Historia Ziemi ma swój początek bardzo późno, bo około 4,6 mld lat temu, prawie 10 mld lat po Wielkim Wybuchu. Materiał, który umożliwił powstanie naszego Słońca i całego układu planetarnego, w tym Ziemi, pochodził z wcześniejszych kosmicznych eksplozji i rozpadu najstarszych gwiazd na etapie supernowych. Po utworzeniu się naszego Słońca, z reszty materii po wybuchu starej masywnej supernowej nastąpiło formowanie się dzisiejszych planet układu słonecznego.
Narodziny układu słonecznego
Przyjmuje się hipotezę, że koło 5 mld lat temu fala uderzeniowa eksplodującej starej gwiazdy doprowadziła do zapadania się lokalnej chmury gazu i pyłu (drobin skalistego materiału), zawierającej wszystkie znane nam pierwiastki. Pod działaniem narastających sił grawitacji nastąpiła koncentracja materii przyszłego Słońca. Dalsze grawitacyjne zagęszczenie materii doprowadziło do jej rozgrzania się do temperatury inicjującej reakcje termojądrowe. Wystarczająco duża masa zagęszczonej materii sprawiła, że po około 50 mln lat reakcje te doprowadziły do zapalenia się Słońca.
Słońce powstało z niemal 99,9% masy całego układu słonecznego (jakże trudno w to uwierzyć), a pozostająca w chmurze gazu i pyłu „niewielka resztka” materii dała początek wszystkim planetom układu słonecznego. Równolegle z formowaniem się Słońca powstawały jądra przyszłych planet. Wirujący pył zaczął tworzyć miniagregaty pyłowe, a równolegle powstawały większe skaliste planetozymale. Z łączenia się tych zarodków powstawały protoplanety, i ostatecznie dzisiejsze planety układu słonecznego. Ale pozostała „reszta z reszty” nadal krąży jeszcze w pasie planetoid między wewnętrznymi „małymi” planetami skalistymi i zewnętrznymi gazowymi olbrzymami, z których jako pierwszy uformował się Jowisz.
Był to niezwykle burzliwy okres dla rodzącego się układu planetarnego rodzącego się w chaosie zdarzeń, w których rządziła grawitacja – zarówno wynikająca z olbrzymiej masy Słońca, jak i powstających skupisk pozostałej materii wokółsłonecznej. W wirującym dysku mgławicy pozostałego materiału kosmicznego dochodziło do ciągłych kolizji i łączenia się mniejszych obiektów w większe, które w miarę powiększania swojej masy ulegały grawitacyjnemu zagęszczaniu dając początek protoplanetom. Pola grawitacyjne protoplanet ściągały do siebie kolejne porcje kosmicznego gruzu powodując ostatecznie uformowanie się planet w bardzo pierwotnej jeszcze formie. Natomiast pole grawitacyjne Słońca było mechanizmem warunkującym ich ruch po orbitach w przestrzeni wokółsłonecznej. Ich dalszy byt, doprowadzający je do obecnego stanu, był bardzo burzliwy.
Blisko Słońca krążą cztery mniejsze i bardziej gęste planety; najbliżej Słońca najmniejszy Merkury, i kolejno Wenus, Ziemia, Mars. W dalszej odległości powstały gazowe olbrzymy – Jowisz i Saturn utworzone z wodoru i helu, a jeszcze dalej planety lodowe – Uran i Neptun utworzone z zamarzniętego amoniaku i metanu. Saturn otoczony jest pierścieniem brył lodu i skał oraz gruzu i pyłu, który powstał prawdopodobnie po kolizji satelitów/księżyców tej planety lub po uderzeniu w nią dużego księżyca.
Skład pierwiastków chemicznych planet wskazuje, że materiał do budowy układu słonecznego pochodził z dwóch niezależnych wybuchów masywnych supernowych. Jedna dostarczyła pierwiastki lekkie, z których powstały gazowe olbrzymy, a druga pierwiastki ciężkie, z których zbudowane są planety skaliste.
Pozostające w centrum tworzącego się układu planetarnego Słońce stało się podstawowym źródłem energii dla czterech planet krążących po bliższych orbitach. Planety te pod zagęszczającym je działaniem siły pola grawitacyjnego uległy stopieniu się i w wyniku reakcji termojądrowych przez około pół miliarda lat gotowały się, ale miały za małą masę, żeby osiągnąć temperaturę zapłonu. Później ich powierzchnia zaczęła stygnąć tworząc skalistą skorupę. Wnętrze Ziemi gotuje się nadal; doświadczamy tego w erupcjach wulkanicznych i trzęsieniach ziemi.
Decydującą rolę w ostatecznym formowaniu się skalistych planet układu słonecznego odegrał Jowisz. który nadal „zarządza” pasem planetoid. Obecnie gazowy olbrzym krąży wokół Słońca po stosunkowo stabilnej orbicie. Jednak w początkowym etapie swojego istnienia, około 4,5 mld lat temu, na skutek wzajemnego grawitacyjnego oddziaływania ze Słońcem, zaczął przemieszczać się z najodleglejszych krańców układu w kierunku jego środka. Po drodze ściągał do siebie dużą część skalistego gruzu. Kiedy zbliżył się do wewnętrznej grupy planet skalistych obdarował je ciągłym intensywnym bombardowaniem planetoidami i mniejszymi skalistymi fragmentami.
Za Jowiszem podążał Saturn, a kiedy oba olbrzymy zbliżyły się do siebie, nawiązały grawitacyjny kontakt i wykorzystując wspólną masę zaczęły odpływać na zewnątrz. Neptun został wtedy wyrzucony na peryferia układu słonecznego. Pozostałością tych wydarzeń jest wielki bardzo ruchliwy pas planetoid między Marsem a Jowiszem, co prawdopodobnie popchnęło oba olbrzymy gazowe jeszcze dalej.
