A Hét 1982/1 (27. évfolyam, 1-26. szám)
1982-06-19 / 25. szám
is megegyezett abban, hogy a földgolyó legfontosabb alkotórésze az olivin — ez a vasból, magnéziumból, szilíciumból, és oxigénből, vagyis a leggyakoribb anyagokból álló vegyület. A laboratóriumi kísérletek bebizonyították, hogy nagy nyomáson az olivinban ugyanolyan sebességgel terjednek a szeizmikus hullámok, mint a köpeny felső részében. Azonban már a 400 kilométeres mélységnek megfelelő nyomáson az olivin szétesik. Azt jelenti-e ez, hogy a köpeny alsó része valamilyen más anyagból áll? Vagy lehetséges, hogy rendkívül magas nyomáson átalakulnak az anyagok? V. N. Lodocsnyikov, a leningrádi bányászati egyetem professzora még a harmincas években vetette fel azt a gondolatot, hogy az anyagok fizikai sajátosságainak megváltozó tttlANEfr eddig azonosított legnagyobb meteorit becsapódásának pillanatában keletkezett. MÉGIS VAS? Az a nyomás, amelyen a sztisovitot előállították — 145 ezer atmoszféra — a köpeny középső részében uralkodó nyomásnak felel meg, vagyis már ebben a rétegben is képződhetnek tömör oxidok, lejjebb pedig teljesen általános, gyakran előforduló anyaggá válhatnak. Sőt, elvileg a sztisovit sem képviseli a tömörség felső határát. A nyomás és a hőmérséklet növekedésével talán további átalakulások történhetnek az anyag belsejében. Olyan feltételezések is elhangzottak, hogy éppen az ilyen típusú átalakulásokkal magyarázható az anyag tulajdonságainak hirtelen megváltozása a mag és a köpeny határán. Fs a geofizikusok kezdték megemészteni Bolygónk szerkezetének földerítésére, leírására sokan tettek már kísérletet. A legújabb próbálkozó különös ötlettel állt elő. A liftként fel- és leutazó oxigén örök vándorlásával magyarázza a Föld mélyének jellegzetességeit. Kétmilliárd év múlva kiderülhet: igaz-e, amit feltételez... Minél sűrűbb, tömörebb az anyag, annál nagyobb sebességgel futnak át rajta a rezgéshullámok. Ez a felismerés segítette a geofizikusokat akkor, amikor megkísérelték föltérképezni a földgolyó belsejét, elhatárolni a mélységben a különböző sűrűségű rétegeket. A dolog 1909-ben kezdődött, ekkor sikerült ugyanis bizonyítani a tétel földtani érvényességét, és egy horvát kutató, Andrej Mohorovičič ekkor észlelte először, hogy az eljárással kimutathatók a réteghatárok is. Méréseivel bizonyította, hogy körülbelül 50 kilométeres mélységben hirtelen megváltozik a rezgéshullámok sebessége, így hát itt jelölhető ki a kéreg és a köpeny közötti határ — amelyet később róla is neveztek el. 1914-ben B. Gutenberg amerikai geofizikus azt tapasztalta, hogy 2900 kilométeres mélységben hirtelen ellustulnak a rezgéshullámok, mintha ott „lazább", kevésbé tömör rétegbe ütköznének. Ez pedig igazán hihetetlen lenne, hiszen a Föld belsejében hatalmas nyomás uralkodik, aligha képzelhető el ilyesmi. Hacsak nem folyékony ez az anyaghalmaz — hiszen a folyadék gyakorlatilag összenyomhatatlan. Bolygónk közepén tehát folyékony mag található! — hangzott a megalapozottnak tűnő feltételezés. Ezzel azonban még koránt sincs vége az ügynek. Kiderült ugyanis, hogy a hullámterjedési sebességek pontos értelmezése csak úgy lehetséges, ha feltételezzük: ez a folyékony mag is két zónából áll. A hipotézist egy dán geofizikus, Inga Lehman fogalmazta meg, megalkotva a „kettős földmag" elméletét, amely szerint a folyadék legbelső zónájában egy szuperkemény golyó lebeg. Azonnal elkezdődtek a viták is: vajon milyen anyagból áll ez a golyó? A legtöbben úgy gondolták: vasból van. Ezt a következtetést alátámasztotta a vasmeteoritok szerkezete és a vas koncentrációjának növekedése a Föld egyre mélyebb, tömörebb rétegeiben. A geokémikusok