Na początku XX wieku

Zakładano jeszcze, że skorupa ziemska przypomina trochę skórkę wysychającego jabłka. Zgodnie z tym poglądem sądzono, iż wszelkie duże formy rzeźby powierzchni Ziemi, to znaczy kontynenty i oceany, wyglądają dziś tak samo, jak zaraz po swym powstaniu. Wszystkie góry i doliny byłyby zatem po prostu tylko wynikiem potężnych procesów kurczenia się naszego globu w efekcie jego powolnego stygnięcia. Wskutek występujących wówczas poziomych naprężeń powierzchnia Ziemi popękała na duże fragmenty. Skalne kompleksy byłyby wtedy – niczym w potężnym imadle – zginane, ubijane, zgniatane, fałdowane i przesuwane. Wskutek spowodowanego stygnięciem kurczenia się skorupy ziemskiej doszło do jej poważnych ruchów pionowych, przy których sfałdowania i przesunięcia należałoby traktować jako zjawiska towarzyszące, swego rodzaju efekty uboczne. Wyniki badań prowadzonych przez naukowców, reprezentujących najróżniejsze dyscypliny naukowe, umożliwiły jednak później zebranie informacji, pozwalających na wyciągnięcie zdumiewająco zgodnych wniosków, które nie dawały się już wytłumaczyć owym modelem opartym na stabilnej wizji kurczącej się stopniowo skórki jabłka. Dlaczego łańcuchy górskie tworzyły zawsze wąskie pasma, zamiast być mniej lub bardziej równomiernie rozprzestrzenione na całej kuli ziemskiej? Jak wytłumaczyć fakt, że zarysy zachodniego brzegu Afryki i wschodniego brzegu Ameryki Południowej pasują do siebie? Skąd wzięły się godne uwagi podobieństwa geologicznych struktur przybrzeżnych rejonów obu tych kontynentów?

Nowy model budowy naszej planety

Niezliczone trzęsienia ziemi dostarczały corocznie tylu danych, że wkrótce powstał na ich podstawie zupełnie nowy model budowy naszej planety, wyraźnie różniący się od jednolitego obrazu przedstawionego przez Huttona. Ziemia składa się więc z wielu współśrodkowych warstw. Otacza ją cienka, stała skorupa ziemska, która wraz z twardymi skałami górnego płaszcza Ziemi tworzy litosferę. Pod nią znajduje się miękka, plastyczna astenosfera, a niżej twardy dolny płaszcz Ziemi, graniczący z dużym, płynnym jądrem zewnętrznym, złożonym z roztopionego żelaza i innych metali. Leżące w samym środku kuli ziemskiej jądro wewnętrzne jest – wskutek olbrzymiego ciśnienia – znowu stałe. Model ten nie tylko tłumaczy rozchodzenie się fal sejsmicznych, ale oferuje także jedyne możliwe wyjaśnienie powstania ziemskiego pola magnetycznego. Ruch obrotowy Ziemi oraz wznoszenie się i opadanie gorącego, ciekłego żelaza może przekształcać płynne jądro zewnętrzne w rodzaj prądnicy, wytwarzającej pole magnetyczne naszej planety.

Przebieg fal sejsmicznych

Przebieg fal sejsmicznych przez wnętrze Ziemi jest oczywiście modyfikowany przez rozmaite skały. W 1902 roku po raz pierwszy postulowano istnienie jądra Ziemi: wyróżniającej się specyficznymi cechami jej środkowej części, która rzuca swego rodzaju cień na stronę powierzchni naszej planety przeciwległą do ogniska trzęsienia ziemi. Fale sejsmiczne odbijają się od jądra lub, przechodząc przez granicę między płaszczem a jądrem, ulegają załamaniu, podobnie jak fale świetlne przy przejściu z powietrza do wody. Zostają wówczas tak odchylone, że po drugiej stronie planety powstaje wolny od nich obszar. Kilka lat później sejsmolodzy zauważyli, że prędkość rozchodzenia się fal sejsmicznych zwiększa się wraz ze wzrostem gęstości ośrodka. Nie oczekiwane różnice w czasie przybycia do stacji pomiarowej rozmaitych fal oznaczają zatem, że gęstość skał uległa po drodze dość nagłej zmianie. Część fal rozchodziła się we wnętrzu Ziemi z normalną szybkością, podczas gdy inne były odchylane i w górnej strefie gęstszych skał rozprzestrzeniały się prędzej. Choć fale te wniknęły głębiej we wnętrze Ziemi i przed dotarciem do sejsmografów musiały pokonać dłuższą drogę, wyprzedziły w skorupie ziemskiej inne fale i wcześniej od nich osiągnęły stację pomiarową.

