Na odległym półwyspie Kola w północno-zachodniej Rosji, pośród rdzewiejących ruin opuszczonej stacji naukowo-badawczej, znajduje się najgłębsza dziura na świecie. Obecnie przykryty i uszczelniony spawaną metalową płytą, Supergłęboki Otwór Kola, jak go nazwano, jest pozostałością po zapomnianym wyścigu z czasów Zimnej Wojny, którego celem nie były gwiazdy, lecz wnętrze Ziemi.
Zespół radzieckich naukowców rozpoczął wiercenia na Koli wiosną 1970 roku, mając na celu dotarcie tak daleko w głąb skorupy ziemskiej, jak tylko pozwalała na to ich technologia. Cztery lata wcześniej, zanim Rosjanie zaczęli drążyć w skorupie Koli, Stany Zjednoczone zrezygnowały z własnego programu głębokich wierceń: Projekt Mohole – próba przewiercenia się na kilka mil przez dno Pacyfiku i pobrania próbki leżącego pod nim płaszcza. Mohole nie osiągnął zamierzonego celu, osiągając głębokość zaledwie 601 stóp po pięciu latach wiercenia pod wodą o głębokości ponad 11 000 stóp.
Sowieci byli bardziej wytrwali. Ich prace na Koli trwały przez 24 lata – projekt przetrwał sam Związek Radziecki. Zanim wiercenie zakończyło się w 1994 roku, zespół trafił na warstwę 2,7-miliardowej skały, prawie miliard lat starszej niż łupek Vishnu u podstawy Wielkiego Kanionu. Temperatury na dnie otworu w Koli przekraczały 300 stopni Fahrenheita; skały były tak plastyczne, że otwór zaczął się zamykać, gdy tylko wycofano wiertło.
Podczas gdy badacze w Koli cierpliwie wiercili w dół, ich odpowiednicy w wyścigu kosmicznym wysyłali dziesiątki jednostek w niebo: aż na Księżyc, Marsa i dalej. Na początku lat 90-tych, kiedy prace w Kola zaczęły się przeciągać, sonda kosmiczna Voyager przekroczyła już orbitę Plutona. A głębokość otworu w Koli po 24 latach wiercenia? Około 7,6 mili – głębiej niż odwrócony Mount Everest i mniej więcej w połowie drogi do płaszcza, ale to wciąż niewielka odległość, biorąc pod uwagę średnicę Ziemi wynoszącą 7,918 mil. Gdyby Ziemia była wielkości jabłka, otwór w Koli nie przebiłby się nawet przez skórkę.
Wszystkie kopalnie na Ziemi, wszystkie tunele, jaskinie i przepaście, wszystkie morza i całe życie istnieją wewnątrz lub na wierzchu cienkiej skorupy skalnej naszej planety, która jest znacznie cieńsza, w porównaniu, niż skorupka jajka. Ogromne, głębokie wnętrze Ziemi – płaszcz i jądro – nigdy nie zostało bezpośrednio zbadane i prawdopodobnie nigdy nie zostanie zbadane. Wszystko, co wiemy o płaszczu, który zaczyna się około 15 mil pod powierzchnią, oraz o jądrze Ziemi, 1,800 mil pod nami, zostało uzyskane zdalnie.
Podczas gdy nasze zrozumienie reszty wszechświata rośnie niemal codziennie, wiedza o wewnętrznym funkcjonowaniu naszego własnego świata rozwija się znacznie wolniej. „Pójście w kosmos jest o wiele łatwiejsze niż zejście na podobną odległość” – mówi David Stevenson, geofizyk z California Institute of Technology. „Zejście z 5 kilometrów na 10 jest o wiele trudniejsze niż zejście od zera do 5”.
To, co naukowcy wiedzą, to fakt, że życie na powierzchni Ziemi jest głęboko dotknięte przez to, co dzieje się na niedostępnych głębokościach. Ciepło z wewnętrznego jądra Ziemi, które jest tak gorące, jak powierzchnia Słońca, uderza w zewnętrzne jądro stopionego żelaza i niklu, generując pole magnetyczne, które odchyla śmiertelne promieniowanie kosmiczne i słoneczne od planety. Aby zobaczyć, jak wyglądałaby Ziemia bez ochronnej tarczy magnetycznej, wystarczy spojrzeć na pozbawione życia powierzchnie światów z anemicznymi polami magnetycznymi, takich jak Mars i Wenus.