Planetoidy to mniej lub bardziej zwarte bryły lodowo-skalne, które nie skupiły wystarczającej masy, żeby się rozgrzać i zapłonąć jak planety skaliste. Te drugie zawierają materiał termicznie przetworzony, planetoidy stanowią zatem niezwykle cenne źródło informacji dotyczących pierwotnego składu chemicznego gazu i pyłu z początków formowania się układu słonecznego. Materiał taki zawierają też spadające na Ziemię meteoryty.
Część planetoid i drobniejszego gruzu lodowo-skalnego została wyrzucona grawitacyjnym polem Jowisza i Saturna na krańce układu słonecznego i utworzyła pas Kuipera, w którym krążą również planety karłowate, w tym największa Ceres oraz Pluton (wcześniej zaliczany do planet). Za pasem Kuipera ma znajdować się jeszcze tzw. dysk rozproszony, a dalej obłok Oorta.
. Kiedy na początkowym etapie formowania się układu słonecznego część planetoid i gruzu trafiła do przestrzeni orbit planet skalistych powodując wielkie bombardowanie tych planet. Chociaż było ono niezwykle groźne, to miało jednak również niezwykle ważny korzystny wpływ zwłaszcza na dalszy los Ziemi. Po pierwsze usunęło większą część gruzu z pasa planetoid, znacznie zmniejszając obecne zagrożenie bombardowania Ziemi (i innych planet). Drugie następstwo pierwotnego wielkiego bombardowania miało jeszcze większe znaczenie, ponieważ dużą część docierających skał stanowiły wielkie lodowe bryły. Ziemia otrzymała w ten sposób prawdopodobnie aż 70% wody, a Jowisza został nawet uznany za ojca chrzestnego życia na Ziemi. Reszta ziemskiej wody, ukryta wewnątrz planety, pochodzi z pierwotnego materiału, z którego uformowała się Ziemia.
Jowisz nadal rządzi (wspólnie z dominującym tu Słońcem) układem słonecznym i ziemskim życiem. Incydentalnie wysyła w kierunku Ziemi nieliczne już planetoidy i mniejsze bryły skalne, które dość chaotycznie przecinają orbity planet skalistych. Płaszczyznę orbity Ziemi przecina ponad 20 tys. planetoid, meteoroidów i komet, co sprawia, że na naszą planetę spada rocznie około 54 ton kosmicznych brył i bryłek skalnych.
Ostatni z najgroźniejszych incydentów miał miejsce przed 66 mln lat, kiedy ogromna planetoida uderzyła w Ziemię na wybrzeżu obecnego Meksyku i spowodowała ostatnie z pięciu wielkich wymierań. Wyginęły wtedy dinozaury i inne wielkie organizmy. Ale musimy też przyznać, że niszczycielska aktywność Jowisza miała wielki pozytywny wpływ na Ziemię i życie na niej. Odradzająca się przyroda zaowocowała bogactwem ssaków, ptaków i owadów. Jowiszowi swoje istnienie może zatem zawdzięczać również nasz gatunek Homo sapiens. Na tym nie koniec; pole grawitacyjne Jowisza chroni nas przed bombardowaniem skalistymi bryłami z odległych, zewnętrznych przestrzeni układu słonecznego. Jaka jest szansa, że we Wszechświecie może występować więcej miejsc takich szczęśliwych dla biologicznego życia?
Po wielkim bombardowaniu woda pozostawała uwięziona we wnętrzu Ziemi w postaci pary w płynnej lawie, bo grawitacja nie pozwoliła na jej wyparowanie. Była uwalniana dopiero, kiedy powstająca skorupa ziemska zaczęła być rozrywana wulkanicznymi wylewami lawy. W ten sposób para wodna jest nadal uwalniana razem z innymi gazami (głównie CO2 i SO2, N2) przez współczesne wulkany i gejzery. Istnieje podejrzenie, że wnętrze Ziemi może jeszcze zawierć więcej wody (w postaci gazowej) niż jest jej w oceanach i morzach. Jakże trudno w to uwierzyć.
Warto zatrzymać się przy olbrzymim rezerwuarze kosmicznego gruzu skalnego pozostającego nadal w pasie planetoid, planetek i mniejszych okruchów krążących między Marsem a Jowiszem. Są to fragmenty skaliste, metaliczne lub lodowe oraz pył kosmiczny i atomy wielu pierwiastków. Po względem składu chemicznego są one kapsułą czasu z początków Wszechświata. Z takiego materiału powstała skorupa ziemska. Duże skalne planetoidy mają wielkość od kilkunastu metrów nawet do kilkuset kilometrów. Te największe określane są mianem planet karłowatych. Największą w pasie planetoid jest prawie kulista Ceres o średnicy około 939 km.
Planetoid nie krążą po regularnych orbitach; krążą dość chaotycznie i mogą ulegać kolizjom wyrzucając w przestrzeń „okruchy” o wielkości do kilku metrów. Ten gruz łączy się na skutek grawitacji ponownie w większe skupiska jako małe słabo zespojone planetoidy o bardzo nieregularnej powierzchni. Część okruchów skalnych wytrącona z macierzystych orbit tworzy metoroidy rozpraszane i chaotycznie krążące w całej przestrzeni naszego układu. Wyrzucone w kierunku Ziemi spalają się w atmosferze ciągnąc za sobą smugę ognia; to meteory widoczne jako „spadające gwiazdy”. Jeżeli nie spalą się całkowicie, spadają na Ziemię jako meteoryty. Są niezwykle cenne dla badania historii Ziemi i innych planet, zawierają bowiem składniki budulcowe naszego układu słonecznego.
Są jeszcze komety – bardzo widowiskowe małe obiekty lodowe (zamarznięta woda, dwutlenek węgla, metan czy amoniak). Krążą po bardzo wydłużonych orbitach, i kiedy przelatują blisko słońca ich zestalone składniki uwalniają się w wyniku sublimacji i tworzą komę (otoczkę gazową), z którą ciągnie się długi warkocz lub dwa – gazu i pyłu.