Przez 150 lat teoria Huttona stanowiła podstawowy model geologiczny

Zmieniło się to dopiero wówczas, gdy zaczęto badać przyczyny trzęsień ziemi, kiedy to ludzie, a zwłaszcza uczeni, zapragnęli dowiedzieć się o wnętrzu naszej planety więcej niż to, na co pozwalała wiedza o właściwościach kilkuset powierzchniowych metrów jej skorupy, które poznano podczas prowadzonych w kopalniach prac górniczych. Dokładne obserwacje fal powstających podczas trzęsień ziemi doprowadziły do powstania pod koniec XIX wieku nowej gałęzi nauki – sejsmologii. W wielu miejscach naszego globu zainstalowano przyrządy, tak zwane sejsmografy, służące do pomiarów fal sejsmicznych. Im więcej zbierano za ich pomocą danych, tym jaśniejsze stawało się dla sejsmologów, że fale powstające wskutek trzęsień ziemi są czymś więcej niż tylko echami bardzo odległych wstrząsów naszej planety. Dostarczają informacji na temat wnętrza Ziemi i pozwalają na poznanie właściwości świata niedostępnego bezpośrednim obserwacjom. Sejsmograficzny zapis trzęsienia ziemi rozpoczyna się od falistych linii fal pierwotnych, czyli podłużnych (P), które na swej drodze zagęszczają materię, po czym ponownie ją rozrzedzają, podobnie jak fale dźwiękowe w powietrzu. Wkrótce po nich sejsmograf odnotowuje fale wtórne, czyli poprzeczne (S), które przemieszczają ośrodek prostopadle do kierunku swego rozchodzenia się. Ponieważ oddziałują na skały znacznie silniej, ich szybkość rozprzestrzeniania się jest mniejsza niż fal pierwotnych. Z opóźnienia między obu typami fal można dokładnie wyznaczyć ognisko trzęsienia ziemi, czyli tak zwane hipocentrum (miejsce na powierzchni Ziemi położone bezpośrednio nad nim nosi nazwę epicentrum).

Hutton

Hutton, opisując dzieje Ziemi, miał przed oczami angielski pejzaż, złożony z łagodnych wzgórz i nadrzecznych łąk, bez śladów uskoków, trzęsień ziemi lub wybuchów wulkanów. Dlatego właśnie nie ma w nim żadnych katastrof i gwałtownych zmian, lecz wyłącznie przebiegające spokojnie procesy, sprawiające wrażenie niemal harmonijnych, które, można powiedzieć, układają stopniowo kamień na kamieniu i powoli, łagodnie kształtują wąwozy i góry. Hutton wraz z tym modelem, określanym także jako aktualizm geologiczny lub uniformitaryzm, stworzył pewien problem. Mianowicie jeśli miałby on rację, to opisane przez niego powolne procesy tylko wówczas mogłyby doprowadzić do powstania istniejącej obecnie rzeźby powierzchni Ziemi, gdyby była ona bardzo, ale to bardzo stara. „Nie znajdujemy – pisał – żadnych oznak początku ani widoków na koniec”. Było to zapewne śmiałe stwierdzenie, ale także dość ryzykowne; nieskończona przeszłość jest znacznie bardziej problematyczna niż tylko bardzo długa. Nieskończoność to silny i niebezpieczny środek, a nie jedynie niewyobrażalnie wielka liczba.

