Teplo vnútri Zeme
Zem vznikla z veľkého oblaku prachu a plynu pred asi 4,5 miliardy rokov. Rástla pomerne rýchlo; do takmer dnešnej veľkosti narástla za menej ako 100 miliónov rokov. Na začiatku sa z malých zrniečok náhodnými zrážkami začali vytvárať väčšie zhluky. Jeden z nich začal vďaka gravitácii priťahovať k sebe ostatné z bližšieho aj vzdialenejšieho okolia. Zárodok Zeme rástol rýchlejšie a rýchlejšie, priťahoval ostatné zhluky stále viac a viac a tie vyššou a vyššou rýchlosťou dopadali na zárodok. Pri každom dopade sa zárodok zohrial – pohybová energia zhluku, ktorý na zárodok dopadol, sa premenila na teplo.
Teplo, vyrobené pri vzniku Zeme, predstavuje asi 90 percent všetkého tepla zodpovedného za to, že Zem je horúca. Najhorúcejšia bola hneď po vzniku – mala takú vysokú teplotu, že bola celá tekutá. Vďaka tomu sa mohli vytvoriť dve hlavné vrstvy Zeme, ako ich dnes poznáme – jadro a plášť.
Prach, z ktorého vznikala Zem, pozostával zo všetkých možných chemických prvkov. Najviac bolo železa, kyslíka, kremíka a horčíka. V tekutej zmesi ťažké železo klesalo dolu, ľahšie prvky zostávali hore. Zemské jadro je najmä zo železa, zemský plášť predovšetkým z kyslíka, kremíka a horčíka. Zem od povrchu postupne chladne a tým tuhne. Dnes je plášť stuhnutý, jadro je ešte stále tekuté.
Zvyšných 10 percent tepla, zohrievajúceho Zem, je teplo, ktoré sa uvoľňuje pri rozpade rádioaktívnych izotopov, ktoré tiež boli súčasťou pôvodného prachového oblaku. Dosiaľ sa všetky nerozpadli, a tak sa aj dnes Zem ešte zohrieva.
Prečo Zem chladne?
Lebo je teplejšia ako jej okolie. Okolie, to znamená prázdny priestor začínajúci sa tam, kde sa končí zemská atmosféra, má teplotu niečo nad absolútnou nulou, nad približne mínus 270 stupňov Celzia. Teplota v jadre Zeme je od štyroch do sedemtisíc stupňov, teplota plášťa je od tisíc do štyritisíc stupňov.
Teplo vždy tečie tak, aby sa teploty vyrovnávali, tečie vždy od teplejšieho k chladnejšiemu. Preto horúce veci chladnú. Vyrovnávanie teplôt je dôsledkom jedného z najhlbších zákonov vesmíru. Je to zákon rastu entropie, zákon rastu neporiadku. Zem podľa tohto zákona odovzdáva teplo do okolia. Na začiatku to bolo najmä pôvodné teplo, vyrobené pri vzniku Zeme, dnes asi 75 percent odovzdávaného tepla je teplo od rozpadu rádioaktívnych izotopov, 25 percent je pôvodné teplo. To, že časť tepla, ktoré odovzdáva Zem do okolia, pochádza z čias jej vzniku, znamená, že Zem postupne chladne, aj keď sa ešte stále rozpadom rádioaktívnych izotopov zohrieva.
Tri spôsoby odovzdávania tepla
Hmota, ako ju poznáme, pozostáva z malých čiastočiek, atómov alebo molekúl, ktoré stále poskakujú, kmitajú. Teplo obsiahnuté v kameni nie je nič iné ako pohybová energia poskakujúcich čiastočiek. Čím je teplota vyššia, tým viac čiastočky poskakujú, tým viac pohybovej energie, a teda tepla je obsiahnutého v kameni. Každé teleso, ktorého teplota je vyššia ako absolútna nula, vyžaruje do okolia energiu vo forme vlnenia – tým chladne a ohrieva okolie. Tento spôsob odovzdávania tepla je sálanie.
