Zemlja – nemirni planet

Uvod

Govoreći o nebeskim tijelima, obično izdvajamo Zemlju kao specifično tijelo po tome što jedino na Zemlji dokazano ima života. Međutim, naš planet možemo izdvojiti po još jednoj osobini, koju trenutačno ne uočavamo ni na jednom drugom tijelu. To je tektonika ploča, odnosno nemirna Zemljina unutrašnjost.

Na ostalim istraženim tijelima uočene su ili vulkanske aktivnosti ili padinski procesi ili ostatci tektonskih pomicanja, no jedino na Zemlji neprekidno djeluje tektonska aktivnost uzrokujući i potrese, i orogenezu, i vulkanske izljeve, i sve denudacijske procese koji konstantno preoblikuju površinu.

Zašto je tomu tako, probat ćemo objasniti u ovom kratkom članku.

Uzroci Zemljine preobrazbe

Osnovni pokretač i onaj najbitniji i najjači faktor koji pridonosi Zemljinoj aktivnosti svakako je plimna sila uzrokovana gravitacijom. Dva su tijela koja posebno gravitacijom uzrokuju plime: Sunce i Mjesec. S time da Mjesec otprilike dvostruko jače utječe, jer je puno bliže.

Mi taj utjecaj najbolje poznajemo preko ljetnih iskustava na moru. Kad neoprezno ostavimo ručnik na plaži blizu mora te odemo u kafić osvježiti se, na povratku zateknemo mokar ručnik. Došla je plima. Ili kad namjeravamo skočiti u more, a vidimo da dubina nije više dva metra, nego hridi vire iz mora. No takve nepodopštine gravitacijskog djelovanja ne odnose se samo na more. Plimne sile djeluju i na unutrašnjost Zemlje. Da bismo bolje uočili zašto je to tako, moramo zaviriti u dubinu našeg planeta.

Struktura Zemlje

Obično kažemo da je Zemlja krut planet. No to i nije baš točno. Istina je da ima krutu koru i jedan dio krute unutrašnjosti. Zapravo najbolje će biti da ju podijelimo na slojeve i da ih detaljno pogledamo (Slika 1: Presjek Zemljine unutrašnjosti).

Slika 1: Presjek Zemljine unutrašnjosti

Zemljina jezgra

Krenimo od centra. To je jezgra koja se sastoji od dvaju dijelova – unutarnje i vanjske jezgre. Unutarnja je jezgra kugla od krutog željeza i nikla, polumjera 1200 km. Temperatura je u toj kugli otprilike 6000–6500 °C, ovisno o dubini. Ako znamo da se navedeni elementi na tim temperaturama tale, štoviše isparavaju se, kako onda ta kugla može biti kruta? Odgovor je u tlaku. Tlak u centru Zemlje iznosi oko 3,5 milijuna bara, što znači da je on 3,5 milijuna puta viši nego na površini. Iz iskustva znamo da većina tvari proključa na temperaturi koja je onoliko viša koliko je veći pritisak (princip pretis lonca). Upravo je tako i u Zemljinu središtu (možda je čudno, ali uvjeti središta Zemlje postignuti su i u laboratoriju, pa za sve to imamo i direktne mjerne dokaze).

No kako se penjemo od središta prema površini, tako se smanjuje temperatura, ali istodobno i pritisak odnosno gustoća tvari. Na granici unutarnje i vanjske jezgre temperatura pada ispod 6000 °C, no i tlak pada na 3 milijuna bara. Kako je agregatno stanje tvari u tim uvjetima više ovisno o tlaku nego o temperaturi, ovdje prestaje kruto stanje jezgre i počinje tekuće. Vanjska jezgra rastaljena je i debljine je oko 2200 km. Još uvijek je sastav ista kombinacija željeza i nikla, a možemo reći da upravo taj dio omogućuje život. Naime tekući metal u brzoj rotaciji (rotacija Zemlje vrlo je brza u planetskim razmjerima) omogućuje formiranje zaštitnoga magnetskog polja koje štiti sav zemaljski život od pogubne radijacije iz svemira.

Zemljin plašt

Na tu vanjsku jezgru nadovezuje se tzv. sloj D ili Gutenbergov diskontinuitet (nije naznačen na slici), nazvan po njemačkom geofizičaru Benu Gutenbergu (1889–1960).