Od pewnego czasu astronomowie, kosmolodzy, astrofizycy, a nawet niektórzy politycy zadają sobie pytanie, czy z pasa planetoid istnieje realne zagrożenie dla Ziemi. Gdyby uderzyła w nią planetoida o wielkości rzędu 1 km, nasza planeta uległa by totalnej zagładzie. Na szczęście tej wielkości obiekty krążą po bardzo odległych orbitach. Generalnie jednak zagrożenie istnieje, ponieważ bliżej układu słonecznego dość chaotycznie krążą mniejsze obiekty, i jest ich bardzo dużo. Uderzając w Ziemię, mogą one spowodować poważne lokalne zniszczenia.
Dziennie uderza w nasz glob około 100 ton kosmicznych pocisków. Na Syberii ponad 100 lat temu wybuch prawdopodobnie meteoru(?) na wysokości 9 km położył w tajdze drzewa na obszarze ponad 2000 km2. Całkiem niedawno, w roku 2015, meteoroid o masie około 10 tys. ton i średnicy około 17 metrów rozpadł się w ziemskiej atmosferze rażąc odłamkami (meteorytami) tysiące budynków w Czelabińsku, dużym przemysłowym mieście na Uralu.
Trwają bardzo prace nad wykrywaniem ciał niebieskich mogących stanowić potencjalne zagrożenie dla Ziemi oraz nad doskonaleniem różnych technologii ich bezpiecznego przekierowania. Proponuje się wysłanie ziemskiego obiektu spychającego intruza z trajektorii nakierowanej na Ziemię. Problemem jest dobranie masy obiektu odpowiedniego do masy „intruza”. Lity skalisty „intruz” może zostać przekierowany, ale nowo powstały „zlepieniec” o mało zwartej masie, pochłaniając energię uderzenia, może się tylko nieco rozgrać. Może zatem należałoby opracować ciągnik grawitacyjny? Ale tu raczej nie jesteśmy przygotowani technologicznie. Może eksplozja pocisku atomowego albo uderzenie laserowe? Kolejny problem to podjęcie decyzji kiedy i w jakiej odległości od Ziemi zareagować? Problemów do rozwiązania i niewiadomych do rozwiązania jest na razie zbyt dużo, ale wysiłki w tym kierunku są podejmowane.
Ziemia, planeta wyjątkowa
Przy nadziei, że kataklizmu unikniemy, wróćmy do początków historii Ziemi. Po wstępnym uformowaniu się oś jej obrotu była prostopadła do płaszczyzny orbity, po której wirowała. Jednak co najmniej jedno z wczesnych uderzeń planetoidy lub innego ciała niebieskiego spowodowało istotną zmianę w położeniu osi obrotu. W cyklu trwającym około 41 tys. lat odchylenie jej osi zmienia się między 22,1o a 24,5o. Ma to duże implikacje klimatyczne; zmiana odchylenia „po stożku” osi wirującej Ziemi sprawia, że klimat nie jest stabilny; podlega cyklicznej zmienności. Przy odchyleniu malejącym pory roku staja się łagodniejsze, natomiast kiedy odchylenie wzrasta lata stają się bardziej gorące, a zimy bardziej mroźne. Dzięki temu różne formy życia, przystosowując się powoli do mrozu i lodu, mogły jednak rozpełznąć się w kierunku biegunów.
Odchylenie osi obrotu Ziemi jest uznawane jako efekt uderzenia innej planety w młodą, mającą zaledwie okło 50 mln lat Ziemię. Istnie teoria, że w Ziemię uderzyła pod kątem hipotetyczna Thea – planeta wielkości Marsa. Thea uległa zniszczeniu wyrzucając w przestrzeń wokółziemską materiał swój oraz wyrwany z płaszcza Ziemi. Ze skalistego gruzu krążącego wokół Ziemi powstał Księżyc. Księżyc odegrał, i nadal odgrywa, ważna rolę w historii Ziemi i rozwoju życia biologicznego na niej. A dwa ogromne fragmenty Thei prawdopodobnie znajdują się nadal pod płaszczem Ziemi.
Ziemia obraca się wokół własnej osi z zawrotną prędkością obwodową na równiku 1670 km/h (jakże trudno w to uwierzyć). Określają one dobowe warunki życia na naszej planecie. Zmiany eliptycznej orbity Ziemi i odległości Ziemi od Słońca oraz szybkości jej obiegu wokół Słońca (około 30 km/s albo ok. 107 tys. km/h) po orbicie (zmiennej w geologicznej skali czasu) mają swój udział w długości ziemskiej doby i ziemskiego roku. Przed setkami milionów lat Ziemia obracała się dużo szybciej i ziemska doba była o kilka godzin krótsza. Z drugiej strony, ponieważ Ziemia okrążała Słońce dużo wolniej, rok miał ponad 400 dni.
Niepodważalny jest udział Księżyca w spowalnianiu obrotów Ziemi. Nasz odwieczny satelita, obracając się wokół Ziemi, ciągnie za sobą siłą grawitacji olbrzymie masy wody, które z kolei pociągają siłami tarcia znajdującą się pod oceanami skorupę ziemską w kierunku zachodnim. W ten sposób, powierzchnia Ziemi „podąża coraz szybciej za Słońcem” przez co doba (do zaobserwowania w skali czasu geologicznego) wydłuża się. Mamy zatem pozorny paradoks; dzięki księżycowi Ziemia kręci się coraz szybciej, a ziemska doba wydłuża się. W ludzkiej skali czasowej nie jesteśmy w stanie tego odczuć.
Żeby ustaliła się stabilizacja czasu trwania ziemskiej doby, kątowa szybkość obrotów Ziemi musi zrównać się z kątową prędkością okrążania naszego globu przez księżyc. Po uzyskaniu takiej zgodności pływy oceaniczne ustaną, a doba wydłuży się wielokrotnie. Jaki to będzie miało wpływ na ziemskie życie biologiczne? Tu warto sobie uświadomić, że odksiężycowe pływy oceaniczne były ważnym czynnikiem sprzyjającym zasiedlaniu lądów przez organizmy wodne.