Ak priložíme k sebe teplejší a chladnejší kameň, čiastočky poskakujúce v teplejšom kameni narážajú do čiastočiek v chladnejšom kameni, tie začnú poskakovať viac a chladnejší kameň sa zohrieva. Nárazmi sa poskakovanie čiastočiek v teplejšom kameni spomalí a teplejší kameň chladne. Tento spôsob odovzdávania tepla je vedenie. Ak máme v jednom rohu miestnosti horúcu piecku, opačný roh sa postupne zohreje sálaním z piecky a vedením tepla z piecky cez vzduch.
Najúčinnejší spôsob je tretí – najrýchlejšie odovzdáme teplo z jedného rohu miestnosti do opačného, keď tam prenesieme rovno celú horúcu piecku.
Foto: Ivan Majerský
Prenos tepla v Zemi
Teplota v Zemi stúpa od povrchu k stredu. Teplo je teda odovzdávané zdola nahor. Vnútri Zeme môžeme sálanie zanedbať – vlnenie preniká cez hustú hmotu veľmi zle. Sálaním je odvádzané len teplo od povrchu Zeme do jej okolia. Vedenie tepla je pomerne málo účinný spôsob jeho prenosu – ak by bolo k dispozícii len vedenie tepla, spodné vrstvy Zeme by boli horúcejšie ako sú, vrchné vrstvy chladnejšie.
Vieme, že ak nejakú látku zohrejeme, jej objem sa zväčší a čiastočky na svoje poskakovanie potrebujú viac miesta. Keď sa zväčší objem, zníži sa hustota a zohriata látka je ,,ľahšia". Vnútri Zeme je horúca, ,,ľahšia" látka dolu, chladnejšia, ,,ťažšia" látka hore. Tento stav sa ničím nelíši od stavu nafúknutej lopty pridržiavanej pri dne suda plného vody. Na loptu aj na horúci materiál v spodných vrstvách Zeme pôsobí tá istá vztlaková – Archimedova sila, ktorá tlačí loptu či horúci materiál zvnútra Zeme smerom nahor. Keď loptu pustíme, vyskočí na hladinu.
Keď je vztlaková sila vnútri Zeme dostatočná, aby prekonala trenie, ktoré vzniká pri jeho pohybe, horúci materiál začne stúpať smerom k povrchu Zeme. Teplo zvnútra Zeme k povrchu sa prenáša od jej vzniku až dodnes predovšetkým týmto spôsobom – priamym prenosom horúceho materiálu z hĺbok Zeme. Počas celej jej existencie prebieha vnútri Zeme takzvaná tepelná konvekcia, tepelné tečenie, pri ktorom stúpa horúci, ,,ľahký" materiál zvnútra Zeme k jej povrchu a na jeho miesto klesá ochladený ,,ťažký" materiál vrchných vrstiev Zeme. Najmä tento kolobeh je zodpovedný za výzor a správanie povrchu našej Zeme. Tento kolobeh je zodpovedný za Himaláje, Alpy, Tatry, za Havajské ostrovy, za zemetrasenia a cunami, za sopečný popol nad Európou.
Aj kamene tečú
Aj keď je materiál zemského plášťa veľmi horúci, nie je roztavený. Vieme celkom spoľahlivo, že je tuhý, má dokonca kryštalickú štruktúru. Dôvodom je veľký tlak vnútri Zeme, ktorý pochádza od váhy vyššie ležiacich vrstiev. Látka je tuhá, keď čiastočky, z ktorých je zložená, síce poskakujú, ale držia pokope. Keď látku zohrievame, čiastočky poskakujú viac a viac, až od seba odskočia, nedržia pokope a látka sa roztaví.
