Dlaczego jądro Ziemi jest gorące?

Nasza planeta istnieje już 4 miliardy 600 milionów lat. Szmat czasu, a jednak, z jakiegoś powodu jądro Ziemi nie ostygło i wciąż zaskakuje aktywnością.

Krótko. Wnętrza wielu planet pozostają rozgrzane w związku z zachodzeniem reakcji jądrowych, a ściślej mówiąc procesów radiogenicznych. W przypadku Ziemi są to głównie rozpady izotopów uranu, toru i potasu.

Ile może stygnąć kamień? Nawet jeżeli jest całkiem dorodny – powiedzmy wielkości planety – to miliony, nie mówiąc o miliardach lat, powinny z nawiązką wystarczyć do jego zupełnego wyziębienia i zestalenia. Podpowiada nam to intuicja podpierana przez niezwyciężoną drugą zasadę termodynamiki. Wszyscy zdajemy sobie sprawę, że każde ciało oddaje swoje ciepło otoczeniu, a każde ognisko musi kiedyś zgasnąć.

Mimo to, na przekór zdrowemu rozsądkowi, głęboko pod powierzchnią skorupy ziemskiej zdaje się panować wieczny żar. Spójrzmy na samo jądro naszej planety. Niklowo-żelazna kula o średnicy 7 tys. kilometrów, skupiająca w sobie prawie 1/3 masy całego globu, pozostaje stale rozpalona do ponad 5,5 tys.°C. Po upływie 4,6 miliarda lat wnętrze naszej planety wciąż generuje grube terawaty energii i parzy niewiele słabiej od powierzchni Słońca. I żeby nie było wątpliwości, ciepło z płaszcza i jądra jak najbardziej wycieka, choćby w procesie konwekcji. Roztopiona materia pod naszymi stopami niezmordowanie wędruje ku górze, oddając część posiadanej temperatury, następnie gęstnieje i znów zaczyna opadać do centrum. (Nie dotyczy to jednak samego jądra wewnętrznego. Mimo ogromnych temperatur, wystarczających do bezproblemowego roztopienia każdego metalu, miażdżące ciśnienie utrzymuje je pod postacią ciała stałego). Wydawałoby się, że normalnie taki proces powinien już dawno wychłodzić nasz świat i doprowadzić do jego geologicznej śmierci.

Temperatura jądra Ziemi

Czy jest możliwe, że planety po prostu tak powoli wytracają energię, pozyskaną jeszcze w procesie swoich burzliwych narodzin? Okazuje się, że… tak. Choć nie udałoby się to bez pomocy własnego autonomicznego źródła zasilania, pod postacią reakcji jądrowych. Żeby nie było nieporozumień (z czym się spotkałem): nie chodzi o procesy termojądrowe, czyli fuzję jąder atomowych typową dla wnętrz gwiazd. Planety nie posiadają dostatecznej masy (ani odpowiedniego paliwa, w naszym przypadku), aby zapewnić warunki konieczne do podtrzymania syntezy. Dysponujemy natomiast domieszkami ciężkich promieniotwórczych izotopów, które chętnie ulegają spontanicznym rozpadom, czemu towarzyszy wydzielenie konkretnych porcji energii.

Dociekliwi czytelnicy mogą się zastanawiać, skąd u licha posiadamy wiedzę na temat reakcji jądrowych dziejących się kompletnie poza naszym wzrokiem. Rzeczywiście jest to dość nietypowe, ponieważ spora część obecnych modeli geologicznych powstała przy użyciu detektorów neutrin, a ściślej mówiąc antyneutrin elektronowych. Najczęściej kojarzymy te drobniutkie, przenikające przez wszystko cząstki ze źródłami kosmicznymi (np. neutrina słoneczne), jednak ich emisja towarzyszy wielu zjawiskom fizycznym, zwłaszcza poszczególnym rozpadom jądrowym. W 2005 roku zespół obsługujący japoński detektor KamLand zaczął wyłapywać te geoneutrina, na podstawie których dokonał skrupulatnej oceny zjawisk występujących wewnątrz Ziemi. Zgodnie z aktualnym modelem rozpady jąder generują do 20 terawatów energii, przy czym około 40% tej wartości pochodzi z rozpadu uranu-238, kolejne 40% z rozpadu toru-232 i 20% z rozpadu potasu-40.

Należy zwrócić uwagę na jeszcze dwa fakty. Po pierwsze, nasze teorie dotyczące bilansu cieplnego Ziemi nie są pełne i wciąż pozostawiają pole do dyskusji. Promieniotwórczość to potężna siła, ale prawdopodobnie nie odpowiada za całość generowanej energii. Po drugie, rozpady izotopów występują w płaszczu naszej planety, ale nie w jądrze. Zdaniem fizyków i geologów, uran, tor oraz potas praktycznie nie występują w ścisłym rdzeniu Ziemi, toteż całe ciepło radiogeniczne musi powstawać nieco wyżej.

Wnętrzne Ziemi

Jaka jest więc prawidłowa odpowiedź na tytułowe pytanie? Wydaje się, że jądro w istocie płonie pierwotnym żarem stanowiącym relikt po narodzinach planety. Nie ostygło jednak, ponieważ pozostaje otulone grubą warstwą roztopionych skał, nieustannie podgrzewanych rozpadami jądrowymi. Płaszcz można tu więc postrzegać nawet nie jako kołdrę, a koc elektryczny z własnym zasilaniem.

Czy to wszystko oznacza, że Ziemia nigdy nie zamarznie? Oczywiście nie, ale proces studzenia jej wnętrza jest niewiarygodnie powolny. Uwzględniając tempo oddawania ciepła i całą resztę, kompletne zastygnięcie jądra potrwa od 55 do 90 miliardów lat. Na nasze szczęście, bowiem wysoka temperatura i ruchy konwekcyjne bilionów ton roztopionego żelaza to warunek istnienia ziemskiej magnetosfery.

Dlaczego Mars a nie Wenus? Szanuj swój statek kosmiczny Na jaką maksymalną wysokość może wspiąć się człowiek?