Na tym nie koniec z ruchem Ziemi w układzie słonecznym. Wiruje ona jak bączek przy bardzo długim okresie jednego cyklu precesji 26 tys. lat. Kolejne istotne zmiany położenia Ziemi w układzie słonecznym wynikają ze zmiany kształtu orbity po której ona krąży wokół Słońca. W cyklu trwającym 400 tys. lat zachodzi zmiana mimośrodu orbity, która zmienia się od bardziej kołowej do bardziej eliptycznej. W czasie wędrówki Ziemi po orbicie bardziej eliptycznej nasza planeta znajduje się przemiennie najbliżej oraz najdalej od Słońca, co decyduje, że różnice w ilości słonecznego ciepła docierającego do naszej planety są dużo większe niż przy orbicie zbliżone do koła.
Ostatecznie na zmienny klimat Ziemi wpływają jednak w sumie trzy czynniki – położenie mimośrodu orbity (zmiennej odległości Ziemi od Słońca), zmiana kąta nachylenia osi Ziemi oraz precesja jej osi. Zmiany powyższych parametrów Ziemi względem Słońca określane są jako cykle Milankovicia, które charakteryzują się zmienną długością okresów zlodowaceń i interglacjałów. W oparciu o znajomość czasu trwania poprzednich cykli Milankovicia można przyjąć, że Ziemia wchodzi w okres postępującego oziębiania się z obniżeniem się średniej globalnej temperatury o około 5oC w ciągu 60 tys. lat. Na wiek XXI ma przypadać spadek temperatury zaledwie o 0,01oC. Ginie to całkowicie w efekcie postępującego globalnego gromadzenia w atmosferze gazów cieplarnianych w wyniku intensywnego rozwoju przemysłu, bezkrytycznego wykorzystywania kopalnych zasobów energii oraz drastycznych zmian w ziemskiej przyrodzie.
Ale wróćmy do początków formowania się Ziemi. Intensywne bombardowanie Ziemi przez planetoidy i mniejsze ciała niebieskie przez 200-300 mln lat skutkowało utrzymywaniem się bardzo wysokiej temperatury i jej płynnej struktury; Ziemia była wtedy kulą gotującej się lawy. Procesy grawitacyjne powodowały zapadanie się cięższych pierwiastków chemicznych do środka planety. Doprowadziło to do powstania metalicznego jądra Ziemi o wzrastającej gęstości, z dominującym udziałem niklu i żelaza (Ni+Fe). Jądro ma dwie strefy – zestaloną centralną (tzw. jądro wewnętrzne) oraz płynną zewnętrzną (tzw. jądro zewnętrzne). Przy ciśnieniu dochodzącym do 360 GPa (3,7 mln atmosfer) i temperaturze około 5-6 tys. oC, w środku Ziemi nadal zachodzą wydajne procesy termojądrowe generujące wewnętrzną energię naszego globu.
Zanim zaistniała skorupa ziemska, a na niej ciekła woda, skaliste zręby przyszłych lądów (kratony) przemieszczały się po płynnym wnętrzu Ziemi. Powstawały i rozpadały się pierwsze kontynenty. Nacierające na siebie płyty kontynentalne wpychały ich powierzchniowe fragmenty do strefy magmy w procesie subdukcji. Tam stosunkowo miękkie skały bazaltowe ulegały przetopieniu. Podczas kolejnych ruchów tektonicznych były wynoszone na powierzchnię jako utwardzony granit. Po zaistnieniu całej zewnętrznej skorupy ziemskiej utworzył się wielowarstwowy przekrój planety z gotującym się (do dzisiaj) wnętrzem.
Wnętrze Ziemi – zestalone jądro wewnętrzne, ciekłe jądro zewnętrzne i otaczający je skalisty ale plastyczny płaszcz ziemski oraz strefy przejściowe są w ciągłym ruchu. Dla zewnętrznej skorupy ziemskiej najbardziej odczuwalne jest powolne przemieszczanie rozgrzanej plastycznej masy skalnej w obrębie płaszcza. Jest ono odpowiedzialne za powierzchniowe procesy tektoniczne w tym przemieszczanie się płyt kontynentalnych i oceanicznych, pęknięcia płyt, trzęsienia ziemi i erupcje wulkaniczne.
Najważniejsze, najbardziej intensywne, chociaż najmniej odczuwalne na powierzchni Ziemi, są jednak ruchy w ciekłym jądrze zewnętrznym. Na skutek różnicy temperatury i gęstości masy występują w nim prądy konwekcyjne powodujące przemieszczanie się masy. Jest to ziemskie geodynamo wytwarzające pola magnetycznego wokół naszej planety. Jest to niezwykle ważne, ponieważ chroni ziemskie życie przed zabójczym zakresem promieniowania słonecznego oraz dalszego kosmicznego, które może jednak przenikać przez heliosferę otaczającą układ słoneczny.
Bieguny tego pola nie pokrywają się z ziemskimi biegunami geograficznymi. Tu rodzi się jednak pytanie, dlaczego te bieguny nie tylko nie pokrywają się, ale bieguny magnetyczne nieustannie także przemieszczają się; mogą nawet przyjmować przeciwstawne pozycje. Co kilkaset tysięcy lat zachodzi przebiegunowanie magnetyczne Ziemi. W procesie trwającym kilka tysięcy lat pole magnetyczne powoli zanika, a następnie również powoli odbudowuje się, ale z odwrotną polaryzacją.
Dlaczego tak się dzieje? Wszystkie warstwy Ziemi wirują zgodnie z obrotami planety, ale z różną prędkością. Czy źródeł magnetycznej niestabilności planety należy doszukiwać się w interakcji między jądrem zewnętrznym a płaszczem? Czy jest to też związane z niejednorodnym rozłożeniem masy żelazowo-niklowej w wirującym jądrze wewnętrznym? Zestalone jądro wewnętrzne nie jest stabilne, i zachowuje się dziwnie. Jego obroty zwalniają i przyspieszają w cyklach trwających około 70 lat. Zmienia się też kierunek jego obrotów.