Taj sloj čini zapravo zonu miješanja najgušćeg materijala koji prevladava u jezgri (Fe, Ni) i manje gustog materijala u Zemljinu plaštu (Si, Mg). D sloj je prosječne debljine do 200 km (nije svuda iste debljine). Ondje temperatura naglo pada, ali pada i gustoća tvari. Tako postupno ulazimo u plašt sastavljen pretežno od silicija i magnezija, koji je viskozan. Što je viskoznost? Viskoznost je stupanj pružanja otpora tečenju tvari (unutarnje trenje). Drugim riječima, to je stupanj prijelaza iz tekuće tvari u krutu. Što je stupanj viskoznosti veći, to tvar sporije teče. Zorno bismo mogli veliku viskoznost usporediti s plastelinom. Gotovo kruta tvar.

 A taj Zemljin plašt također se sastoji od dvaju dijelova. Donji plašt, koji se nadovezuje na D sloj, velike je viskoznosti, znači bliže krutini. Njegovo tečenje je vrlo sporo, no ipak ne možemo reći da je to krutina. Tlak od 1,4 milijuna bara, koliko je na dnu tog sloja, nije dovoljan da tvar od Si i Mg bude kruta, premda temperatura pada ispod 3000 °C. Taj sloj zauzima najveći dio Zemlje, debljine oko 2300 km. U najdonjem dijelu pojavljuju se prvi spojevi (kristalne rešetke) karakteristični za stijene.

Kako se penjemo prema površini, temperatura i dalje pada, a tlak još brže. Opet se događa isto kao i kod jezgre, samo ovaj put s drukčijim sastavom tvari. Tvar ponovo postaje manje viskozna, više tekuća (premda je to još jako daleko od tekućina koje poznajemo).

Na dubini od oko 660 km ulazimo u gornji dio plašta koji opskrbljuje vulkane magmom i u kojem su žarišta potresa. U tom dijelu postoji jedan specifičan sloj – astenosfera; ona se nalazi na dubini od oko 100 km ispod površine, pa u idućih 150–250 km dubine. Omjer pritiska, temperature i sastava tvari jest takav da je taj sloj više tekući od onih slojeva plašta iznad i ispod. Upravo zato ga katkad opisuju kao mazivo za litosferne ploče koje po njemu klize (Slika 2: Litosfera i gornji plašt).

Slika 2: Litosfera i gornji plašt

Iznad astenosfere počinje litosfera, koja se sastoji od najgornjeg dijela gornjeg plašta i Zemljine kore, te sadrži tzv. Moho sloj – koji je dobio ime po našem proslavljenom geo­fizičaru Andriji Mohorovičiću (1857–1936). O njemu nešto poslije.

Plimno djelovanje

No sad kad smo upoznali Zemljinu strukturu, pogledajmo kako se ona ponaša pod utjecajem plimnih sila.

Od samog nastanka Zemlje plimne su sile oblikovale njezin razvoj i sve preobrazbe. Uzburkavajući unutrašnjost svojim gravitacijskim djelovanjem, Mjesec je (zajedno sa Suncem) ne samo rastezao i stezao Zemlju nego je pritom uzrokovao i zagrijavanje trenjem. Uza sve što pridonosi unutarnjem zagrijavanju (radioaktivni raspadi, pritisak), to je dodatna stavka koja zahtijeva da se na što efikasnije načine stvore nekakvi ‘ispušni ventili’, da se Zemlja ne raspadne od nagomilanih zagrijanih plinova u unutrašnjosti. Naravno, govorimo o vulkanima, osobito o vulkanima iznad vrućih točaka. Takve vulkane poznajemo i na drugim tijelima Sunčeva sustava. Iz velike dubine i pod velikim pritiskom plinova vruća se magma izlijeva na velike udaljenosti, odvodeći višak topline iz planeta. Najpoznatiji takav vulkan iznad vruće točke jest onaj na Hawaiima. Čini se da takva vrsta vulkana postoji i na Veneri. Međutim ni takva olakšanja nisu dovoljna da se nagomilana energija mirno otpusti iz unutrašnjosti Zemlje. Za Veneru možemo razumjeti da su to dovoljni ispusti jer ona nema Mjesec, sporo rotira, a staza oko Sunca gotovo joj je kružnica, tako da ni Sunce svojim plimnim djelovanjem ‘ne rasteže’ previše Veneru i ne zagrijava toliko njezinu unutrašnjost.

