Podobnie jak wszystkie inne planety lądowe (Merkury, Wenus i Mars) Ziemia składa się z wielu warstw. Jest to wynik różnicowania się planetarnego, w którym gęstsze materiały opadają do centrum, tworząc jądro, podczas gdy lżejsze materiały tworzą się na zewnątrz. Podczas gdy jądro składa się głównie z żelaza i niklu, górne warstwy Ziemi składają się ze skał krzemianowych i minerałów.
Ten region znany jest jako płaszcz i stanowi większość objętości Ziemi. Ruch, lub konwekcja, w tej warstwie jest również odpowiedzialny za całą aktywność wulkaniczną i sejsmiczną Ziemi. Informacje o strukturze i składzie płaszcza są albo wynikiem badań geofizycznych, albo bezpośredniej analizy skał pochodzących z płaszcza, lub odsłoniętego płaszcza na dnie oceanu.
Definicja:
Składający się z krzemianowego materiału skalnego o średniej grubości 2,886 km (1,793 mi), płaszcz znajduje się pomiędzy skorupą ziemską a jej górnym jądrem. Płaszcz stanowi 84% objętości Ziemi, w porównaniu do 15% w jądrze i reszty zajmowanej przez skorupę. Choć w przeważającej części jest ciałem stałym, zachowuje się jak lepka ciecz ze względu na fakt, że temperatury w tej warstwie są bliskie temperaturze topnienia.
Nasza wiedza o górnym płaszczu, w tym o płytach tektonicznych, pochodzi z analiz fal trzęsień ziemi, badań przepływu ciepła, magnetycznych i grawitacyjnych oraz eksperymentów laboratoryjnych na skałach i minerałach. Pomiędzy 100 a 200 kilometrami pod powierzchnią Ziemi, temperatura skał jest bliska temperaturze topnienia; stopione skały wybuchające w niektórych wulkanach pochodzą z tego regionu płaszcza.
Struktura i skład:
Płaszcz jest podzielony na sekcje, które są oparte na wynikach sejsmologii. Są to górna część płaszcza, która rozciąga się od około 7 do 35 km (4,3 do 21.7 mi) od powierzchni do głębokości 410 km (250 mi); strefa przejściowa, która rozciąga się od 410 do 660 km (250 – 410 mi); dolny płaszcz, który sięga od 660 km do głębokości 2,891 km (410 – 1,796 mi); oraz granica rdzeń- płaszcz, która ma zmienną grubość (średnio ~200 km lub 120 mi).
W górnym płaszczu wyróżnia się dwie główne strefy. Najbardziej wewnętrzną z nich jest wewnętrzna astenosfera, która składa się z plastycznych, płynących skał o średniej grubości około 200 km (120 mi). Zewnętrzna strefa to najniższa część litosfery, która składa się ze sztywnych skał i ma grubość od 50 do 120 km (31 do 75 mi).
Górna część litosfery to skorupa ziemska, cienka warstwa o grubości od 5 do 75 km (3,1 do 46.6 mi), która jest oddzielona od płaszcza przez nieciągłość Mohorovica (lub „Moho”, która jest zdefiniowana przez gwałtowny wzrost w dół prędkości fal trzęsienia ziemi).
W niektórych miejscach pod oceanem płaszcz jest rzeczywiście odsłonięty. Istnieje również kilka miejsc na lądzie, gdzie skały płaszcza zostały wypchnięte na powierzchnię przez aktywność tektoniczną, przede wszystkim region Tablelands w Parku Narodowym Gros Morne w Nowej Fundlandii i Labradorze w Kanadzie, Wyspa Świętego Jana w Egipcie lub wyspa Zabargad na Morzu Czerwonym.
W zakresie elementów składowych płaszcza, składa się on z 44,8% tlenu, 21,5% krzemu i 22,8% magnezu. Jest tam również żelazo, aluminium, wapń, sód i potas. Wszystkie te pierwiastki są związane razem w postaci skał krzemianowych, z których wszystkie mają postać tlenków. Najczęściej spotykany jest dwutlenek krzemu (SiO2) – 48%, a następnie tlenek magnezu (MgO) – 37,8%. Przykłady skał, które można znaleźć wewnątrz płaszcza to: oliwin, pirokseny, spinel i granat.
