miestami napr. pod Himalájami dosahuje aj .
Zemský plášť.
Zemský plášť sa rozdeľuje na vrchný a spodný. Vrchný plášť sa skladá z tenkej pevnej vrstvy siahajúcej pod Moho do hĺbky 60 – , ďalej z plastickej vrstvy "astenosféry" hrubej cca a napokon zo spodnej vrstvy hrubej . Vrchná vrstva vrchného plášťa spolu so zemskou kôrou tvoria pevnú "litosféru", ktorá je rozlámaná na dosky, pohybujúce sa na astenosfére. Tlak a teplota (blízka bodu jej topenia) robia totiž astenosféru takmer tekutou, plastickou.
Vrchný plášť oddeľuje od spodného opäť diskontinuita (nárast hustoty z 3,3 na 4.dm−3). Hustejší spodný plášť zrejme pozostáva z peridotitu, ktorý obsahuje minerály vyššej hustoty, vytvorené tlakom nadložných hornín. Medzi spodným plášťom a jadrom v hĺbke leží ďalšia diskontinuita (zmena hustoty z 5,5 na .dm−3). Toto je Gutenbergova diskontinuita.
Zemské jadro.
Zemské jadro, zložené pravdepodobne zo zliatiny železa a niklu, je v hĺbke rozdelené na vonkajšiu a vnútornú zónu. Predpokladá sa, že vonkajšia zóna je tekutá, lebo sa v nej zastavujú priečne zemetrasné vlny S, zatiaľ čo vnútorná zóna je pevná, pretože pozdĺžne vlny P sa v nej pohybujú o niečo rýchlejšie. Na rozhraní vonkajšieho a vnútorného jadra sa opäť mení hustota z 12,3 na 13.dm−3 a v strede Zeme dosahuje asi .dm−3.
Hydrosféra.
Zem je jediná planéta Slnečnej sústavy, ktorej povrch je pokrytý vodou v tekutom stave. Voda pokrýva 71 % povrchu Zeme (z toho 97 % tvorí morská a zvyšok sladká voda). Voda sa na Zemi udrží vďaka kombinácii niekoľkých faktorov: vzdialenosti od Slnka, vulkaniznmu, gravitácii, magnetickému poľu Zeme, skleníkovému efektu a kyslíkovej atmosfére.
Zem je za hranicou orbitu, kde by bolo dostatočne teplo na udržanie vody v kvapalnom stave. Toto je možné aj vďaka skleníkovému efektu. V minulosti (cca pred 580 mil. rokmi) bola Zem celá zamrznutá – ľadová Zem (Snowball Earth).
Na iných vnútorných planétach (napr. Venuša) je vodná para v atmosfére pôsobením ultrafialového žiarenia rozšitepovaná na vodík a kyslík a vodík následne uniká z astmosféry. Tento proces je síce pomalý, ale nezvratný, čo je aj jedna z hypotéz, prečo Venuša nemá vodu. Kyslík, keďže nemá vodík, potom reaguje s povrchovými minerálmi. Ozónová vrstva v stratosfére absorbuje väčšinu ultrafialového žiarenia, tým zabráni štiepeniu vody. Ozón sa môže vytvárať len v atmosfére s vysokým obsahom kyslíka, ktorý závisí od biosféry. Magnetické pole Zeme zabraňuje prenikaniu iných vysokoenergetických častíc zo Slnka (slnečný vietor).
Napokon, sopečnou činnosťou sa na povrch dostáva značné množstvo vodnej pary z vnútra Zeme. Subdukované vápence sú recyklované a do atmosféry sa dostávajú ako oxid uhličitý a vodná para. Hmotnosť hydrosféry je 1,4×1021 kg, čo je 0,023 % celkovej hmotnosti Zeme.
Atmosféra.
Zem má relatívne hrubú atmosféru zloženú z dusíka (78 %), kyslíka (21 %) a argónu (1 %). Zvyšok tvoria ostatné plyny (oxid uhličitý, vodná para, hélium, atď.). Atmosféra je nárazníkom medzi povrchom Zeme a slnečným žiarením. Jej zloženie je s časom premenlivé, závisí od biosféry. Hmotnosť atmosféry je 5,1×1018 kg, čo je 0,9 ppm celkovej hmotnosti Zeme.
