Cesta k jádru: Jaké podmínky panují v samém středu Země?

Když v roce 1864 průkopník sci-fi Jules Verne vydal román Cesta do středu Země, byl si vědom, že jde o čirou fantazii. Hlavní postavy totiž proniknou několik kilometrů pod povrch planety, přičemž uvedenou představu vědecká obec už ve viktoriánských dobách považovala za zcela nereálnou. A právem – vždyť i současný rekordní vrt dosahuje hloubky pouhých 12 km, zatímco od středu Země nás dělí víc než 530násobek, konkrétně 6 371 km. Jak tedy můžeme tušit, co leží pod našima nohama? Odpověď se stala ohromným vědeckým hlavolamem. 

Jak změřit zeměkouli

Vědomí o existenci zemského jádra jde ruku v ruce s přesvědčením, že je Země kulatá. Daný koncept přitom lidé znají už velmi dlouho a zůstává pouhým mýtem, že si ve středověku mysleli opak. Pochybná teorie vznikla v rámci viktoriánské antináboženské propagandy a opírala se o špatný výklad dobových stylizovaných map. Řecký matematik Eratosthenes z Kyrény již téměř před 2 300 lety poprvé vyčíslil poledníkový obvod naší planety a od té doby bylo naprosto jasné, že není plochá. 

Neznamená to však, že by dávní myslitelé uvažovali o Zemi podobně jako my: Podle řeckých fyziků sestávala ze soustředných sfér odpovídajících přírodním elementům – zemi, vodě, vzduchu a ohni. V centru se nacházelo jádro, které dle učenců muselo být pevné, neboť vzduch obklopený zeminou považovali za nemyslitelný. Zároveň se předpokládalo, že část pevniny čnící nad hladinu vytváří jediný kontinent. Když pak mořeplavci objevili Ameriku, šlo o jeden z prvních kroků k vyvrácení řeckého učení. 

Kompas tvrdí opak!

Myšlenka, že je Země dutá nebo že se v jejím nitru nacházejí obří jeskyně, se těšila značné popularitě ve vědecko-fantastické literatuře a stala se středobodem mnoha konspiračních teorií. Nicméně kromě astronoma a matematika Edmunda Halleye, který roku 1692 prosazoval dutou planetu, aby vysvětlil podivné chování kompasu, nebrali badatelé uvedený nápad vážně. Jeden z nejdůležitějších protiargumentů vznesl v roce 1798 britský excentrik Henry Cavendish, jenž Zemi zvážil.

Zmíněný podivín se vyhýbal kontaktu s lidmi, a dokonce i se služebnictvem komunikoval pouze skrz psané vzkazy. Ačkoliv se narodil do aristokratické rodiny, zasvětil život vědě – konkrétně chemii a fyzice. Jeho největším úspěchem se pak stal návrh experimentu na „zvážení“ naší planety: V rámci jednoduchého pokusu změřil přitažlivou sílu, jakou velké koule v kontrolovaném prostředí působily na malé protějšky ve své blízkosti. Když získané hodnoty srovnal s přitažlivou silou Země, dokázal určit její hustotu – a také hmotnost, neboť rozměry planety už tehdy badatelé znali. 

Slunce v srdci

Současná věda rozeznává čtyři části zemského nitra: Těsně pod povrchem, v rozmezí 5–75 km, leží kůra. Následuje plášť, sahající zhruba do 2 900 km, a jádro o síle okolo 2 200 km. V jeho středu se pak nachází ještě tekuté vnitřní jádro, tvořené směsí niklu a železa: Má poloměr 1 300 km a teplotou 5 400 °C se blíží podmínkám na povrchu Slunce. Pokud ovšem dovnitř planety nedokážeme proniknout, jak si můžeme být uvedenými informacemi jistí?

Veškeré naše poznatky jsou nepřímé a stavějí na seismologii, vědě zkoumající zemětřesení. Při otřesech se planetou šíří seismické vlny, jejichž povaha a směr se mění v závislosti na materiálu, jímž procházejí. A právě na základě daných informací geofyzikové určili, co leží v jádru Země. Seismometry totiž fungují podobně jako teleskopy – jen místo pohledu mimo naši planetu nahlížejí do ní. 

Po stopách vln

Začátkem 20. století se na základě naměřených seismických údajů, ale také v důsledku zjištěné stoupající teploty hlouběji pod povrchem předpokládalo, že je nitro naší planety žhavé – dost na to, aby se horniny a kovy roztavily. Klíčový objev pak učinil britský geolog Richard Oldham s dánskou seismoložkou Inge Lehmannovou. 

