Nasza planeta nie jest jednolitą skalną kulą – to już wiemy od dawna, ale to, jakie panują relacje pomiędzy poszczególnymi warstwami w głębi Ziemi, już mniej. Sporo uwagi przykuwa kwestia ruchów konwekcyjnych, zarówno w skalnym płaszczu, jak i pomiędzy jądrem wewnętrznym i zewnętrznym.
Czytaj też: Źródło diamentów znaleźli 2800 kilometrów pod ziemią. Te sekretne słupy ognia są gigantyczne
To owe hipotetyczne komórki konwekcyjne w płaszczu Ziemi mogą być odpowiedzialne za tektonikę płyt. W przeszłości być może powodowały również dynamiczne erupcje magmy kimberlitowej, która w zastygłej, zlityfikowanej formie jest bardzo bogata w diamenty. Zresztą sama jej nazwa wzięła się od kopalni najcenniejszego z kruszców, która znajduje się w Kimberley, w RPA.
Nie tylko ruchy wznoszące w płaszczu są zagadką dla naukowców. Relacja pomiędzy obydwoma częściami jądra ziemskiego – stałą, wewnętrzną i płynną, zewnętrzną – również pozostaje niezbyt opisana przez współczesną naukę. Chociaż wiadomo na przykład o ruchu rotacyjnym żelaznego rdzenia naszej planety w płynnym jądrze zewnętrznym. Najnowsze doniesienia ze Stanów Zjednoczonych wyjaśniają nieco tajemną naturę wnętrza Ziemi i przy okazji odkrywają zupełnie nowy typ zachowania się ośrodków w warunkach przepływu konwekcyjnego.
Ruchy turbulentne we wnętrzu Ziemi przenieśli do modelu laboratoryjnego
Dwójka naukowców z Uniwersytetu Nowojorskiego w Szanghaju przeprowadziła bardzo interesujący eksperyment, który w uproszczonej formie możemy wykonać nawet w domu. Chcieli oni w banalny, modelowy sposób odtworzyć warunki, w jakich może poruszać się samo serce naszej planety. Wyniki badań opublikowali w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ich praca dotyczyły termodynamiki płynów w kontakcie z ciałem stałym. Zbadali oni zjawisko konwekcji Rayleigha-Bénarda, które polega na podgrzewaniu płynu od spodu przy jednoczesnym ochładzaniu go od góry. W takiej sytuacji możemy zaobserwować, jak gorętszy płyn zbiera się charakterystycznych komórkach, które będąc lżejszymi, unoszą się do góry, a następnie schłodzone opadają na dno.
Czytaj też: Księżyc jest bardzo podobny do Ziemi. Naukowcy sprawdzili, co znajduje się w jego wnętrzu
Konwekcja Rayleigha-Bénarda od kuchni – dosłownie i w przenośni
Podobny efekt możemy uzyskać, gotując gęsty sos na kuchence. Po pewnym czasie podgrzewania zaczynamy obserwować, jak na powierzchnię płynu będą wydostawać się specyficzne „pieniste bąble” (komórki konwekcyjne), które następnie rozleją się po powierzchni i ochłodzą. Oczywiście, kiedy ów sos zamieszamy, to nie będzie dochodzić do konwekcji, dopóki znów różnice w temperaturze sosu na dole i górze garnka się nie pojawią.
Zjawisko podobne do konwekcji Rayleigha-Bénarda może zachodzić także we wnętrzu Ziemi. Nieustannie warstwy skalne są podgrzewane od dołu, a od góry chłodzone. W jądrze natomiast uważa się, że wewnętrzna, stała część rotuje pośrodku zewnętrznego, płynnego ośrodka. Wszystko ma zachodzić w warunkach przepływu konwekcyjnego.
W ramach doświadczenia wykorzystano cylindryczny pojemnik z wodą, który podgrzewano od spodu, tworząc przepływ konwekcyjny. Te ruchy wchodziły w interakcję z zawieszoną bryłą, która swobodnie poruszała się we wnętrzu. Jej ustawienie i zmiana położenia dało możliwość analizy tego, jak płyny oddziałują na ciała stałe w takich warunkach.
Co ciekawe, system zachowywał się dość grzecznie – przyznaje cytowany w komunikacie prasowym Jun Zhang, jeden ze współautorów artykułów. Wyniki obserwacji były zaskakujące w jednej kwestii. Dostrzeżono, że układ płyn-ciało stało porusza się w jednym z dwóch możliwych kierunków – albo zgodnie ze wskazówkami zegara, albo odwrotnie. Zmiana kierunku zachodziła z powodu turbulencji.
Opisane doświadczenie było zainspirowane tym, co się dzieje pomiędzy dwoma częściami ziemskiego jądra. Autorzy doszli do kilku ważnych wniosków. Po pierwsze, uzyskali solidne potwierdzenie dla zjawiska zachodzącego na głębokości kilku tysięcy kilometrów pod naszymi stopami we wnętrzu planety i tego, że może pełnić ono wyjątkowo ważną rolę. Po drugie, dostali cenny zbiór informacji o ruchu turbulentnym i sposobach na jego ujarzmienie poprzez dołożenie ciała stałego do układu. Można to zastosować w wielu środowiskach w praktyce. Wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba redukcji turbulencji.
Czytaj też: Jak powstały kontynenty na Ziemi? Po latach od rozwiązania zagadki ciągle mamy wątpliwości
Jakie jeszcze procesy endogeniczne mogą stać się źródłem dla kolejnych modelowych doświadczeń? Można wymienić ich kilka, ale wyjątkowo zagadkowa jest jeszcze relacja pomiędzy dolnym płaszczem Ziemi a płynnym jądrem zewnętrznym. Czy uda się którymś naukowcom odtworzyć podobne warunki i odkryć nieznane procesy rządzące tą strefą wnętrza planety? Ten kawałek świata zdaje się wciąż kryć wiele tajemnic.