Spôsoby zisťovania stavby Zeme.
Poznatky o stavbe hlbších zemských obalov získavame štúdiom zemetrasných vĺn. Tieto, ak prechádzajú cez horniny s odlišnou hustotou, na ich rozhraní sa ohýbajú podobne ako svetlo, keď prechádza cez sklo. Ak narazia na rozhranie pod ostrým uhlom, odrazia sa. Vlny zo vzdialených zemetrasení prechádzajú kôrou pod tupými uhlami, zatiaľ čo vlny z blízkych zemetrasení vnikajú pod ostrými uhlami. Ak teda poznáme uhly šírenia sa zemetrasných vĺn, ich rýchlosť a vzdialenosť, ktorú prekonali, je možné vypočítať hĺbku, v ktorej sa odrazili a z meraní zmien rýchlosti odhadnúť hustotu jednotlivých vrstiev (obalov).
Z meteoritov, dopadajúcich na Zem sa odhaduje zloženie a veľkosť zemského jadra. Tieto sa rozdeľujú na tzv. kamenné (zložené prevažne z kremitých hornín) a železné (zložené zo zliatin železa s niklom) a pomer ich počtov (výskytov) vypovedá, že pomer objemov zemského plášťa a jadra je podobný.
Tepelné pomery.
Zem okrem tepla, ktoré získa od Slnka a tepla nadobudnutého pri svojom vzniku, produkuje svoje vlastné teplo. Toto teplo pochádza z hlavných zdrojov:
Od povrchu smerom do hĺbky narastá teplota. Na Mohorovičićova diskontinuita dosahuje približne 375 °C, vo vrchnom plášti 800 °C a v spodnom plášti (hĺbka ) odhadom na 2 250 °C. V jadre môže byť teplota od 3 000 do 5 000 °C.
Tepelný pohyb.
Teplo sa na zemský povrch dostáva konvekčným prúdením (v kvapalnom, alebo plastickom prostredí) a vedením (v pevnom prostredí), tak, že teplejší materiál stúpa k povrchu a chladnejší klesá. V jednotlivých vrstvách sú tieto pohyby nerovnomerné. Vo vonkajšom jadre sú rýchlosti pohybu okolo .h−1 (je predpoklad že tento pohyb zapríčiňuje zemský magnetizmus), kým v plášti rádovo 10 000-krát nižšie (okolo /rok). Napriek tomu, že je tento pohyb omnoho pomalší má priamy vplyv na tvar povrchu Zeme. Keďže na plastickej astenosfére, v ktorej prebieha tento pohyb, leží pevná litosféra, je táto týmto pohybom unášaná a tým dochádza k formovaniu kontinentov (platňová tektonika).
Vývoj poznatkov a alternatívne koncepcie.
V roku 1692 Edmund Halley vyslovil hypotézu, že povrch Zeme je tvorený 500 míľ hrubou kôrou, pod ktorou sú ďalšie dve vrstvy. Tiež vypracoval metódu na výpočet hustoty Zeme a Mesiaca.
V roku 1818 John Cleves Symmes, Jr. navrhol, že Zem je tvorená dutou, 1 300 míľ hrubou vrstvou, otvorenou na oboch póloch. Vnútri tejto vrstvy sa nachádzajú ďalšie štyri vrstvy. Niečo podobné rozpracoval aj Jules Verne v románe "Cesta do stredu Zeme", kde sa cestovatelia cez vyhasnutý kráter sopky na Islande dostanú do obrovských podzemných priestorov a vyjdú na povrch na Sicílii.
Zaujímavá je aj teória dutej Zeme, prvýkrát vyslovená Wiliamom Reedom, podľa ktorej ľudia nežijú na povrchu Zeme, ale v jej vnútri, teda Zem je obrovská dutá guľa. Touto teóriou bol ovplyvnený aj nacizmus.
Niekoľko kresťanských filozofov zastáva názor, že Zem je plochá. V Anglicku a USA sa pokúsili o revíziu danej teórie v 19. storočí. Americká spoločnosť "Flat Earth Society", ktorá zastáva danú teóriu, má dokonca niekoľko tisíc členov.