Ale wróćmy do prehistorii planety. Po ustąpieniu wielkiego bombardowania zaczęła powstawać atmosfera chroniąca Ziemię przed nadmiernym promieniowaniem słonecznym. Powstały też chmury i opady deszczu. Ziemia ma, na szczęście, wystarczająco dużą masę, żeby swoim polem grawitacyjnym utrzymać swoją atmosferę. Ciśnienie atmosfery na powierzchni Ziemi nie dopuszcza do wyparowania wody. W przeciwnym razie wszystkie oceany wyparowałyby pozbawiając nasz glob podstawowego medium do rozwoju organizmów żywych.
Powierzchniowe schładzanie się gorącej kuli doprowadziło do wytworzenia skalistych fragmentów skorupy Ziemi. Współcześnie ma ona grubość od 5-8 km w oceanach do 35-40 km na lądach (pod Himalajami nawet do 80 km). Głównym składnikiem bazaltowych płyt oceanicznych są krzem i magnez. Natomiast fundament płyt kontynentalnych stanowi warstwa granitowa z dużą zawartością krzemu i glinu (Si+Al) w postaci krzemianów i glinokrzemianów. W skałach granitowych Australii Zachodniej, Grenlandii i Kanady, a później również w innych częściach globu, wykryto krystaliczne cyrkony (krzemiany cyrkonu, Zr+Si) – najstarsze minerały na Ziemi, których wiek określono na 3,8-4,3mld lat.
Pod skorupą Ziemi znajduje się górny (zewnętrzny) płaszcz ziemski, składający się z chromu, żelaza, krzemu i magnezu (Cr+Fe+Si+Mg). Sięga on na prawie 3 tys. km w głąb Ziemi. Pod nim jest, otaczający jądro Ziemi, dolny (wewnętrzny) płaszcz ziemski z dominacją niklu, żelaza i magnezu (Ni+Fe+Mg). Wszystkie te warstwy oddzielone są nieciągłościami. Wykryta ostatnio między skorupą Ziemi a jej płaszczem górnym tzw. warstwa miękka, ułatwia prawdopodobnie przemieszczanie się ziemskich płyt tektonicznych.
Skąd czerpane są te informacje? Przecież promień kuli ziemskiej wynosi średnio około 6370 km, a najgłębszy wykonany dotąd odwiert sięga zaledwie 12 km. Obraz wnętrza ziemi uzyskiwany jest w oparciu o fale sejsmiczne. Sejsmografy rejestrują nie tylko powierzchniowe drgania, zgrzyty tektonicznych i trzęsienia skorupy ziemskiej, ale również są wykorzystywane do badania wnętrza Ziemi, ponieważ ich prędkość zmienia się zależnie od gęstości poszczególnych warstw Ziemi.
Udział poszczególnych pierwiastków w całości kuli ziemskiej jest bardzo zróżnicowany; dominuje żelazo; w dalszej kolejności należy wymienić tlen, krzem, magnez, nikiel, siarkę, wapń, glin i pozostałe. W skorupie Ziemi ilościowo są kolejno: tlen, krzem, glin, żelazo, wapń, sód, potas i magnez i inne.
W oparciu o dotychczasowe istotne zmiany geologiczne zachodzące na Ziemi, jej historię podzielono umownie na eony, ery, okresy i epoki. Pierwsze trzy eony, Hadeik, Archaik i Proterozoik, trwały około 4 mld lat (niemal 90% ziemskiego czasu), ale śladów geologicznych pozostawiły niewiele. Trwający przez pierwsze pół miliarda lat Hadeik pozostawił kryształy cyrkonu i rudy żelaziste. W tych drugich wykryto ślady organicznego węgla. Geolodzy zastanawiają się, czy może to wskazywać na początki biologicznego życia. Ale przecież Ziemia była w tym czasie ognistą kulą. Była jednak nadzieja, bo ta kula powoli stygła, a na powierzchni pojawiła się ciekła woda. Pod skorupą Ziemi nadal jednak była wrząca lawa i zachodziła częsta erupcja wulkaniczna, a bazaltowe stożki wulkaniczne tworzyły wyspy rozproszone po rozlanym wszechoceanie.
Dno oceaniczne cały czas było poddawane wstrząsom, pęknięciom i przemieszczaniu się jego fragmentów. Po blisko 2 mld lat pierwotne, dobrze utwardzone już granitowe części skorupy ziemskiej zaczęły się łączyć w kratony tworząc zręby istniejących obecnie kontynentów. Przyjmuje się, że istotne w tym procesie było uderzenie w Ziemię planetoidy lub meteoroidu przed 3,2 mld lat, które wywołało naruszenie struktury skorupy ziemskiej. Dowodem na takie zdarzenie są datowane na ten czas małe szkliste sferule, które powstają w wyniku stopienia się cząstek ciała niebieskiego z cząstkami ziemskiej skały na skutek bardzo wysokiej temperatury.
Długie głębokie pęknięcia (ryfty) skorupy ziemskiej (a szerzej, uwzględniając również płaszcz górny – litosfery) podzieliły ją na większe i mniejsze płyty tektoniczne unoszące się na górnym płaszczu Ziemi. Takie pęknięcia, na skutek powtarzających się wewnętrznych naprężeń pod płaszczem Ziemi, zachodziły również w późniejszym okresie, i zachodzą nadal.
Siły tektoniczne wynikające z procesów zachodzących wewnątrz Ziemi powodują ciągłe (w geologicznej skali czasowej) przemieszczanie się płyt tektonicznych. Wyróżnia się kilka dużych płyt tektonicznych, kilka mniejszych oraz dużo oddzielnych małych oderwanych fragmentów. Współcześnie największe z nich tworzą fundamenty kontynentów – afrykańskiego, antarktycznego, australijskiego, euroazjatyckiego, południowoamerykańskiego, północnoamerykańskiego.