Architektura planety, która zapewnia Ziemi pole ochronne, jest szeroko rozumiana już od kilku dekad: stałe żelazne jądro wewnętrzne o rozmiarach Księżyca, otoczone grubym na 1400 mil jądrem zewnętrznym z płynnego żelaza i niklu, z 1800 milami stałego płaszcza powyżej, zwieńczonego skorupą powoli dryfujących płyt tektonicznych. Ale jeśli chodzi o sam środek planety, ten schemat jest bardzo niekompletny.
Aby zobaczyć, jak mogłaby wyglądać Ziemia bez swojej ochronnej tarczy magnetycznej, musimy tylko spojrzeć na pozbawioną życia powierzchnię świata takiego jak Wenus.
„W tej chwili istnieje problem z naszym zrozumieniem jądra Ziemi”, mówi Stevenson, „i jest to coś, co pojawiło się dopiero w ciągu ostatniego roku lub dwóch. Problem jest poważny. Nie rozumiemy, jak ziemskie pole magnetyczne utrzymywało się przez miliardy lat. Wiemy, że Ziemia miała pole magnetyczne przez większą część swojej historii. Nie wiemy, jak Ziemia to zrobiła. … Mamy mniej zrozumienia teraz niż myśleliśmy, że mamy dekadę temu, jak jądro Ziemi działało przez całą historię.”
Skromna propozycja
W ciepły letni poranek spotkałem się ze Stevensonem w jego biurze Caltech w Pasadenie. Był ubrany odpowiednio do pogody, w szorty, sandały i koszulę z krótkim rękawem. Rozmawialiśmy przez chwilę o tym, jak powierzchnie Marsa i innych planet, mimo że są oddalone o dziesiątki lub setki milionów mil, są o wiele bardziej dostępne niż jądro Ziemi.
„Oczywiście, wszechświat nad Ziemią jest w większości przezroczysty! Masz więc wspaniałą możliwość wykorzystania fotonów, aby opowiedzieć o reszcie wszechświata” – mówi. „Ale nie można tego zrobić wewnątrz Ziemi. Tak więc metody, które mamy do dyspozycji, aby zobaczyć wnętrze Ziemi, są w rzeczywistości dość ograniczone.”
Siedem lat temu Stevenson opublikował w czasopiśmie Nature pracę, w której przedstawił szalony plan obejścia niektórych z tych ograniczeń. Jego artykuł, „Misja do jądra Ziemi – skromna propozycja”, opisywał sposób wysłania małej sondy bezpośrednio do centrum Ziemi. Tytuł artykułu był ukłonem w stronę satyrycznego eseju Jonathana Swifta z 1729 roku, „Skromna propozycja”, który wyśmiewał surową brytyjską politykę w Irlandii, sugerując, by Irlandczycy złagodzili swoją biedę, sprzedając swoje dzieci jako mięso angielskiej szlachcie. Podobnie jak Swift, Stevenson nie przekonywał o faktycznej wykonalności swojego pomysłu; artykuł był eksperymentem myślowym, ćwiczeniem mającym na celu pokazanie dosłownie wstrząsającej skali wysiłku, jaki byłby potrzebny do przeprowadzenia sond w głąb planety.
