מסע אל בטן האדמה

כדור הארץ (כדו"א) שלנו הוא סלע ענק הסובב סביב השמש וסביב עצמו. אנחנו, שחיים על פני קליפת הכדור, רואים בעיקר את המתרחש סביבנו ביבשה ובים, ומעלינו בשמיים ובחלל. אבל תהיתם פעם מה קורה עמוק עמוק בתוך הכדור? מה יש בתוך הסלע הענק שהוא כדו"א, אלפי קילומטרים מהקליפה? האם ליבתו חלולה? האם אפשר לחיות שם? ומה הקשר בין ליבת כדו"א ומקוריהן של הציפורים? על כך ועוד בכתבה שלפניכם.

לפני כ 150 שנה ירד פרופסור אוטו לידנברוק עם אחיינו אקסל דרך פתחו של הר געש איסלנדי אל תוך מעבה האדמה. במסעם אל ליבת כדו"א, נתקלו הפרופסור ואחיינו בנהרות תת-קרקעיים, פטריות ענק ועצים מאובנים, בדינוזאורים ויצורים פרהיסטורים חיים ובהרפתקאות מרתקות אחרות. כך לפחות מספר לנו הסופר הצרפתי המהולל ז'ול וורן בספרו "מסע אל בטן האדמה". הרבה שלג ירד באיסלנד מאז, ואפילו התפרץ שם הר געש אחד לא מזמן שזרע מהומה במרחב האווירי של אירופה. ולמרות שרוב הרעיונות המתוארים בספרו של וורן הופרכו זה מכבר על ידי המדע המודרני, מרכז כדו"א נותר מושא לסרטים הוליוודים ולמחקרים ותובנות פנטסטיים למרות, ואולי בגלל, שהוא אתר כל כך עלום ונסתר מהעין האנושית. אז מהיכן מתחילים את המסע לתוך הגיאוספירה של כדו"א? נתחיל מההתחלה: איך כדו"א נולד?

התאוריה המודרנית המקובלת ביותר על המדע כיום, המבוססת בין השאר גם על תצפיות של מערכות כוכבים בהווצרות, גורסת כי כדו"א נוצר לפני כ 4.6 מיליארד שנים מתוך ענן חלקיקים קוסמיים ענק. החלקיקים בענן התנגשו אחד בשני כתוצאה מתנועה אקראית ויצרו חלקיקים גדולים יותר. אלו בתורם יצרו גופים הנקראים כוכבי לכת עובריים - "פלאנטיסימלים", שהלכו וגדלו עם הזמן, ועם גודלם גם כוח הכבידה שלהם התחזק. הפלאנטיסימלים משכו אליהם עוד ועוד חלקיקים וגופים אחרים, ובסידרת התנגשויות בינהם נוצרו כוכבי הלכת המוכרים לנו כיום. כדו"א כנראה נוצר מלא פחות מ 11 התנגשויות מאסיביות כאלו (ואינספור התנגשויות קטנות), שבאחת מהן אף נוצר הירח. התנגשויות אלו היו בעלות עוצמה ואנרגיה אדירות, והן גרמו להתכה של הסלעים וגושי המתכת שמהן היו עשויים הכוכבונים. כך נוצרה שכבה של סלע מותך שעטפה גרעין מתכתי קשה וצפוף במרכז הכוכב. עדויות להתנגשויות הקטנות יותר רואים בכל כוכבי מערכת השמש בין השאר בצורה של מכתשים רבים המנקדים את פני שטחם.

כמיליארד שנה אח"כ, כשמסת כדו"א עלתה ותדירות ההתנגשויות ירדה, פני השטח של כדוֹ"א התקררו מספיק כדי ליצור קרום העוטף את השכבה הסלעית המותכת. כך בעצם נוצר כוכב הלכת עליו אנחנו חיים כיום.

התרשים הבא מראה את החלוקה של הגיאוספירה לשכבות:
1 – קרום יבשתי 2 – קרום אוקייני

3 – מעטפת עליונה 4 – מעטפת תחתונה

5 – גלעין חיצוני 6 – גלעין פנימי

A – תחום אי הרציפות מוהורוביץ'

B – תחום אי הרציפות וייכרט גוטנברג

C – תחום אי הרציפות ג'פריס
תחומי אי הרציפות מציינים שכבות בהן יש שינוי חד בצפיפות או במצב הצבירה של התווך.