már korábban kiszámították, hogy Földünk anyagának egyharmada vas. Bolygónk átlagos sűrűsége — amelyet még Newton határozott meg — kereken a kétszerese a kéreg sűrűségének. Úgy vélték, a vasból álló mag pótolja a mutatkozó hiányt. De milyen anyagok társulnak a vashoz? SZTISOVIT ÉS TÁRSAI Ha a meteoritok összetételéből indulunk ki, föl kell tételezni, hogy a mag nikkelt is tartalmaz. De a nikkel nehezebb a vasnál, így ha a mag csak ebből a két elemből állna, tömörebb lenne a szeízmológusok kiszámított értékénél. Ezért könnyebb anyagot is „bele kellett keverni". Szilícium? Kén? Vég nélküli kísérletezés kezdődött a laboratóriumokban, hogy megtalálják a vas „legjobb" kísérő elemét. 1963-ban, egy nemzetközi geofizikai szimpóziumon szovjet tudósok külföldi kollégáiknak egy majdnem fekete, apró tűkből és lemezes kristályokból álló, „ismeretlen" ásványt mutattak be. Jelentéktelen kődarabnak tűnt, de úgy bántak vele, mintha gyémántból lett volna. Pedig csak kvarc volt: a közismert szilíciumdioxid. De ez a kvarc körülbelül kétszer olyan sűrű volt, mint közönséges változata. Sz. M. Sztisov és Sz. V. Popova állította elő a Szovjet Tudományos Akadémia nagynyomású fizikai laboratóriumában, kolosszális nyomáson, magas hőmérsékleten. A „sztisovitnak" elkeresztelt anyag új lehetőségeket jelentett a hipotézis továbbfejlesztésében. A szakemberek véleménye már korábban sát a Föld mélyében az atomok külső elektronburkának szétesése okozza. Később mások is kiszámították, lehetséges, hogy az atomok rendkívül nagy nyomáson elveszítik elektronjaik egy részét. A szilikátvegyületek (amelyek közé az olivin is tartozik) ilyenkor az anyagi állapot egy másik fázisába kerülnek. Ez nagyjából megfelel annak, mint amikor a grafit gyémánttá alakul. De a grafit a legtisztább szén. Fölépítése egyszerűbb a szakátokénál. Arra nézve nem álltak rendelkezésre adatok, hogy a bonyolultabb fölépítésű anyagok is átmehetnek ilyen metamorfózison. Az ötvenes évek közepén aztán új elmélet született. Lényege, hogy a bonyolult szilikátvegyületek — mint amilyen például az olivin is — magas nyomáson és hőmérsékleten egyszerű, de rendkívül tömör burkú oxidokra esnek szét: mondjuk magnézium-, sziliciumvagy vasoxidra. A számítások szerint például egy ilyen kvarckristály rácsszerkezetében egy szilíciumatomot nem négy oxigénatom vesz körül, mint a közönséges kvarc esetében. hanem hat. És valóban: a sztisovit olyan valódi kvarc, amelyben minden szilíciumatomhoz hat oxigénatom kapcsolódik. Újabb bizonyítékra leltek azok az amerikai kutatók, akik egy kráterben a sztisovittal egyező felépítésű kvarcra akadtak, amely az azt a gondolatot, hogy bolygónk belseje kizárólag szilíciumvegyületekböl áll, amelyek rendkívül tömör, fémes állapotban vannak. Ekkor azonban Szorohtyin szovjet geofizikus új ötlettel állt elő. Kiderült ugyanis, egzakt laboratóriumi mérések bizonyították, hogy a Föld középpontjának nyomás- és hőmérsékleti viszonyai között sem válik „szupertömörré" a kvarc. Másfajta mérésekből pedig az is kiderült, hogy az elmúlt földtörténeti korszakban megváltozott a köpeny felső részének szerkezete: kevesebb lett benne a vas. De hová tűnhetett? Föltételezhetjük természetesen, hogy azért merültek ki ezek a készletek, mert kiáramlottak a felszínre. De ebben az esetben ugyanilyen mértékben kellett volna csökkennie a szilícium és a magnézium mennyiségének is, erről pedig szó sincs. Ebben az esetben pedig csak egy dolog történhetett: a vas leereszkedett, közelebb a Föld középpontjához. Ugyanakkor az is nyilvánvaló volt, hogy a mag nem állhat vasból, még kevésbé vasból és nikkelből. Ezek az anyagok ugyanis túlságosan