Pierwszy krok w podróży Stevensona do środka Ziemi: Zdetonować broń termojądrową, aby wysadzić pęknięcie kilkaset metrów w głąb powierzchni Ziemi. Następnie należy wlać do szczeliny 110 000 ton stopionego żelaza. (Stevenson powiedział mi, że teraz uważa, iż 110 000 ton to zaniżona wartość. Z drugiej strony, eksplozja jądrowa może nie być konieczna – wystarczyłoby milion ton konwencjonalnych materiałów wybuchowych). Stopione żelazo, będąc około dwa razy gęstsze od otaczającego płaszcza, propagowałoby pęknięcie w dół, aż do jądra. Pęknięcie za opadającą bryłą żelaza szybko zamknęłoby się pod ciśnieniem otaczających skał, więc nie byłoby ryzyka, że pęknięcie rozprzestrzeni się katastrofalnie i rozerwie całą planetę. Wraz z opadającym żelazem niesiona byłaby żaroodporna sonda wielkości piłki nożnej. Stevenson oszacował, że roztopione żelazo i sonda będą poruszać się z prędkością około 10 mph i dotrą do jądra w ciągu tygodnia.
Sonda zarejestrowałaby dane na temat temperatury, ciśnienia i składu skały, przez którą przeszła. Ponieważ fale radiowe nie mogą przeniknąć przez litą skałę, sonda będzie drgać, przekazując dane w postaci serii maleńkich fal sejsmicznych. Niezwykle czuły sejsmometr na powierzchni Ziemi odbierałby te sygnały.
W zasięgu obecnej technologii jest zbudowanie sondy zdolnej przetrwać zanurzenie w roztopionym żelazie i zebrać dane, ale co z resztą planu? Czy jakaś wersja pomysłu Stevensona mogłaby zadziałać?
„Konkretny schemat, który zaproponowałem, jest prawdopodobnie niepraktyczny”, mówi mi, głównie z powodu ogromnych ilości roztopionego żelaza, które byłyby potrzebne. „Ale nie był fizycznie niedorzeczny. Inżynieryjnie może i był niedorzeczny, ale pod względem zasad fizycznych nie naruszałem żadnych praw fizyki. Pokazywałem, że w świecie nieograniczonym obawami o to, ile pieniędzy wydasz, możesz rozważać zrobienie tego, co opisałem.”
Proponowanie realistycznej misji nie było celem pracy, mówi Stevenson. Chciał on podkreślić ograniczenia tego, co można wiedzieć, konstruując teorie na temat wnętrza Ziemi z naszego miejsca na powierzchni planety. „Chciałem przypomnieć ludziom, że historia eksploracji planet mówi nam, jak ważne jest udanie się tam. Raz za razem, po dotarciu do planety dowiadujemy się rzeczy, których nie podejrzewaliśmy patrząc na nią z daleka. Bardzo mocno wierzę w ten aspekt nauki.
„Istnieje niebezpieczeństwo, że podzielimy nasze rozumienie jakiegoś aspektu wszechświata, mówiąc sobie: 'OK, wiemy, że nie możemy tam pojechać, więc zbudujemy tę misterną opowieść o tym, co tam jest, na podstawie zdalnych obserwacji'. I to właśnie robimy w przypadku Ziemi,” kontynuuje Stevenson. „Nie wiemy nawet, czy materiał bezpośrednio przylegający do jądra jest całkowicie stały czy częściowo stały. Nie znamy charakteru granicy jądro-mantle. Jest wiele pytań, na które można by precyzyjnie odpowiedzieć tylko udając się tam.”
Poszukiwanie centrum
Brak bezpośredniego dostępu do wszystkiego, co znajduje się kilka mil pod powierzchnią Ziemi, zmusza Stevensona i innych geofizyków do polegania na metodach pośrednich, przynajmniej na razie. Wykształcone zgadywanie – i nie tak wykształcone zgadywanie – ma w geologii długą historię. Podczas gdy Kepler, Galileusz i inni tworzyli podstawy nowoczesnej astronomii w XVII wieku, badanie Ziemi pozostało nauką średniowieczną, pogrążoną w mitach i fantastycznych wyobrażeniach.
Mapa opublikowana w 1664 r. przez jezuickiego uczonego Athanasiusa Kirchera przedstawia jamistą Ziemię usianą komorami – niektóre wypełnione powietrzem, inne wodą, a jeszcze inne ogniem. Piekło zajmowało płonące centrum Ziemi, czyściec leżał nieco dalej. Kanały płynące z płomieniami ogrzewały gorące źródła, karmiły wulkany i dręczyły potępionych. Niezależnie od swoich wad jako teoretyka, Kircher nie był uczonym w fotelu. Kiedyś kazał asystentowi opuścić go do aktywnego i dymiącego krateru Wezuwiusza, by mógł dokonać pomiarów temperatury.
