Épp most is fém forr a lábad alatt. Nem átvitt értelemben – szó szerint. Több ezer kilométeres mélységben a hőmérséklet eléri a 6000 fokot. Forróbb, mint a Nap felszíne.
A Föld 4,5 milliárd éve létezik – és ez alatt az idő alatt a magja még mindig nem hűlt kővé. Miért? A válasz nem is olyan egyértelmű, mint amilyennek elsőre tűnik.
A Föld olyan, mint egy hagyma, csak rétegek helyett alapvetően eltérő halmazállapotú anyagokból áll. Kívül található a litoszféra, egy 80-tól néhány száz kilométerig terjedő vastagságú, szilárd kőzetből álló „héj”. Alatta a köpeny húzódik, amely majdnem háromezer kilométer vastag. A köpeny anyaga formálisan szilárd, de úgy áramlik, mint egy nagyon sűrű gyanta.
Tovább befelé a mag következik. A külső mag folyékony: vas és nikkel olvadéka, kén-, szilícium- és oxigénszennyeződésekkel. Kellős közepén pedig a belső mag található, egy szilárd vasgolyó. Nagyjából akkora, mint a Hold, csak éppen fehérizzásig hevült, és 3,5 millió atmoszféra nyomás préseli össze.
Ott, a középpontban körülbelül hatezer fok uralkodik. Forróbb, mint a Nap felszíne. Ez az egész izzó tömeg lassan adja le a hőt kifelé – összesen nagyjából 47 terawattot.
A 47 TW annak a folyamatos átlagos hőteljesítménynek a becsült értéke, amellyel a Föld a felszínén keresztül veszíti el a belső hőjét. Kolosszális szám.
Az egész emberiség évente körülbelül 18 TW-ot fogyaszt. És mi folyamatosan új erőműveket építünk, új energiaforrásokat fedezünk fel. De honnan veszi ezt a hatalmas energiát a Föld? És ha a hő folyamatosan távozik, akkor az energiamegmaradás törvénye alapján nem kellett volna már rengetegszer elhasználnia az egészet?
Atomreaktor felügyelő nélkül.
Az első és legfontosabb válasz a radioaktív bomlás. A Föld belsejében urán-238, urán-235, tórium-232 és kálium-40 atomok találhatók. Ezek maguktól, mindenféle emberi beavatkozás nélkül bomlanak, és minden egyes bomlás aprócska hőt bocsát ki. Ilyen atomokból trilliónyi trillió van. Összesített hozzájárulásuk mintegy 20 terawatt folyamatos teljesítmény.
A többi izotóp – a rubídium-87 és a szamárium-147 – együttesen kevesebb mint egy terawattot tesz ki.
Pontosan hol is összpontosul ez a „reaktor”? Túlnyomórészt a kontinentális kéregben. Ott a legmagasabb az urán, a tórium és a kálium koncentrációja. A maradék a köpenyre esik.
Ezt közvetlenül megmérni lehetetlen – a köpenyig még senki sem fúrt le, így minden modell csupán elméleti.
Létezik azonban egy trükkös módszer: a neutrínófizika. Az urán és a tórium bomlását antineutrínók kibocsátása kíséri – ezek olyan részecskék, amelyek egyenesen átrepülnek a Földön. A japán (KamLAND) és az olasz (Borexino) detektorok rögzítik ezt az áramlást, és megerősítik: az összesített radiogén teljesítmény valóban nagyjából 20 terawatt. Ez a talpad alatti reaktor „hőmérsékletének” közvetlen mérése.
De a 20 terawatt csupán a fele a „hőköltségvetésnek”. Honnan jön a maradék 27? Na, itt válik a fizika még érdekesebbé.
Négymilliárd éve tartó lassú hűlés.
4,5 milliárd évvel ezelőtt a Föld teljesen olvadt állapotban volt. A protoplanetáris testekkel való ütközések a bolygót a teljes megolvadásig hevítették, majd bekövetkezett a differenciálódás: a nehéz vas lesüllyedt a középpontba, a könnyű szilikátok pedig a felszínre úsztak. Ez a folyamat kolosszális mennyiségű gravitációs energiát szabadított fel – a bolygó még jobban felizzott. A Föld azóta is folyamatosan hűl. Csak éppen nagyon lassan.
A mag átlaghőmérséklete évmilliárdonként nagyjából 200 fokkal csökken. Ahhoz, hogy ezer fokot hűljön, öt-tízmilliárd évre van szükség.