Zemlja je pak u specifičnom položaju i morala je naći dodatne načine da se oslobodi pritisaka. Polagano miješanje više ili manje viskoznih slojeva u unutrašnjosti uzrokovalo je pojačana konvekcijska strujanja (kovekcija je vrlo efikasan način prenošenja topline). Takvo gibanje znatno pridonosi ili čak i uzrokuje pokrete litosfernih ploča. Vruća magma iz dubine (no manje dubine od magme koja dopire iz prije spomenutih vrućih točaka) penje se prema površini, hladi se i vraća u dubinu prepuštajući mjesto novoj zagrijanijoj magmi (Slika 3: Prijenos topline konvekcijskim ćelijama iz unutrašnjosti prema površini). Naravno, na mjestu sudara dviju konvekcijskih ćelija dolazi do razilaženja tvari i ploče koje naliježu na magmu bivaju razmaknute. Otvara se prostor gdje magma istječe na površinu. To su srednjooceanski hrptovi koji odjeljuju tektonske ploče. Tako se i na taj način Zemljina unutrašnjost polako hladi. Dakako, neke konvekcijske ćelije rotiraju i jedna prema drugoj, noseći pritom i jednu tektonsku ploču prema drugoj, pa u tim slučajevima dolazi do sudaranja tektonskih ploča, orogeneze, pri čemu također ponovo dolazi do još nekih oblika vulkanizama.

Slika 3: Prijenos topline konvekcijskim ćelijama
iz unutrašnjosti prema površini

Sve u svemu, tektonska su gibanja i vulkani vrlo efikasan način otpuštanja topline iz unutrašnjosti.

Svi su ti procesi tijekom povijesti znatno mijenjali lice Zemlje. Nakon postavljanja Wegenerove teorije o pomicanju kontinenata i ulaskom u informatičko doba napravljene su razne simulacije kako je površina Zemlje izgledala u raznim povijesnim razdobljima, te su na osnovi toga izvučeni i zaključci o razvoju života kroz cjelokupnu povijest. Najzanimljivije za našu civilizaciju jest, dakako, današnje doba i predviđanja posljedica koje svi navedeni procesi mogu uzrokovati u društvu.

5. Potresi

Osim vulkanizma, direktne posljedice na civilizaciju imaju i potresi. Prilikom svih tih pomicanja unutrašnjosti Zemlje oslobađa se i nekakva energija gibanja koju najčešće osjetimo kroz podrhtavanja. U trenutcima kad stijena potone duboko u Zemlju, kad pritisak i temperatura porastu do dovoljne razine, neizbježivo dolazi do lomljenja kristalne rešetke koja čini stijenu. U tom trenutku oslobađa se velika količina energije koja potresa unutrašnjost. I upravo su ti nesretni potresi doveli do toga da mi danas znamo što se događa ispod nas.

Ne samo da mjerenjem s više točaka na površini možemo precizno odrediti točku iz koje je potres krenuo nego možemo odrediti i sastav i strukturu tvari kroz koju to podrhtavanje prolazi. To je stoga što se potresni valovi različito prenose kroz razne materijale i na razne načine.

Prema refleksiji i brzini širenja valova kroz određeno sredstvo lako se odredi kakav mora biti sloj kroz koji val prolazi. Istodobno se, mjerenjem s više stanica, izračunavaju (najčešće trigonometrijski) prostorne koordinate slojeva, te mjesto i vrijeme nastanka potresa. I upravo taj način znanstvene obrade omogućio je Andriji Mohorovičiću da otkrije jedan specifičan sloj ispod Zemljine kore. U tom sloju dolazi do značajnog prijeloma potresnih valova te stoga taj sloj čini svojevrsnu granicu između plašta i kore. Ili, zorno rečeno, to je granica gdje su manje otporni minerali zamijenjeni otpornijima. Manje otporni se slamaju, stijene se tale ili raspadaju, a otporniji opstaju i na većim dubinama.

Moho sloj jest sličan prijelaz jedne tvari u drugu kao što je to i spomenuti Gutenbergov diskontinuitet na prijelazu iz jezgre u plašt. Jedino se ovdje radi o nižim pritiscima, nižoj temperaturi i drugačijem sastavu materijala. No za nas je taj sloj bitan jer direktno utječe na prijenos potresnih valova. Pa pogledajmo kako se to šire potresni valovi.

5.1. Osnovna podjela potresnih valova

Potresne valove možemo podijeliti na tri glavna tipa. Prvo su longitudinalni valovi ili primarni valovi (P) koji titraju u smjeru kretanja. Slično kao opruga kad ju razvučemo i pustimo jedan kraj. Ona će se rastezati i sakupljati u smjeru pružanja opruge. Ti se valovi najbrže prenose i prolaze kroz sva agregatna stanja. Njima se tvar steže i rasteže, dakle mijenja svoj volumen. Međutim, kut loma tih valova pri prolasku kroz tvari različite gustoće pokazao je da u unutrašnjosti Zemlje tvar na jednom mjestu postaje znatno gušća (Slika 4: Prenošenje primarnih i sekundarnih potresnih valova kroza Zemljinu unutrašnjost). To je onaj dio gdje počinje jezgra, i to je način na koji nam seizmologija lijepo opisuje što se događa ispod nas.