Nawet najlepsi ówcześni astronomowie potykali się, gdy kierowali swoje uwagi ku Ziemi. W pracy opublikowanej w 1692 roku Edmond Halley, później znany z wyznaczania orbity swojej tytułowej komety, dowodził, że Ziemia jest w większości pusta, składająca się z trzech koncentrycznych powłok obracających się wokół jądra. Oszacował, że najbardziej zewnętrzna powłoka – ta, na której żyjemy – ma grubość 500 mil (Halley oparł swoje obliczenia na błędnym wyniku Isaaca Newtona dotyczącym względnych mas Księżyca i Ziemi, co doprowadziło Halleya do rażącego niedoszacowania masy Ziemi). Atmosfery świecącego gazu oddzielały powłoki, z których każda miała swoje własne bieguny magnetyczne. Halley wierzył, że wewnętrzne skorupy mogą być nawet zamieszkane i oświetlone przez podziemne słońca.
Szczegółowy obraz struktury Ziemi zaczął się wyłaniać dopiero po wynalezieniu sejsmografu rejestrującego czas w 1875 roku. Pierwszy sejsmograf w Ameryce Północnej został zainstalowany w Lick Observatory koło San Jose w Kalifornii pod koniec XIX wieku; zarejestrował on trzęsienie ziemi w San Francisco w 1906 roku. Na początku XX wieku, globalna sieć instrumentów pozwoliła badaczom rejestrować fale sejsmiczne, które przemieszczały się z jednej strony planety na drugą.
Trzęsienie ziemi wystarczająco silne, aby było odczuwalne, występuje gdzieś na świecie mniej więcej raz na 30 minut. Każde z nich uwalnia różnorodne fale sejsmiczne. Oprócz fal, które zniekształcają powierzchnię Ziemi i powodują tak wiele zniszczeń, trzęsienia ziemi wywołują dwa inne rodzaje energii sejsmicznej, które rykoszetują przez ciało całej planety. Fale pierwotne, lub fale P, ściskają warstwy skał lub cieczy, przez które przechodzą. Poruszają się one z prędkością ponad 16 000 stóp na sekundę przez granit. Fale wtórne, czyli fale S, rozrywają skały na strzępy podczas ich przechodzenia przez planetę, tworząc coś, co naukowcy nazywają siłami ścinającymi. Podróżując z prędkością około połowy prędkości fal P, są one drugim rodzajem fal docierających do sejsmografów, stąd ich nazwa.
Fale wtórne poruszają się tylko w ciałach stałych; siły ścinające nie istnieją w cieczach (ponieważ ciecze nie mogą być rozerwane). Prędkości i drogi obu rodzajów fal różnią się w zależności od gęstości i elastyczności materiałów, z którymi się stykają. Kiedy fale docierają do granicy pomiędzy regionami różniącymi się gęstością lub innymi właściwościami, są odchylane od swoich trajektorii. Analizując tego rodzaju dane z fal sejsmicznych, naukowcy mogą zidentyfikować skały i metale, które składają się na płaszcz i rdzeń Ziemi.