Keď látku zohrievame a súčasne silno stláčame, čiastočky nemajú ako od seba poodskakovať, vďaka tlaku ďalej držia pokope a látka zostane v tuhom stave. Ako je to s jej tečením? Látka potečie, keď sa pod vplyvom nejakej sily nevratne zdeformuje. Tuhé látky, ako ich vnímame v bežnom živote, sú vo veľkej miere pružné. Keď na tuhú látku zapôsobíme silou, ktorá ju zdeformuje, po skončení pôsobenia tejto sily látka znova nadobudne svoj tvar. Jej deformácia bola vratná, látka netiekla. Háčik je v tom, že v bežnom živote nemáme dosť času pôsobiť na tuhú látku deformujúcou silou dlho.
V starých kostoloch sú okenné tabule pri spodnom ráme očividne hrubšie ako pri hornom. Za niekoľko storočí súvislého pôsobenia deformujúcej sily – gravitácie – sa sklo nevratne zdeformovalo, stieklo od horného rámu k dolnému. To, či sa látka nevratne zdeformuje, potečie, je vždy len a len otázka času. Pri tečení materiálu v plášti Zeme sa čas počíta na desiatky, stovky miliónov rokov a tečenie je veľmi pomalé – niekoľko centimetrov za rok.
Konečne sopky
Sopky sú všade tam, kde pod povrch Zeme stúpa horúci materiál zvnútra Zeme. Takmer všetka sopečná činnosť je pre nás neviditeľná. Väčšina tepla je zvnútra Zeme vynášaná tečením s veľkými rozmermi – jeho typický rozmer je niekoľko tisíc kilometrov. Horúci materiál zúčastňujúci sa tohto tečenia vychádza na povrch na oceánskom dne, kde vytvára takzvané stredooceánske chrbty. Systém stredooceánskych chrbtov má celkovú dĺžku okolo 80-tisíc kilometrov.
Do veľkorozmerného tečenia v plášti Zeme sú primiešané aj tečenia lokálne – ich typický rozmer je okolo sto kilometrov. Prečo odvádzanie tepla zvnútra Zeme prebieha dvomi dosť odlišnými spôsobmi tečenia, dnes ešte celkom dobre nevieme. Lokálne tečenia sú zodpovedné za sopečnú činnosť, ktorú môžeme vidieť. Takéto tečenia zásobujú horúcim materiálom Island, Etnu, Kilaueu.
Prečo teda sopky chrlia oheň? Sopky nechrlia oheň, to len tak vyzerá. Vystreľujú z nich žeravé kamene, vyletuje popol, vyteká roztavená hornina, niekedy vyletí celá sopka. Prečo? Lebo stúpajúci horúci materiál zemského plášťa sa po ceste nestačí ochladiť. Zachováva si vysokú teplotu, pričom stúpa do vrstiev so stále nižším a nižším tlakom. V hĺbke 100 až 50 kilometrov je už tlak dostatočne nízky, aby sa materiál začal čiastočne (asi 20 percent z neho) taviť.
Táto roztavená časť je láva. Láve stojí v ceste tuhá, desať, dvadsať kilometrov hrubá vrstva zemskej kôry. Kým cez ňu nie je prerazený kanál, horúci materiál pod sopkou pribúda, tlak rastie, až kým nie je dostatočný na prerazenie kanálu. Tlak veľmi rýchlo narastie, keď cez nejakú puklinu k horúcemu materiálu natečie voda, ktorá sa okamžite premení na paru a kanál je prerazený veľmi búrlivo. Cez kanál vyteká láva, vyletujú kamene a popol, až kým sa tlak pod sopkou nezníži. Láva v kanáli stuhne, ten sa upchá a po čase sa všetko zopakuje. Takýto kolobeh trvá už vyše štyroch miliárd rokov a ešte niekoľko miliárd rokov potrvá. Až kým naša Zem celkom nevychladne.
Doc. RNDr. Ján Boďa, CSc.
Vyštudoval fyziku na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Na fakulte pôsobí ako docent v odbore geofyzika.
Venoval sa problematike konvekcie v zemskom jadre a plášti.
V posledných rokoch sa zaoberá aplikáciami fyzikálnych metód v ekonómii a vo financiách.
Jeho záľubami sú história, stolárstvo a lyžovanie.