Když se řekne „vlna“, obvykle nás napadne moře a povrchové vlnění na hladině. Jenže mnoho vln, jako třeba ty zvukové, prochází skrz materiál. Ačkoliv ničivé vlnění při zemětřesení putuje po povrchu, útrobami planety se při tom šíří další dva druhy: Primární p-vlny jsou podélné a v nejhustších částech zemského pláště dosahují rychlosti až na 14 km/s. Druhý typ představují příčné sekundární s-vlny: Pohybují se pomaleji a neprocházejí kapalinami. A právě zmíněné dvojí vlnění se stalo základem k odhalení povahy zemského jádra. 

Ve stínu jádra

Představte si, že dojde k rozsáhlému zemětřesení a planetou se začne šířit vlnění. P-vlny vyrazí prudce vpřed, zatímco jejich s-kolegyně za nimi budou následovat zhruba poloviční rychlostí. Jenže tam, kde vlny procházejí jádrem na cestě ke vzdálené měřicí stanici, se vyskytne jakási šedá zóna. P-vlny skrz ni proniknou a seismometry zaznamenají jejich další pouť. S-vlny však zmizí.

Důsledky popsaných zjištění si Richard Oldham uvědomoval již v roce 1906. Většinu života se věnoval geologickému průzkumu v Indii a často pracoval v Himálaji. Když se roku 1903 vrátil do Británie, využil shromážděná data ke zkoumání útrob Země. Došlo mu, že kapalný střed planety by mohl chování zmíněných dvou druhů vlnění vysvětlovat: P-vlny by kapalina odklonila od jejich původního směru, podobně jako když posvítíme do vody. S-vlny by jádro naopak zcela pohltilo. 

Střed je pevný, ale…

Oldhamova teorie vedla k širšímu přijetí myšlenky tekutého jádra, nicméně o třicet let později si Inge Lehmannová uvědomila, že je navržený koncept příliš zjednodušený. S využitím nových měřicích přístrojů došla k závěru, že jádro není stejnorodé. V jejím pojetí existovalo pevné vnitřní jádro, obklopené tekutým obalem. Své závěry seismoložka publikovala v roce 1936. O dva roky později je potvrdili Beno Gutenberg a Charles Richter, když vytvořili precizní model pevného zemského jádra a uzavřeli, že jejich experimenty odpovídají reálným měřením, pouze obklopuje-li ho kapalina.  

Lepší seismografy v následujících letech zaznamenávaly i slabší vlnění: To muselo na základě zpoždění při průchodu šedou zónou dorazit k vnější části jádra v podobě p-vln, ve vnitřním jádře se transformovat na s-vlny a při jeho opouštění opět přijmout ve vnější vrstvě formu p-vln. Teorie se potvrdila v roce 2005, přesto se o povaze vnitřního jádra debatuje dodnes. Teploty v centru Země lze totiž určit pouze na základě experimentálních prací zaměřených na tání a tuhnutí látek pod vysokým tlakem. A představa, že zemské jádro sestává převážně z železa a niklu, se odvozuje z četnosti výskytu konkrétních prvků v naší části Galaxie a z našeho chápání procesu vzniku modré planety. 

Mezi hroty diamantů

V nitru Země panuje třímilionkrát vyšší tlak než atmosférický, takže se prvky mohou chovat jinak, než je běžné. Zatímco tedy nejpravděpodobněji jádro utváří slitina niklu a železa, mohlo by jít také o extrémně hustou kouli plazmatu. Pravdu zatím neznáme, protože zkrátka netušíme, jakým způsobem takto extrémní podmínky ovlivňují chování hmoty.

TIP: Vynálezy, které lidé nechtěli: Alfred Wegener a jeho země v pohybu

Vědci proto zkonstruovali tzv. diamantovou kovadlinu, kdy se mezi špičkami dvou drahokamů drtí kousky kovu tlakem, jenž simuluje podmínky v nitru Země. Nerosty k sobě směřují miniaturními hroty, protože se tak působící síla mnohonásobně zvýší (stačí si představit, že vám nějaká dáma stoupne na nohu jehlovým podpatkem, nebo naopak celou šlapkou). Pomocí kovadliny lze dosáhnout i dvojnásobku tlaku panujícího potenciálně ve středu naší planety. Teplota se pak napodobuje s využitím laserů. Z chování testovaných kovů vyplynulo, že Země ukrývá krystalické pevné jádro.

Okna do planety

K zemskému jádru se nejspíš nikdy nepřiblížíme. V prostředí ohromných teplot, zdrcujícího tlaku a zničující radioaktivity by nepřežila ani žádná současná hlubinná sonda. Navíc by se nejprve musela provrtat skrz víc než 6 000 km hornin a kovů. V porovnání s dosažením jádra naší planety představuje i mise na okraj Sluneční soustavy triviální podnik. Vlny, které Země produkuje a jež potom studují vědci jako Inge Lehmannová, nám však dovolují zkoumat tajemství pod povrchem, aniž bychom jej museli přímo spatřit.