תמונה זו נוצרה בידי Dake ונלקחה מויקיפדיה

את אופי השכבות חקרו מדענים בין השאר באמצעות איפיון של לבה וסלעים מותכים הנפלטים מהרי געש, חקר ההרכב של מטאוריטים קדמונים, וחקר גלים סייסמיים: גלים של אנרגיה שנוצרים בעקבות רעידת אדמה או פיצוץ, שאופיים משתנה בהתאם לאופי (צפיפות, חום וכו') התווך שבו הם נעים - זוהי הטומוגרפיה הסייסמית. הבה נתחיל לחפור:

את הקרום היבשתי (1 בתמונה) אנו מכירים היטב. אנו צועדים עליו בדרכנו לביה"ס ולעבודה, בונים עליו את בתינו וחופרים בתוכו כדי להוציא ממנו נפט, גז ומאובנים. הוא אינו עשוי מקשה אחת אלא מחולק ללוחות ("לוחות טקטוניים"). עוביו 5-70 ק"מ והיסודות הנפוצים בו ביותר הם צורן וחמרן (סיליקון ואלומיניום). הקרום האוקייני (2) הוא ההמשך התת-מימי של הקרום היבשתי, דק יותר ממנו וגם פחות צפוף. הוא מכיל בעיקר צורן ומגנזיום. אם נחפור מספיק עמוק בקרום נגיע לבסוף למעטפת העליונה (3). המעטפת העליונה מוגדרת עד לעומק של כ 700 ק"מ ושורר בה חום שיכול להגיע עד כ 4,000 מעלות צלזיוס (סביר שדינוזאורים אין שם!). סלעי המעטפת העליונה מכילים יותר ברזל ומגנזיום אך גם צורן וחמרן. בחלק זה של המעטפת הלחץ מספיק נמוך והחום מספיק גבוה כדי שהסלעים המרכיבים אותה יתקיימו במצב צבירה נוזלי צמיג - זוהי אותה המגמה שאנו רואים נפלטת מראשיהם של הרי געש. מתחת למעטפת העליונה מצויה המעטפת התחתונה (4), עד לעומק של כ 2,900 ק"מ. בשכבה התחתונה של המעטפת הלחץ אדיר ולכן צמיגות הסלע המותך עולה משמעותית. אם היינו יכולים להמשיך ולהעמיק, היינו מגיעים לבסוף לחלק הכי מעניין והכי מיסתורי של המסע: גרעין כדו"א.

אין למדענים בעצם דרך לבחון ישירות את גרעין כדו"א, משום שלא כמו המעטפת, הגרעין אינו פולט תוכנו לאטמוספירה דרך הרי געש. לכן הדרך היחידה שבה מדענים אוספים אינפורמציה על הגרעין היא בעזרת גלים סייסמיים. בשיטה זו גילו המדענים שצפיפות הגרעין מתאימה לצפיפותן של מתכות כבדות כמו ברזל ניקל וקובלט. בשכבה החיצונית (5) של הגרעין החום מגיע עד לכ 6,000 מעלות צלזיוס, ולכן למרות הלחץ העצום שמפעילות כל השכבות שמעל, תערובת המתכות נשארת נוזלית. אך ככל שנעמיק בגרעין הלחץ הולך ועולה, עד שבשלב מסוים (בתחום אי הרציפות ג'פריס) הלחץ כל כך גבוה שהסגסוגת הופכת למוצקה למרות החום ומהווה את הגלעין הפנימי (6).

אבל הגלעין כל כך עמוק ורחוק מאיתנו, מדוע זה משנה אם הוא מוצק או נוזלי, אם הוא מברזל או מניקל, ואם חם שם או לא? ובכן, העניין בגרעין היה נשאר אקדמי גרידא, אלמלא תרומתו של הגרעין לאחת מתכונותיו החשובות והמדהימות ביותר של כדו"א: השדה המגנטי. השדה המגנטי של כדו"א נוצר מזרימת השכבה הנוזלית המתכתית של הגרעין סביב החלק המוצק. אנו מכירים את התופעה של יצירת שדה מגנטי עקב זרימה חשמלית - תנועה של אלקטרונים בחוט תיל יוצרת שדה מגנטי. מדענים הוכיחו כי תנועה סיבובית של חומר מוליך חשמל כמתכת נוזלית יוצרת זרימה חשמלית ובעקבותיה שדה מגנטי. אנרגיה לתנועה של החלק הנוזלי בגרעין מקורה בתהליך הקונבקציה (הסעה). זהו תהליך שבו יש תנועה של חומר זורם חם לאזור קר יותר. את כיוון הזרימה של החלק הנוזלי בגרעין מכתיב כיוון סיבוב כדו"א, וכך בעצם קובע את כיוון השדה המגנטי. כך קשורים בעצם מחזורי היום והלילה של כדו"א לשדה המגנטי שלו. מדענים משערים כי ציפורים חשות את השדה המגנטי של כדו"א בעזרת תאים מיוחדים שנמצאים במקורן, וכך הן יודעות לנווט צפונה או דרומה בהתאם לעונת השנה. מלבד ציפורים, חישה מגנטית התגלתה גם בחיידקים ובפטריות.

השדה המגנטי של כדו"א אינו קבוע למעשה, וכיוון הקטבים המגנטים של השדה מתהפך אחת לתקופה. הפעם האחרונה שהשדה המגני התהפך היתה לפני כ 780000 שנה. אז אם אתם יוצאים בקרוב לטיול עם מפה ומצפן, וודאו שאתם לוקחים אתכם גם עזרי ניווט אחרים כמו GPS...

ד"ר חיים חביב
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.