Do końca XX wieku większość naukowców wierzyła, że Ziemia ma płynne żelazne jądro. Dowody wydawały się jasne: mapy sejsmiczne wnętrza Ziemi ujawniły brak fal S w centrum Ziemi, przypuszczalnie dlatego, że fale uderzały w strefę ciekłą, przez którą nie mogły się przemieszczać. Badania sejsmiczne ujawniły również, że wszystkie trzęsienia ziemi tworzyły „strefę cienia” fal P na powierzchni Ziemi, gdzie fale pierwotne nie docierały do niektórych stacji sejsmicznych; położenie strefy cienia fal P różniło się w zależności od punktu pochodzenia trzęsienia ziemi. Aby wyjaśnić strefę cienia, naukowcy rozumowali, że przypuszczalne płynne jądro Ziemi odchyla fale P od ich oczekiwanych trajektorii, więc nie będą one rejestrowane we wszystkich stacjach sejsmograficznych. Pierwsza wskazówka, że Ziemia faktycznie posiada stałe żelazne jądro pod płynną warstwą pojawiła się w 1929 roku, po tym jak trzęsienie ziemi o magnitudzie 7,8 wstrząsnęło Nową Zelandią. Tak duże wstrząsy dostarczają wielu danych, a naukowcy z całego świata wertowali zapisy sejsmograficzne po trzęsieniu. Ale tylko jeden naukowiec zauważył coś niezwykłego. Inge Lehmann, duńska sejsmolog, skrupulatnie notowała aktywność sejsmiczną, w tym czas nadejścia fal P, w różnych stacjach sejsmograficznych. (Lehmann prowadziła swoje notatki na kartkach, które przechowywała w pustych pudełkach po płatkach owsianych.) Znalazła fale P w miejscach, które powinny być strefami cienia fal P. Gdyby jądro Ziemi było całkowicie płynne, fale P powinny być odchylone od stref cienia. W pracy opublikowanej w 1936 roku Lehmann dowodziła, że anomalne fale P musiały zostać odchylone od jakiejś gęstszej struktury wewnątrz płynnego jądra, wysyłając je na trajektorie do stref cienia. Lehmann doszła do wniosku, że Ziemia musi mieć stałe jądro wewnętrzne. Dopiero w 1970 roku instrumenty stały się wystarczająco czułe, by udowodnić ponad wszelką wątpliwość, że miała rację. Lehmann, która opublikowała swoją ostatnią pracę naukową w wieku 98 lat, zmarła w 1993 r. w wieku 104 lat.
Earth’s Burning, Churning Engine
Wraz z odkryciem natury wewnętrznego jądra, podstawowe składniki składu Ziemi – a nawet ewolucja planety od jej stopionych początków – były na swoim miejscu. A przynajmniej tak się wydawało do niedawna. Nowe badania odkryły wadę w naszym rozumieniu jądra – a konkretnie sposobu, w jaki energia cieplna przepływa z jądra przez leżący nad nim płaszcz. Problem ten rodzi ważne pytania o wiek wewnętrznego jądra oraz o to, jak Ziemia generuje swoje pole magnetyczne, zjawisko kluczowe dla istnienia życia.
Na podstawie datowania radioaktywnego starożytnych skał naukowcy szacują, że Ziemia uformowała się około 4,5 miliarda lat temu. Gdy stopiona proto-Ziemia stygła, jej najbardziej zewnętrzna warstwa stwardniała w cienką skorupę. Płaszcz Ziemi również zestalił się z czasem, choć nawet teraz temperatura w dolnej części płaszcza wynosi około 4000 F.
Wewnętrzne jądro, niegdyś całkowicie płynne, powoli zestala się od środka, zwiększając swoją średnicę o około pół milimetra rocznie, według niektórych szacunków. Temperatura topnienia żelaza jest wyższa przy wyższym ciśnieniu, a gdy planeta się ochłodziła, ekstremalne ciśnienie w samym centrum Ziemi ostatecznie uniemożliwiło dalsze istnienie żelaza w stanie ciekłym. Pomimo temperatur zbliżonych do słonecznych, wewnętrzne jądro zaczęło krzepnąć i od tego czasu rośnie. Pod nieco mniejszym ciśnieniem, zewnętrzne jądro – ocean żelaza i niklu o głębokości 1400 mil i temperaturze 8000 stopni – jest wciąż wystarczająco gorące, by być płynne. „Przepływałby przez twoje ręce jak woda” – mówi Bruce Buffett, geofizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.