tömörek és nehezen olvadnak: ha a mag ezekből állna, közel tizenöt százalékkal nagyobb lenne a súlya, és nem lehetne folyékony. Ha azonban a vasnak volna valamilyen, a számításokba beleülő „útitársa"? Nos, akkor más lenne a helyzet! Az új elmélet megalkotója az oxigénben véli megtalálni ezt az anyagot. A vas könnyen enged az agresszív oxigénnek; a fém valamennyi atomja leköt egy oxigénatomot, néha még többet is. Azonban ez a kötés, mint kiderült, csak normális körülmények között tartós. Ha viszont két vasatomra csak egy oxigénatom jut, az oxid tömörsége fokozódik, és éppen akkora lesz, amely megfelel a mag számított sűrűségének. Ezzel meggyőző elméleti bizonyítást nyert, hogy a Föld középső magja vasoxidból áll. LÉGKÖR SZÜLETIK Az oxigén egy része pedig az egyik fázisból a másikba történő átmenet során felszabadul, fölfelé áramlik, újabb „áldozatot", többek között szabad vasat keresve. Aztán, miután egyesült a vassal, ismét útnak indul a Föld magja felé, majd miután újabb anyagmenynyiséggel gazdagította a Föld folyékony magját, a könnyű vegyietekkel együtt megint fölfelé áramlik. Mindez a Föld egészének fejlődésére vonatkozó izgalmas következtetések levonására is alkalmat ad. Századunk derekára a szakértők többsége egyetértésre jutott abban, hogy bolygónk légköre a köpenyből felszabaduló gázokból alakult ki. Kivéve az oxigént. Jelenlétét a légkörben mindenekelőtt a növények élettevékenységével magyarázzák. Ma is alapigazságnak tartják, hogy a főszerepet ebben az ősóceánokban tenyésző óriási tömegű és fantasztikus gyorsasággal szaporodó alga játszotta. A jelenlegi növényzet is évente több mint 100 milliárd tonna oxigént termel. Azonban a zöld tenger egész termelése elfogy az élőlények lélegzése, a szerves anyagok elbomlása, a vulkanikus gázok oxidálása, és a fémek korróziója során. Honnan származik akkor a levegőóceán órási oxigénmennyisége — nem több nem kevesebb, mint ezertrillió tonna gáz? Föltételezték, hogy a vízpárának a légkör felső rétegeiben végbemenő fotokémiai bomlásából. De ez a forrás túlságosan gyérnek bizonyult. Felvetődött az is, hogy korábban a növényzet talán több oxigént termelt, és abból kevesebb használódott el. Ez a föltevés azonban nehezen igazolható. Szorohtyin új, bőséges oxigénforrást fedezett föl — amely a Föld mélyéből buzog a felszín felé. A frissen kialakult bolygó belsejében kezdetben óriási mennyiségű oxigénre volt szükség á szabad vas oxidálásához. De a mag kialakulásával párhuzamosan, amikor ennek a fémnek a vegyületei, a nagy nyomás hatására átalakultak, a felszabaduló oxigén kezdett visszaáramlani a köpenybe. Nagy része ismét a vasat oxidálta — kisebb része pedig kiáramlott a légkörbe. A folyam annál bőségesebben ömlött, minél jobban növekedett a mag. Körülbelül egymilliárd évvel ezelőtt minőségi változásra került sor — akkorra oxidálódott teljes egészében a köpenyben található vas. Ettől fogva az oxigén, mint a Föld mélyében végbemenő átalakulások mellékterméke, valósággal ömleni kezdett kifelé, feltöltve az atmoszférát. Ezzel a ténnyel hozható összefüggésbe — véli Szorohtyin — a többsejtű szervezetek „váratlan" megjelenése. És milyen lesz a jövő? Nos, e gondolatmenet logikája szerint eljön az a pillanat, amikorra a bolygónk mélyében befejeződnek az oxidációs folyamatok, és az oxigén elárasztja a légkört — ami szükségképpen fölborítja a levegőóceán kényes egyensúlyát, az atmoszféra nyomása a többszörösére növekszik. Az élet jelenlegi formái ilyen körülmények között természetesen lehetetlenné válnak. Persze ezekre a változásokra csak kétmilliárd év múlva kerül sor. S csak abban az esetben, ha az elmélet igaznak bizonyul...