Slika 4: Prenošenje primarnih i sekundarnih potresnih valova kroza Zemljinu unutrašnjost

Drugi valovi koji se javljaju prilikom potresa jesu transverzalni ili sekundarni (S). Oni se prenose onako kako svi zamišljamo valove: kao kad zavalovimo jedan kraj užeta pa gledamo kako val putuje. Ti se valovi prenose nešto sporije, mijenjaju oblik stijena, no prolaze samo kroz čvrste tvari. Te valove ne možemo mjeriti na suprotnom kraju Zemlje jer nam smeta vanjska, tekuća, jezgra koja zaustavlja takvo titranje (još jedan dokaz agregatnih stanja unutar našeg planeta).

Treći valovi koje moramo spomenuti jesu tzv. površinski valovi. Najsporiji su, ali kako se radi o prenošenju energije po samoj površini Zemlje, ti valovi čine najveću štetu i najopasniji su za civilizaciju.

5.2. Gdje se javljaju potresi

Dakako, najveće su potresne zone na granicama litosfernih ploča. Tamo gdje se ploče sudaraju i tamo gdje jedna ploča tone pod drugu najveća su naprezanja i potresi su najčešći i najžešći. Takve rasjedne zone mogu biti dublje i pliće, pa i pritisci mogu biti jači i slabiji. To u prijevodu znači da će i potresi na nekim rasjedima biti u prosjeku češći i jači, a na nekima rjeđi i slabiji.

Hrvatska je okružena takvim dvjema potresnim zonama. Jedna je mjesto gdje jadranska ploča pritišće Dinaride (zato je u povijesti zabilježeno nekoliko jačih potresa na dubrovačkom području), a druga je sjevernije od Dinarida. Ta druga, koja je na zagrebačkom području, znatno je manje intenzivna pa su potresi u prosjeku mnogo slabiji.

Znajući sve to o strukturi Zemlje i mehanizmima koji oblikuju Zemlju, danas smo u stanju sve bolje predviđati nevolje kojima nas priroda daruje te se na vrijeme pripremati za krizne situacije. U poznatim trusnim područjima, kakvo je npr. u Japanu, znamo da će građevine trebati biti vrlo otporne na podrhtavanja. U Zagrebu opet nema smisla graditi iznimno skupe građevine koje mogu podnijeti potres od 9 stupnjeva po Richterovoj skali kad znamo da takvog potresa ovdje neće biti (ili je mogućnost zanemariva). I tako postupnim upoznavanjem ovoga našega nemirnog planeta zapravo stječemo veliku korist u našem svakodnevnom životu.

6. Uloga Andrije Mohorovičića

Na kraju recimo i nekoliko riječi o velikom našem geologu. Rođen je 23. 1. 1857. u Voloskom^[1]. Završio je studij matematike i fizike u Pragu, a primarno se bavio meteorologijom. Nakon toga, početkom dvadesetog stoljeća, zaokuplja ga seizmologija, kojoj se potpuno posvećuje. Predano obavlja seizmološka mjerenja i intenzivno analizira dobivene rezultate. Kvalitetnom obradom zaključuje da postoji u Zemljinoj unutrašnjosti specifična zona između plašta i kore na kojoj se značajno lome potresni valovi. Taj njegov rad prepoznat je i priznat u svijetu te se može reći da je to bio početak ozbiljne seizmologije (možemo ga bez problema nazvati ocem moderne seizmologije) koja nam danas otkriva strukturu i Zemlje i ostalih nebeskih tijela. Mohorovičićevo je otkriće bilo znatno prije Wegenerove teorije o pomicanju kontinenata (nakon koje bi svakako bilo lakše shvatiti što se događa u unutrašnjosti Zemlje), pa to daje dodatno značenje njegovu doprinosu svjetskoj znanosti. Wegenerova teorija pomicanja kontinenata prihvaćena je tek sredinom 20. stoljeća, a Mohorovičić je umro 18. 12. 1936. godine.

Navedena zona u Zemljinoj unutrašnjosti nazvana je Mohorovičićev diskontinuitet ili kraće Moho sloj – njemu u čast. Mohorovičićev doprinos razumijevanju strukture Zemlje i potresa temelj je na kojem je izgrađena naša spoznaja o Zemlji i drugim nebeskim tijelima. Treba spomenuti da je također dao znatan doprinos meteorologiji, npr. uspostavio je mrežu za praćenje grmljavinskog nevremena u Hrvatskoj. O njegovu izrazito kvalitetnom znanstvenom radu mogli bi se napisati svesci knjiga, ali možemo reći da je već svojom djelatnošću u seizmologiji zadužio čovječanstvo.

A kad jednom znamo kako raditi (što nam je i Mohorovičić pokazao), onda nije teško očekivati nova i značajna otkrića o planetu po kojem hodamo.