Ruchliwe skały, czyli taniec płyt

To, co właśnie przed chwilą zostało tak mimochodem opisane w kilku zdaniach jako krążenie ziemskiej materii, wywoływane przez prądy konwekcyjne płynące we wnętrzu naszego globu i powodujące ruch płyt, jest efektem dociekań i dysput naukowych trwających od kilku stuleci. Rozwiązanie – trzeba przyznać, że genialne – tych zagadnień, czyli teoria tektoniki płyt, cieszy się powszechnym uznaniem dopiero od kilkudziesięciu lat. Spór o procesy zachodzące we wnętrzu Ziemi rozpoczął się przed ponad 200 laty. Szkot James Hutton wydał w 1795 roku książkę pod tytułem Theory oj Earth (Teoria Ziemi). Dzięki rozwijającemu się wówczas górnictwu wiadomo było już co nieco na temat właściwości warstw gruntu leżących bezpośrednio pod powierzchnią planety. Wiedziano, że wraz ze wzrostem głębokości rośnie także temperatura. Odkrywano pokłady skalne o zróżnicowanym składzie, zawierające również cenne minerały i kruszce; wystarczy tu wspomnieć o kopalniach węgla czy rud metali szlachetnych. Hutton pierwszy dokonał próby systematycznego przedstawienia dziejów Ziemi. Uznał, że cechy jej powierzchni to rezultat niezmiernie powolnych przemian. Przyjął istnienie swego rodzaju płynnej równowagi, złożonej z powolnej, powodowanej przez wiatr i wodę erozji skał i gleby, stopniowych zmian klimatu oraz okresowego powstawania i zanikania gór. Z wielką przenikliwością wykrył w zwykłych kamieniach ślady minionych epok. „Ruiny starego świata widoczne są w strukturach obecnego świata” – pisał. Pozostawił po sobie słynny przekrojowy rysunek, na którym ukazany jest sielankowy angielski krajobraz: zamknięty powóz, zaprzężony w dwa konie, stoi w lesie przy ogrodzeniu, podczas gdy pod spodem rozpościera się przekładaniec złożony z rozmaitych warstw skalnych, a pod nim znów znajdują się skały przetopione, zmetamorfizowane przez wysoką temperaturę, chaotycznie wymieszane i przemieszczone – swego rodzaju martwa natura, przedstawiająca obraz wprawdzie powoli, ale stale zmieniającego się świata.

Spokojna Ziemia

Taka zatem zewnętrznie spokojna Ziemia kryła jednak pod swą bardzo jeszcze cienką skorupą niezwykle intensywne życie wewnętrzne, które co i rusz przebijało się przez jej zastygłą powierzchnię. Wśród zmieszanych ze sobą pierwiastków chemicznych znajdowały się również bardzo ciężkie, które powstały w ciągu nie więcej niż 1-2 minut podczas eksplozji supernowej w jej pędzącej z prędkością kilkudziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę otoczce, mającej temperaturę kilku miliardów stopni: tor i uran. Ich bardzo duże jądra, złożone z ponad 230 nukleonów (protonów i neutronów), są nietrwałe i łatwo ulegają rozpadowi promieniotwórczemu. Zostają wówczas uwolnione wysokoenergetyczne cząstki i promieniowanie gamma, a wytworzona przy tym energia jest na tyle duża, że silnie rozgrzewa otoczenie rozpadającego się jądra. Wnętrze Ziemi uległo więc stopieniu nie tylko wskutek panującego w nim ciśnienia, ale także dzięki rozmaitym procesom rozpadu promieniotwórczego. W jej powierzchnię nadal uderzały z prędkością dochodzącą do 11 km/s najróżniejszej wielkości meteoryty, przebijając skorupę ziemską i przekazując wnętrzu naszej planety swą ogromną energię ruchu w postaci ciepła. Meteoryty także przyczyniały się więc do ogrzewania i roztapiania materii wchodzącej w skład naszego globu. Jej topnienie powodowało z kolei rozdzielanie się pierwiastków lekkich i ciężkich. Siła ciężkości przemieszczała ciężkie żelazo i nikiel do środka planety. Z obu tych pierwiastków powstało pierwsze proste jądro Ziemi. Wciąż jeszcze bardzo gorąca, rozpalona do białości papka złożona z mniej gęstych, lżejszych materiałów, głównie krzemianów (to znaczy związków krzemu, takich jak kwarc), płynęła z kolei w kierunku skorupy ziemskiej i utworzyła kulistą powłokę z ciekłej skały, czyli płaszcz Ziemi. Ów prąd wstępujący transportował do góry także pierwiastki promieniotwórcze, które tu wskutek rozpadu rozgrzewały otoczenie tak dalece, że wnętrze Ziemi także dziś jest bardzo gorące i w dużym stopniu ciekłe.