Na płytę euroazjatycką napierają dwie mniejsze płyty – arabska i indyjska. Ta druga wypiętrzyła (i nadal wypiętrza) Himalaje oraz leżące dalej na północ góry Ałtaj. Od milionów lat trwał również proces subdukcji płyty afrykańskiej pod część europejską. Obecnie obserwuje się proces odwrotny; w obszarze Morza Śródziemnego fragment europejski wsuwa się pod pękającą płytę afrykańską z prędkością kilku centymetrów rocznie. Jaki to będzie miało niezbyt odległy skutek w odniesieniu do wysp położonych na Morzu Śródziemnym oraz na kontynent afrykański? Można się spodziewać trzęsień ziemi i erupcji wulkanicznych.
Do głównych płyt tektonicznych należy także wielka podwodna płyta pacyficzna. Jest to pozbawiona kontynentu największa skalista płyta Ziemi otoczona tzw. pacyficznym pierścieniem ognia, na który składają się wielkie trzęsienia ziemi i liczne erupcje wulkaniczne, zwłaszcza u wybrzeży Azji Wschodniej i obszaru wysp Azji Południowo-wschodniej. Mniej groźne zjawiska tektoniczne odczuwają zachodnie krańce płyt Północno- i Południowo-amerykańskiej.
W obszarach oceanicznych, gdzie skorupa Ziemi jest cieńsza, występuje oddalanie się płyt od siebie (spreading), co powoduje wypływ magmy i rozrastanie się dna połączone z wypiętrzaniem się grzbietów oceanicznych oraz nowych wysp, takich jak archipelag Galapagos na Pacyfiku czy Islandia na Atlantyku. Islandia powstała na tzw. Grzbiecie Środkowo-atlantyckim, utworzonym przez wypływ magmy spod pękniętej skorupy Ziemskiej około 20 mln lat temu. Siły tektoniczne, działające w głębi szczeliny ryftowej, wytworzyły na powierzchni Islandii głęboki rów tektoniczny, który powiększa się około 2,5 cm rocznie, odsuwając od siebie dwie płyty – północnoamerykańską i euroazjatycką.
Islandia zasługuje na szczególną uwagę, ponieważ jest miejscem o największym zagęszczeniu wulkanów na Ziemi. Występują tam częste erupcje około 130 czynnych wulkanów (na ogólną liczbę około 1,2 tys. na całej Ziemi). Towarzyszą im częste trzęsienia ziemi. Niektóre z wulkanów drzemią pod lodowcami, które czasowo ograniczają rozprzestrzenianie się gorącej lawy, ale po ich wybuchu występują lodowcowe powodzie. Pod Islandią znajduje się olbrzymia plama gorąca, sięgającą 600 km w głąb Ziemi. Co jakiś czas wytwarza ona pióropusze magmy. Występują wtedy jej wielokilometrowe wylewy szczelinowe.
Erupcja szczelinowa w roku 1783 wyrzuciła nie tylko magmę, ale również ogromne ilości dwutlenku siarki; jej ilość szacuje się na 100 mln ton. Nastały zimne lata; Morze Północne i Bałtyckie zamarzły. Nad Europą, a później również dalej na wschód i południe przemieszczała się czerwona mgła niosąc załamanie się rolnictwa na skutek braku słonecznego światła dla roślin uprawnych. Głód na półkuli północnej dotknął nawet Indie, gdzie zmarło około 1,5 mln ludzi.
Drugim obszarem zagrażającym potężnymi wylewami wulkanicznymi jest Indonezja. W roku 1815 supererupcja wulkanu Tambora na wyspie Sumbawa wysłała do atmosfery chmurę dymu i pyłów pozostawiając krater o średnicy około 7 km. Chmura na wiele miesięcy ograniczyła słoneczne światło i ciepło (rok 1816 był „rokiem bez lata”) w takim stopniu, że spadek temperatury na Ziemi spowodował kolejny olbrzymi spadek rolniczych plonów, głód, choroby, i w efekcie dużą śmiertelność ludzi.
W XIX wieku tektoniczne kataklizmy nadal nie oszczędzały Ziemi. Kolejna niezwykle groźna wielomiesięczna erupcja wulkanu na wyspie Krakatau, również w Indonezji, miała miejsce w roku 1883. Dziewięćdziesięciometrowa chmura pyłu i gazu odcięła słoneczne światło, a niosąca materiał skalny fala piroklastyczna wywołała wielkie niszczące tsunami. Fala sejsmiczna obiegła Ziemię 7 razy. Cała przyroda Krakatau została unicestwiona.
Mimo, że ta wulkaniczna wyspa nie była zamieszkana, w wyniku erupcji zginęło około 36 tys. ludzi, głownie w wyniku tsunami, które uderzyło na dużym obszarze w przybrzeżne miasta. Wulkan Krakatau nie śpi, a tylko drzemie wykazując co jakiś czas mniejsze erupcje. Wybuch w roku 1883 prawdopodobnie nie był największym na tej wyspie. Był powtórzeniem erupcji w miejscu wielkiej kaldery powstałej w wyniku zapadnięcia się pierwotnego wulkanu w roku 416 lub 535 n.e. (dane z różnych źródeł). Kataklizm spowodował wówczas rozdzielenie się dwóch wysp – Jawy i Sumatry.
Szacuje się, że na Ziemi drzemie co najmniej kilkanaście groźnych superwulkanów. Znajdują się one głównie w USA i Japonii, ale również Europa ma dwa z nich – jeden w Niemczech w okolicach Bonn, drugi we Włoszech w pobliżu Neapolu. Największe globalne zagrożenie stanowi jednak prawdopodobnie ogromna kaldera wulkaniczna Yellowstone o wymiarach 55×80 km. Jest to zapadlisko po powtarzających się erupcjach lawy przed 2,1 mln, 1,3 mln i 640 tys. lat. Zagrożenie stwarza olbrzymia plama gorąca (komora magmowa) znajdująca się pod nią na głębokości 5-10 km.
Musimy sobie zdawać sprawę, że erupcje wulkaniczne wpływają na losy Ziemi od miliardów lat. Są to procesy globalne, od ruchu płyt kontynentalnych poczynając, przez zmiany składu atmosfery i drastyczne zmiany klimatu, po życie organizmów zamieszkujących lądy i oceany. Dowody tego możemy dobrze prześledzić w utworach skalnych ostatniego miliarda lat.
