Strona głównaPytania → Dlaczego Ziemia jeszcze nie ostygła?

Dlaczego Ziemia jeszcze nie ostygła?

Pytanie

Pyta Mariusz

Dlaczego Ziemia jeszcze nie ostygła? Co jest źródłem ciepła wnętrza Ziemi?

Odpowiedź

Odpowiada Lech Krysiński

Głównym powodem tego, że Ziemia jeszcze nie ostygła jest to, że zasoby ciepła we wnętrzu Ziemi są gigantyczne w porównaniu z szybkością oddawania ciepła.

Jeśli przyjąć pewne typowe wartości ciepła właściwego materiałów skalnych (około 1200 J/(kg K), przy średniej gęstości 5.5 g/cm3), i że strumień oddawanego ciepła przez długi czas utrzymuje się na poziomie zbliżonym do obecnego (60 mW/m2), łatwo policzyć, że średnia temperatura wnętrza spadałaby zaledwie o około 130 K na miliard lat, przy temperaturze głębokiego wnętrza sięgającej wielu tysięcy stopni Kelwina. Temperatura wnętrza spada jednak znacznie wolniej, gdyż oszacowanie to nie uwzględnia dwóch ważnych faktów. Po pierwsze efektywne ciepło właściwe Ziemi jest wyższe niż ciepło właściwe materiałów skalnych w warunkach normalnych, za przyczyną wysokiej temperatury i ciśnienia we wnętrzu Ziemi oraz z powodu przemian fazowych, które towarzyszą stygnięciu silne wygrzanej materii. Drugi, znacznie ważniejszy, powód jest taki, że zasoby ciepła są permanentnie uzupełniane ciepłem powstającym w wyniku rozpadu długo-życiowych izotopów promieniotwórczych (Th232, U238, K40). Najciekawszym sposobem oszacowania, jaka jest obecnie całkowita produkcja ciepła izotopowego jest tzw. model chondrytyczny materii ziemskiej. Opiera się on na przypuszczeniu, że kategoria meteorytów zwanych chondrytycznymi (od chondul, czyli owalnych ziaren zakrzepniętego oliwinu, stanowiących główny składnik tych meteorytów, a nie występujących w skałach ziemskich) stanowi wzorcowy przykład pierwotnej materii skalnej układu słonecznego, z której powstała Ziemia i inne planety wewnętrzne. Materia tych meteorytów zakrzepła i ostygła około 4.5 miliarda lat temu, co dokumentuje wiek izotopowy ich minerałów i jest jedynie nieznacznie starsza od najstarszych ziaren mineralnych znajdowanych w skałach ziemskich (4.3 miliarda lat). Oliwiny i żelazo niklonośne meteorytów chondrytycznych są podstawą najmocniejszego modelu składu mineralnego wnętrza Ziemi (płaszcza i jądra odpowiednio). Idąc za tym tak owocnym modelem, można przyjąć, że Ziemia ma obecnie taką samą produkcję ciepła izotopowego, jaką mają obecne meteoryty chondrytyczne. Porównując tak oszacowaną produkcję ciepła izotopowego we wnętrzu Ziemi z ciepłem jakie promieniuje permanentnie jej powierzchnia, okazuje się, że ciepło izotopowe to aż 2/3 całej oddawanej energii. Cała reszta, czyli 1/3 odpowiadałaby powolnemu stygnięciu wnętrza (w tempie kilkudziesięciu stopni na miliard lat), czyli traceniu tzw. ciepła pierwotnego, pochodzącego z dawnych, gorących czasów stygnięcia materii układu słonecznego i powstawania planet.

Gdy zastanawiamy się, dlaczego Ziemia jeszcze nie ostygła, dotykamy jeszcze jednego bardzo ciekawego problemu. Otóż strumień ciepła oddawanego przez Ziemię jest istotnie bardzo duży, jeśli by go porównywać z mniejszym o kilka rzędów wielkości strumieniem, jaki by miała skalna kula wielkości Ziemi, po kilku miliardach lat od zakrzepnięcia oliwinowego płaszcza, jeśli kula ta stygłaby wyłącznie dyfuzyjnie (tj. w wyniku przewodnictwa). Powodem permanentnego utrzymywania się wysokiego strumienia ciepła jest stałe odnawianie gorącej skorupy oceanicznej w wyniku procesu konwekcji płaszczowej. Skorupa kontynentalna zachowuje się natomiast inaczej, bo zawiera ona znaczną część całego zasobu izotopów generujących ciepło. W tym wypadku ciepło izotopowe powstaje płytko i jest oddawane na zewnątrz, jednocześnie istotnie ograniczając stygnięcie płaszcza pod kontynentami.