Praziemia

Przede wszystkim nasza praziemia musiała przetrwać jeszcze gwałtowniejsze niż poprzednio bombardowanie skalnymi bryłami. Młody Układ Słoneczny przepełniony był niezliczonymi planetoidami, a ich chaotyczne orbity krzyżowały się z niemal doskonale kołowymi orbitami planet, z którymi dość często się zderzały. Każda taka kolizja dostarczała rodzącej się Ziemi energii i nowego kosmicznego materiału. Owa praziemia była dość gorąca, a jej powierzchnia pozostawała w stanie ciekłym. Jej atmosfera składała się początkowo niemal wyłącznie z wodoru. Gdy jednak Słońce rozpaliło się jak należy, zaczął wiać od niego tak zwany wiatr słoneczny – strumień jonów i elektronów pędzący w kierunku planet z prędkością dochodzącą do 2000 km/s. Ziemia miała za małą masę, by jej atmosfera chroniła ją przed tym słonecznym huraganem. Wiatr słoneczny wypychał gaz z wnętrza dysku na jego peryferie. Tam właśnie powstawały gazowe planety olbrzymy. Przez wiele milionów lat nie działo się na Ziemi nic szczególnego. Jako całkiem martwa skalna bryła okrążała Słońce. Jej gorąca i ciekła powierzchnia stopniowo stygła, krzepła, pękała i kurczyła się. Kurczenie się coraz bardziej rozgrzewało wnętrze Ziemi, aż metale poczęły się topić. Ziemia zaczęła „żyć” – przynajmniej z geofizycznego punktu widzenia.

Dziesiątki tysięcy lat krztałtowania Ziemi

Minęły znowu dziesiątki tysięcy lat, podczas których cięższe pierwiastki, jak żelazo i nikiel, przemieszczały się stopniowo do centrum owej mgławicy. Jej środkowa część wskutek grawitacyjnego zapadania stawała się coraz gorętsza, podczas gdy obrzeża coraz bardziej stygły. Tu małe pyłki zbijały się, tworząc stopniowo coraz większe ziarna, które z czasem urosły do rozmiarów skalnych brył, a w końcu – stosunkowo dużych ciał o średnicy kilku kilometrów, tak zwanych planetozymali. Niezliczone planetozymale krążące wokół powstającego w centrum układu prasłońca zderzały się ze sobą, tworząc protoplanety. Te całkiem już masywne ciała o średnicy od kilkuset do tysiąca kilometrów przyciągały z otoczenia jeszcze większe ilości materii. W środku mgławicy prasłońce na tyle już zgęstniało, że niemal cała masa fragmentu obłoku, z którego powstało, połączyła się w całość – i jego wnętrze zaczęło płonąć. Ruszył reaktor termojądrowy, przetwarzający wodór w hel. Uwalniała się przy tym energia, która sprawiła, że Słońce zaczęło w końcu świecić. Planety nie były jednak jeszcze gotowe. Ziemia również nie zyskała swej ostatecznej postaci i musiała niejedno przejść, nim zmieniła się w „rajski ogród” Układu Słonecznego.

No cóż, to właśnie jest astrofizyka

Maleńkie jądro atomowe może opowiedzieć prawdziwie kosmiczną historię, ponieważ całym Wszechświatem rządzą te same prawa. Jądra atomów tlenu czy glinu wszędzie stosują się do identycznych praw fizycznych, niezależnie od tego, czy pierwiastki te znajdują się na Ziemi, czy też gdziekolwiek indziej w niezmierzonym Kosmosie. Wróćmy jednak do naszego gazowo-pyłowego obłoku, z którego narodziło się Słońce wraz ze swymi towarzyszkami – planetami. Wiemy również, że fala uderzeniowa, jaka powstała wskutek wybuchu supernowej, spowodowała w innym miejscu – po mniej niż milionie lat – utworzenie się olbrzymiego gazowo-pyłowego obłoku. Znajdujące się w nim i oddalone dotychczas od siebie atomy wodoru i helu przemieszały się z atomami cięższych pierwiastków – na przykład węgla, stanowiącego podstawę znanych nam form życia, a także tlenu, azotu i żelaza – które swego czasu powstały w gwieździe i zostały siłą jej wybuchu rozproszone w przestrzeni kosmicznej. Jednocześnie wszystkie atomy podążały z wolna w kierunku środka obłoku. Działało przy tym coraz intensywniej prawo powszechnego ciążenia, dzięki któremu obłok stopniowo się kurczył. Istniejące wewnątrz niego zawirowania doprowadziły do powstania mniejszego, obracającego się fragmentu, który wkrótce całkowicie odłączył się od otoczenia, a następnie zaczął gwałtownie się kurczyć, w związku z czym wirował coraz szybciej. Zachowywał się więc niczym łyżwiarz figurowy, który podczas obracania się wokół własnej osi przyciąga ramiona do tułowia, zwiększając dzięki temu tempo obrotów. Po kilku milionach lat ów fragment wirował w końcu z taką szybkością, że przekształcił się stopniowo w cienki dysk o średnicy około 80 mld kilometrów. Była to mgławica słoneczna, z której powstał następnie cały Układ Słoneczny.