Wypływająca lawa nie tylko formuje powierzchnię skorupy ziemskiej, ale także zasila powierzchnię Ziemi w życiodajne składniki gleby; ich źródłem jest również opadający na nią popiół wulkanmiczny. Emisja dwutlenku węgla skutkuje efektem cieplarnianym. Masywna emisja dwutlenku siarki wywołuje natomiast efekt przeciwny. Gaz ten, po przedostaniu się przez troposferę do stratosfery, ponad 11 km od powierzchni Ziemi, tworzy aerozol rozpraszający i odbijający promienie słoneczne, skutkując kilkuletnim ochłodzeniem.
Kolejne zagrożenia dla Ziemi i życia biologicznego na niej wynikają z napierających na siebie płyt tektonicznych w procesie subdukcji. Towarzyszą temu procesy sejsmiczne, w tym groźne trzęsienia ziemi oraz przemieszczania się olbrzymich warstw skorupy ziemskiej. W odległej przeszłości doprowadziło to do wypiętrzania się pasm górskich na lądach. Największy jest łańcuch górski Andów o szerokości na 200-800 km ciągnący się przez 9000 km wzdłuż zachodniego wybrzeża całej Ameryki Południowej.
Płyta pacyficzna napierając na płytę południowoamerykańską (proces trwa nadal) wypiętrzyła górskie szczyty na ponad 6000 m oraz najwyższe na Ziemi wulkany na wysokość ponad 5000 m. Andy zbudowane są z pierwotnych skał magmowych i wtórnych osadowych oraz ze skał metamorficznych, które powstały z przekształcenia dwóch pierwszych typów pod wpływem wysokiej temperatury wydobywającej się z wnętrza Ziemi magmy lub wysokiego ciśnienia podczas przemieszczania się warstw skalnych.
Jeżeli jesteśmy przy Andach, nieco informacji o występującym tam niezwykle ważnym w XXI wieku pierwiastku – licie. W Chile znajdują się największe ziemskie zasoby soli litu. Jego duże zasoby występują również w Chinach i w Australii. Spore zasoby litu mają też Stany Zjednoczone. Ten najlżejszy pierwiastek metaliczny, o liczbie atomowej 3 (liczba protonów w jądrze), powstawał w wyniku fuzji jądrowej z helu i protonu wodoru od początku istnienia Wszechświata jako trzeci po wodorze i helu. Jest wytwarzany nadal w procesach termojądrowych zachodzących we Wszechświecie.
Lit jest bardzo dobrym przewodnikiem i ma różne zastosowania, ale jego największe znaczenie ma zastosowanie w przemyśle akumulatorowym do produkcji ładowalnych akumulatorów litowo-jonowych instalowanych w telefonach komórkowych, laptopach czy samochodach elektrycznych. Pozyskiwany jest z podziemnych solanek, stawów solankowych lub płytkich solnisk z dużymi pokładami soli (największym jest Sopoplar de Uyuni w Boliwii). W Australii lit wydobywany jest w dużych ilościach z pegmatytów – magmowych skał granitowych.
Uskoki tektoniczne miedzy płytami generują bardzo niebezpieczne rozległe trzęsienia ziemi oraz erupcje wulkaniczne, czego doświadczają bardzo często strefy przybrzeżne Azji i obu Ameryk oraz wyspy (m.in. Tonga i Japonia) leżące na Oceanie Spokojnym w tzw. pacyficznym pierścieniu ognia. Występuje tam najwięcej trzęsień Ziemi i znajduje się około 90% czynnych ziemskich wulkanów.
Obszary narażone na wielkie trzęsienia Ziemi znajdują się na styku trzech lub nawet czterech płyt, jak to ma miejsce na obszarze Turcji, Syrii i Libanu. Tam stykają się dwie mniejsze płyty –arabska i anatolijska, które mocno na siebie oddziałują oraz dwie bardziej stabilne ogromne płyty – afrykańska i euroazjatycka. Ostatnie (w lutym 2023 r.) wyjątkowo tragiczne w skutkach trzęsienie Ziemi na obszarze Turcji i Syrii było spowodowane napieraniem płyty arabskiej na anatolijską, która wobec stabilności dużych płyt sąsiednich, jest wypychana w kierunku Morza Śródziemnego.
Stabilność dużych płyt w geologicznej skali czasowej też nie jest jednak wieczna. Dopóki jądro Ziemi generuje olbrzymią energię, płyty tektoniczne nie mają stałego położenia (w skali czasu geologicznego). Płyta afrykańska napiera na euroazjatycką, co w odległej przeszłości spowodowało wypiętrzanie się w Europie górskich pasm Alp, Pirenejów i Karpat. Zaczęło się to na skutek przemieszczania się płyt tektonicznych po rozpadzie superkontynentu Pangei w erze mezozoicznej, i trwa nadal.
Czy i kiedy zniknie Morze Śródziemne? Ale najpierw jak i kiedy powstało. Przed około 5 mln lat wody Atlantyku przerwały zaporę gibraltarską zalewając rozległy basen, który powstał podczas wypiętrzania się południowo-zachodniej części płyty euroazjatyckiej pod naporem płyty afrykańskiej. Napór płyty afrykańskiej na Europę oraz wcześniejsze oddzielenie się płyty indyjskiej i pojawienie się Madagaskaru nie kończą jednak tektonicznych zjawisk na tym obszarze. Płyta afrykańska „na naszych oczach” pęka na dwie części wzdłuż Wielkich Rowów Afrykańskich. W Kenii i Etiopii pęknięcia są już widoczne na powierzchni Ziemi.
Spotykam informacje, że Afryka pęka na dwie połowy, a to nie jest prawdą, bo pęka (nie wiem czy na dwie połowy, ale jakoś tak blisko) wielka płyta afrykańska. Większość wschodniej części tej płyty leży jednak pod Oceanem Indyjskim. Za kilka milionów lat lub wcześniej, podczas ostatecznego rozpęknięcia się płyty może oderwać się tylko wąski kawałek lądu wschodniej Afryki. Wąski, ale długi, od Somali na północy po Mozambik lub nawet RPA na południu.