Wszystkie warstwy Ziemi, od jądra po skorupę, są w ciągłym ruchu, spowodowanym przepływem ciepła. Ciepło przemieszcza się przez wnętrze Ziemi na dwa zasadniczo różne sposoby: konwekcję i przewodzenie. Konwekcja zachodzi, gdy ciepło z dołu wywołuje ruch w warstwach powyżej – ogrzany materiał unosi się, a następnie opada, stygnąc, by ponownie się ogrzać. Konwekcja jest tym, co gotuje się w garnku z wrzącą zupą. W głębi Ziemi powolna konwekcja minerałów skalnych w płaszczu i utrata ciepła z chłodzącego się stałego jądra wewnętrznego powodują konwekcję w płynnym jądrze zewnętrznym.
Ciepło również toruje sobie drogę przez Ziemię poprzez przewodzenie – przenoszenie energii cieplnej przez cząsteczki wewnątrz materiału z gorętszych obszarów do zimniejszych – nie powodując żadnego ruchu. Aby kontynuować przykład z zupą, ciepło jest przewodzone przez dno metalowego garnka. Metal w garnku nie porusza się; po prostu przekazuje, lub przewodzi, ciepło do zawartości garnka. To samo dzieje się we wnętrzu Ziemi: oprócz prądów konwekcyjnych przenoszących podgrzany materiał przez zewnętrzne jądro i płaszcz, ciepło jest przewodzone przez ciecze i ciała stałe bez ich wzburzania.
Badacze od wielu dziesięcioleci wiedzą, że powolne, konwekcyjne przemieszczanie się płynnego żelaza w zewnętrznym jądrze, wspomagane przez ruch obrotowy Ziemi, wytwarza pole magnetyczne planety. Kiedy stopione żelazo płynie, wytwarza prądy elektryczne, które generują lokalne pola magnetyczne. Pola te z kolei powodują powstawanie kolejnych prądów elektrycznych, co jest efektem samonapędzającego się cyklu zwanego geodynamo. Dowody pochodzące ze starożytnych skał ujawniają, że geodynamo Ziemi działa od co najmniej 3,5 miliarda lat. (Kiedy skały się formują, ich magnetyczne minerały ustawiają się w linii z polem ziemskim, a orientacja ta zostaje zachowana, gdy skały zastygają, dostarczając geofizykom zapisanej w kamieniu magnetycznej przeszłości planety.)
Ale tu pojawia się podstawowy problem z naszym rozumieniem geodynamo: Nie może ono działać w sposób, w jaki geofizycy od dawna wierzą. Dwa lata temu zespół naukowców z dwóch brytyjskich uniwersytetów odkrył, że płynne żelazo, w temperaturach i ciśnieniach występujących w jądrze zewnętrznym, przewodzi do płaszcza znacznie więcej ciepła niż ktokolwiek wcześniej sądził, że jest to możliwe. „Wcześniejsze szacunki były o wiele za niskie” – mówi Dario Alfè, geofizyk z University College London, który uczestniczył w nowych badaniach. „Przewodnictwo jest dwa lub trzy razy wyższe niż to, co ludzie wcześniej myśleli.”
Odkrycie jest kłopotliwe: Jeśli ciekłe żelazo przewodzi ciepło do płaszcza w tak wysokim tempie, w zewnętrznym jądrze nie pozostałoby wystarczająco dużo ciepła, aby poruszyć jego ocean ciekłego żelaza. Innymi słowy, w zewnętrznym jądrze nie byłoby napędzanej ciepłem konwekcji. Gdyby garnek z zupą tak skutecznie odprowadzał ciepło do otaczającego powietrza, konwekcja nigdy by się nie rozpoczęła, a zupa nigdy by się nie zagotowała. „To duży problem” – mówi Alfè – „ponieważ konwekcja jest tym, co napędza geodynamo. Nie mielibyśmy geodynama bez konwekcji.”
Alfè i jego koledzy użyli superkomputerów do przeprowadzenia „pierwszego zasadniczego” obliczenia przepływu ciepła w ciekłym żelazie w jądrze Ziemi. Mówiąc o pierwszych zasadach, mają na myśli, że rozwiązali zestaw skomplikowanych równań, które rządzą atomowymi stanami żelaza. Nie szacowali ani nie ekstrapolowali danych z eksperymentów laboratoryjnych – stosowali prawa fundamentalnej mechaniki kwantowej, aby określić właściwości żelaza w ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach. Brytyjscy naukowcy spędzili kilka lat na opracowywaniu technik matematycznych wykorzystywanych w tych równaniach; dopiero w ostatnich latach komputery stały się wystarczająco wydajne, aby je rozwiązać.