Konwekcja:
Z powodu różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią Ziemi a zewnętrznym jądrem, w płaszczu zachodzi konwekcyjna cyrkulacja materiału. Polega ona na powolnym, pełzającym ruchu krzemianowego płaszcza Ziemi po powierzchni, przenoszącym ciepło z wnętrza Ziemi na powierzchnię. Podczas gdy gorący materiał unosi się ku powierzchni, chłodniejszy, cięższy materiał zapada się pod nią.
Litosfera jest podzielona na szereg płyt, które są stale tworzone i zużywane na swoich przeciwległych granicach płytowych. Ruch materiału w dół występuje w strefach subdukcji, miejscach na zbieżnych granicach płyt, gdzie jedna warstwa płaszcza przesuwa się pod drugą. Akrecja zachodzi, gdy materiał jest dodawany do rosnących krawędzi płyty, co wiąże się z rozprzestrzenianiem się dna morskiego.
Ten chaotyczny proces uważa się za integralną część ruchu płyt, co z kolei daje początek dryfowi kontynentalnemu. Poddana subdukcji skorupa oceaniczna jest również źródłem wulkanizmu, czego dowodem jest Pacyficzny Pierścień Ognia.
Eksploracja:
Badania naukowe i eksploracja płaszcza są zazwyczaj prowadzone na dnie morza ze względu na względną grubość skorupy oceanicznej w porównaniu ze skorupą kontynentalną. Pierwsza próba eksploracji płaszcza (znana jako Projekt Mohole) osiągnęła głębokość penetracji około 180 metrów (590 stóp). Została ona zarzucona w 1966 roku po powtarzających się niepowodzeniach i przekroczeniu kosztów.
W 2005 roku statek wiertniczy JOIDES Resolution wykonał odwiert o głębokości 1416 metrów pod dnem morza. W 2007 roku zespół naukowców na pokładzie brytyjskiego statku badawczego RRS James Cook przeprowadził badania na odsłoniętym fragmencie płaszcza znajdującym się pomiędzy Wyspami Zielonego Przylądka a Morzem Karaibskim.
W ostatnich latach zaproponowano metodę badania warstw Ziemi za pomocą małej, gęstej, generującej ciepło sondy. Miałaby ona przetapiać drogę przez skorupę i płaszcz oraz komunikować się za pomocą sygnałów akustycznych generowanych podczas penetracji skał. Sonda składałaby się z zewnętrznej powłoki wolframu z rdzeniem kobaltu-60, który działa jako radioaktywne źródło ciepła.
Obliczono, że taka sonda osiągnie oceaniczny Moho w mniej niż 6 miesięcy i osiągnąć minimalne głębokości znacznie powyżej 100 km (62 mil) w ciągu kilku dekad, zarówno pod litosfery oceanicznej i kontynentalnej. W 2009 roku aplikacja superkomputerowa stworzyła symulację, która dostarczyła nowego wglądu w rozmieszczenie złóż mineralnych z czasów, gdy płaszcz rozwijał się 4,5 miliarda lat temu.
Pomimo, że płaszcz Ziemi nie został jeszcze zbadany na znacznej głębokości, wiele dowiedzieliśmy się z badań pośrednich w ciągu ostatnich kilku stuleci. W miarę jak ludzka eksploracja Układu Słonecznego będzie postępować, z pewnością dowiemy się więcej o planetach ziemskich, ich zachowaniu geologicznym i formowaniu się.
Napisaliśmy wiele artykułów o wnętrzu Ziemi tutaj w Universe Today. Oto jeden z nich o płaszczu Ziemi, Odkrycie wewnętrznego, wewnętrznego rdzenia Ziemi, Jaka jest różnica między magmą a lawą, oraz artykuł o tym, jak rdzeń Ziemi obraca się szybciej niż jej skorupa.
Aby uzyskać więcej informacji, sprawdź stronę United States Geological Survey (USGS).
Astronomy Cast również ma odcinek na ten temat. Posłuchaj go tutaj, Odcinek 51: Earth.