Dzisiaj kontynent afrykański jeszcze dzielnie się trzyma, ale powstawanie tak długiego uskoku tektonicznego stwarza olbrzymie zagrożenia sejsmiczne – trzęsienia ziemi i wypływy lawy znacznie wcześniej niż ostateczne rozerwanie się płyty afrykańskiej. Na skutek powtarzających się ponad 400 niewielkich trzęsień ziemi, na terenie Etiopii w roku 2005 powstała szczelina, która po 20 latach na odcinku prawie 60 km osiągnęła głębokość do 15 m i rozwarcie krawędzi do 20 m. Jest to najbardziej obecnie widoczny dowód dynamizmu płyt tektonicznych i kontynentów. To się dzieje na naszych oczach.
Długie uskoki w porozrywanej masie skalnej skorupy ziemskiej sprzyjają przemieszczaniu się sąsiadujących brzegów płyt skalnych wzdłuż linii uskoku. Do najgroźniejszych należy uskok San Andreas o długości 1200 km biegnący po wybrzeżu kalifornijskim między płytą pacyficzną a północnoamerykańską, sięgający do głębokości 15 km. Płyta pacyficzna przesuwa się zwykle łagodnie (można powiedzieć, że ślizga się) w kierunku północnym, a północnoamerykańska w kierunku południowym z prędkością 3-5 cm rocznie.
Fragmenty uskoku San Andreas co jakiś czas zaczynają się jednak zaczepić o siebie prowadząc do powstawania dużych naprężeń. Po przekroczeniu granicznego naprężenia następuje wielki „zgrzyt”, a po uwolnieniu się zaczepionych fragmentów następują tragiczne w skutkach trzęsienia Ziemi na południowym Zachodzie USA; powtarza się to co sto kilkadziesiąt lat.
Pęknięcia i lokalne rozerwania prowadzące do wypływu gorącej magmy mogą występować także w obrębie płyt. Na skutek pęknięć płyty mogą powstawać nie tylko długie rowy tektoniczne, ale też lokalne powierzchniowe nieckowate depresje. Do największych tektonicznych niecek należą dwa jeziora czy też śródlądowe morza – Aralskie i Kaspijskie na obszarze euroazjatyckiej płyty tektonicznej. Najciekawszym przykładem w obrębie tej wielkiej płyty jest jednak jezioro Bajkał. Przed około 50 mln lat powstało na Syberii długie i głębokie pęknięcie, które gromadzi dzisiaj najwięcej wody słodkiej na Ziemi.
Słynne z „potwora” Nessi jezioro rynnowe Loch Ness w Szkocji, mimo prostoliniowego kształtu, nie jest jednak przypadkiem pęknięcia płyty kontynentalnej. Jego słodka woda gromadziła się w rynnie polodowcowej zamkniętej na końcu rumoszem skalnym spychanym przez lodowiec pod koniec ostatniej epoki lodowej około 10 tys. lat temu.
Szkocja w pobliżu Loch Ness jest jednak szczególnym obszarem również ruchów tektonicznych. Podczas zwarcia dwóch płyt tektonicznych – północnoamerykańskiej i euroazjatyckiej, w wyniku subdukcji skały skorupy ziemskiej uległy wciśnięciu do płaszcza Ziemi, gdzie zagotowały się, po czym zostały wypchnięte z powrotem na powierzchnię. Obserwować tam można wynik powstania uskoku odwróconego, gdzie najstarsze skały bazaltowe znajdują się nad skałami młodszymi. Jest to niezbity dowód wielkiego poziomego parcia jednej płyty na drugą. Znaleziono tam również jedne z najstarszych znanych skał, liczących około 2,5 mld lat.
Szkocja jest wyjątkowym miejscem geologicznym również z innych względów. Leżą tam aż cztery uskoki. Najciekawsze jest jednak to, że Szkocja jest oderwanym fragmentem pradawnej płyty północnoamerykańskiej, „przyklejonym” dzisiaj do Anglii, która leży na fragmencie płyty euroazjatyckiej. Obecnie dwie wymienione tu płyty stykają się daleko na zachód, na środku Atlantyku; m.in. na wulkanicznie zrodzonej Islandii.
Islandia jest teraz rozdzierana na dwie części przez erupcje lawy i trzęsienia ziemi w pasie szerokiego wulkanicznego grzbietu śródatlantyckiego (było o nim wyżej), który ciągnie się od Islandii aż po Ocean Antarktyczny. W jego środku biegnie głęboka rynna ryftowa, w której zachodzą wylewy magmy odpychającej dwie płyty amerykańskie po jej wschodniej stronie od dwóch płyt – euroazjatyckiej i afrykańskiej znajdujących się po stronie zachodniej. Początek dryfu wymienionych tu płyt tektonicznych określa się na czas rozrywania się superkontynentu Pangei w okres triasu, miedzy 252 a 201 mln lat temu.
Tektonika ziemskich płyt, aktywność wulkaniczna (zwłaszcza wzdłuż pęknięć skorupy ziemskiej) i występowanie kominów hydrotermalnych w głębinach oceanicznych oraz otaczająca Ziemię atmosfera stanowią naturalny układ decydujący o klimacie Ziemi i w pewnym sensie stabilizujący go w niezbyt długich (w skali geologicznej) przedziałach czasu.
Zamiast posumowania
Ziemia przeżywała wielkie kataklizmy, a jednak biologiczne życie na niej rozkwitło, wielokrotnie było niszczone i odradzało się coraz obficiej w nowych formach. Nie wiemy, czy istnieje życie w innych częściach Wszechświata. Chociaż wydaje się to wielce prawdopodobne, należy jednak uznać, że Ziemia jest pod tym względem planetą niezwykle szczęśliwą. Znajduje się w najlepszym miejscu układu słonecznego i wyróżnia się korzystną dla życia średnią temperaturą na powierzchni +15oC.