„To było ekscytujące i przerażające, ponieważ znaleźliśmy wartości, które bardzo różniły się od tych, których ludzie używali”, mówi Alfè o odkryciu. „Pierwszą rzeczą, o której myślisz, jest 'Nie chcę się mylić w tej kwestii'. „
Brak uderzeń, brak pola magnetycznego, brak życia?
Praca zyskała szeroką akceptację od czasu jej opublikowania w Nature dwa lata temu, zwłaszcza, że ich pierwsze obliczenia zasad mają teraz pewne wsparcie eksperymentalne. Zespół japońskich naukowców odkrył ostatnio, że małe próbki żelaza, poddane wysokim ciśnieniom w laboratorium, wykazywały te same właściwości przekazywania ciepła, które przewidział Alfè i jego koledzy. Stevenson, geofizyk z Caltech, twierdzi, że nowe wartości przewodnictwa ciekłego żelaza prawdopodobnie przetrwają próbę czasu. „Jest możliwe, że liczby te mogą się trochę zmniejszyć, ale byłbym zaskoczony widząc je aż do konwencjonalnej wartości,” mówi.
Jak więc nowe odkrycia mogą być pogodzone z niezaprzeczalnym istnieniem pola magnetycznego planety? Stevenson i inni badacze zaproponowali wcześniej drugi mechanizm oprócz przepływu ciepła, który mógłby wytworzyć wymaganą konwekcję w zewnętrznym jądrze. Uważa się, że jądro wewnętrzne, choć składa się prawie w całości z czystego żelaza, zawiera śladowe ilości lżejszych pierwiastków, głównie tlenu i krzemu. Badacze przypuszczają, że w miarę jak żelazo w jądrze wewnętrznym będzie się ochładzać i krzepnąć, niektóre z tych lekkich pierwiastków będą wyciskane, podobnie jak sól wyciskana z kryształów lodu, gdy woda morska zamarza. Te lekkie elementy uniosłyby się do płynnego jądra zewnętrznego, tworząc prądy konwekcyjne. Ta tak zwana konwekcja kompozycyjna byłaby kolejnym sposobem na zasilenie geodynamo.
Ale konwekcja kompozycyjna działałaby tylko wtedy, gdy wewnętrzne jądro już się uformowało. W czysto płynnym jądrze lekkie pierwiastki byłyby równomiernie rozłożone w cieczy, więc nie byłoby konwekcji kompozycyjnej. Opierając się na tym, jak szybko jądro Ziemi stygnie i krzepnie obecnie, można przypuszczać, że wewnętrzne jądro uformowało się stosunkowo niedawno, być może w ciągu ostatniego miliarda lat.
Wielka część energii uderzenia pierwotnych kolizji zostałaby zamieniona na ciepło, upłynniając wnętrze Ziemi.
Jak geodynamo zdołało funkcjonować przez co najmniej kilka miliardów lat, zanim powstało wewnętrzne jądro? „Problem jest tak naprawdę w przeszłości Ziemi”, a nie w teraźniejszości, mówi Alfè. „To właśnie tutaj pojawiają się nowe hipotezy. Niektórzy ludzie twierdzą, że może Ziemia była o wiele gorętsza w przeszłości.”
Jeśli młoda Ziemia zawierała więcej ciepła niż przewidują obecne teorie, mogło go zostać wystarczająco dużo, by zasilić wymaganą konwekcję, nawet biorąc pod uwagę nowe odkrycia dotyczące wyższego przewodnictwa ciekłego żelaza. Co mogło dostarczyć tego dodatkowego ciepła? Jedno z wiodących wyjaśnień przerosłoby wyobraźnię nawet najbardziej pomysłowych średniowiecznych twórców map: Pierwotne kolizje między młodą Ziemią a innymi protoplanetami wtłoczyły materiał płaszcza do jądra, dostarczając ciepła, które uruchomiło ziemskie geodynamo.
Pomysł, że ciało wielkości Marsa rozbiło się o Ziemię mniej więcej 4,5 miliarda lat temu, został po raz pierwszy zaproponowany w latach 70-tych, w próbie wyjaśnienia niesamowitego podobieństwa skał księżycowych do ziemskich. Skały księżycowe są pod tym względem wyjątkowe. Meteoryty, na przykład, mają profile chemiczne i pierwiastkowe, które oznaczają je jako wyraźnie inne niż ziemskie. „Ale skały z Księżyca i Ziemi wyglądają identycznie” – mówi Buffett.
Gdyby nie ten magazyn nadmiaru ciepła, ziemskie geodynamo mogłoby się nigdy nie rozpocząć. A bez ochronnego pola magnetycznego wokół planety, promieniowanie słoneczne pozbawiłoby Ziemię atmosfery i zbombardowało powierzchnię, co najwyraźniej było losem Marsa. Być może kilka pozornie różnych zjawisk miało zasadnicze znaczenie dla uczynienia Ziemi światem nadającym się do zamieszkania: powstanie Księżyca, planetarne pole magnetyczne, tektonika płyt i obecność wody. Bez kolizji, w wyniku której powstał Księżyc, nie byłoby wystarczająco dużo ciepła, by konwekcja mogła rozpocząć się w jądrze Ziemi i zasilić pole magnetyczne. Bez wody, skorupa ziemska mogłaby pozostać zbyt mocna, by zostać rozbitą na płyty tektoniczne; a bez tektonicznie pękniętej skorupy, zbyt wiele ciepła zostałoby uwięzione wewnątrz Ziemi. Bez Ziemi zdolnej do chłodzenia, nie byłoby konwekcji i przewodzenia.
„Czy te rzeczy są powiązane, czy są to tylko szczęśliwe zbiegi okoliczności?” pyta Buffett. „Nie wiemy tego na pewno. Te korespondencje są intrygujące. Możesz spojrzeć na Wenus: brak tektoniki płyt, brak wody, brak pola magnetycznego. Im bardziej się temu przyglądasz i myślisz o tym, tym bardziej wydaje Ci się, że to nie może być zbieg okoliczności. Myśl, że te wszystkie rzeczy mogą być ze sobą połączone, jest w pewnym sensie cudowna.”
Czy Ziemia jest zatem wyjątkowa? Czy życie wymaga czegoś więcej niż tlenu, wody i odpowiednich temperatur? Czy fortunne pierwotne zderzenie i księżyc są również konieczne, wraz z bulgoczącym płynnym jądrem? Jak powtarzalne mogą być okoliczności, które dały początek naszemu światu, z jego skorupą pokrytą błoną życia, osłoniętą przed wrogim kosmosem przez liczący 3,5 miliarda lat wewnętrzny silnik ciepła i żelaza?
„Wciąż nie jest jasne, jak niezwykły jest nasz Układ Słoneczny” – mówi Stevenson. „Z pewnością jasne jest, że planety są niezwykle powszechne – nie ma co do tego absolutnie żadnych wątpliwości. Ale powstawanie planet nie jest procesem deterministycznym. Jest to proces chaotyczny, który ma wiele różnych rezultatów. W samym tylko naszym Układzie Słonecznym istnieją uderzające różnice pomiędzy Ziemią a Wenus. Myślę, że to kwestia przypadku, jak gra się potoczyła, jak rzucono kostką.”
Odpowiedzi mogą nadejść, gdy dowiemy się więcej o rodzajach światów, które krążą wokół innych gwiazd, mówi Stevenson. Być może garstka z tych światów będzie przypominać nasz własny, a może tysiące. A może jeden z nich będzie miał mieszkańców żyjących na cienkiej, zmiennej skorupie, wiercących, monitorujących wstrząsy, budujących teorie, starających się zrozumieć, co leży pod nimi, i zastanawiających się, czy ich świat jest cudowny czy prozaiczny.