Külön történet maga a belső mag. Nem azért szilárd, mert hidegebb lenne, mint a külső, hanem azért, mert a nyomás odabent olyan hatalmas, hogy a vas még 5000 K-en is kikristályosodik.
A kristályosodás során rejtett hő szabadul fel – ez ugyanaz a fizika, mint a víz fagyásakor, csak éppen gigantikus léptékben. Ráadásul a szilárd mag növekedésekor a könnyű szennyeződések „kiválasztódnak” a külső mag olvadékába, és a sűrűségkülönbség miatt konvekciót (áramlást) hoznak létre. A belső mag dermedés közben szó szerint „fűti” önmagát – ez egy fizikai paradoxon, amely mögött igencsak szigorú termodinamika áll.
És a köpeny sem hagyja, hogy a hő gyorsan elillanjon. A Földet a saját takarója fedi.
A köpeny, mint egy 2900 kilométeres termosz.
Az alsó köpeny ásványainak – a bridgmanitnak és a ferroperiklásznak – a hővezető képessége mindössze 8–9 W/(m·K) körül mozog. A réz hővezető képessége nagyjából 400 W/(m·K).
A köpeny 50-szer rosszabbul vezeti a hőt. Kétezer-ötszáz kilométernyi szilárd, lassan folyó szigetelőréteg fekszik az izzó mag és a hideg világűr között.
Ugyanakkor a köpenyben konvekció zajlik: a mag határánál lévő forró anyag veszít a sűrűségéből, felemelkedik, a litoszféránál lehűl, majd újra lesüllyed. Egy ilyen ciklus több tíz- vagy százmillió évig is eltart. Magán a mag és a köpeny határán létezik egy hajszálvékony termikus határréteg. Ez a Föld fő „hőfojtója”, az a szűk keresztmetszet, amelyen keresztül az energia a magból kifelé szivárog.
Ezen a határon keresztül 5-17 terawatt áramlik át a magból a köpenybe. A geodinamó működéséhez ez elegendő. A gyors hűléshez viszont nem.
És ez rendkívül fontos a földi élet szempontjából!
A folyékony külső mag egy bolygóméretű elektromos generátor. Az olvadék konvekciója és a Föld forgása arra kényszeríti a vezetőképes folyadékot, hogy bonyolult spirális pályákon mozogjon. A töltött részecskék mozgása mágneses teret generál. Ez maga a geodinamó – az a mechanizmus, amely évmilliárdok óta védi a bolygót a napszéltől.
A geodinamó megvéd minket a napszéltől és a kozmikus sugárzástól; nélküle a légkörünk úgy elillanhatna, mint a Marson. A napsugárzás pedig minden élőt elpusztítana a Földön.
Éppen ez a lassú hőveszteség az oka annak, hogy a Föld még mindig nem vált egy halott kődarabbá.
Miközben a tudósok a részleteken vitatkoznak, a mag továbbra is lassan hűl. Már csak az a kérdés, hogy mennyire lassan.
Amikor kialszik az utolsó tűz.
Nem egyhamar. A mag átlaghőmérséklete évmilliárdonként mintegy 120–200 kelvinnel csökken. Ezer fokos lehűléshez öt-tízmilliárd év kell. A teljes megszilárduláshoz pedig még több. Ez az időtartam az Univerzum jelenlegi korához mérhető.
Mielőtt a mag teljesen megszilárdulna, a geodinamó leállhat – abban az esetben, ha a folyékony külső magban a konvekció már nem lesz elég intenzív. A jelenlegi számítások szerint ennek valószínűsége a következő egymilliárd évben meglehetősen alacsony. Néhány milliárd év múlva viszont már reális forgatókönyvvé válik. Addigra azonban a Nap vörös óriássá kezd majd alakulni, így a Földnek lesznek ennél sokkal nagyobb problémái is.
A belső hő a szó hagyományos értelmében szinte egyáltalán nem befolyásolja az éghajlatot: a 47 terawattnyi geotermikus áramlás négyzetméterenként mindössze 0,09 wattot jelent a felszínen. A Nap ennél ezerszer többet ad.
A Föld nem egy passzív kődarab a világűrben, hanem egy önfenntartó hőmotorral rendelkező gépezet: a benne lévő radioaktív elemek adják az üzemanyagot, a hatalmas tömeg biztosítja a tehetetlenséget, a köpeny pedig szigetelésként szolgál.
Amikor legközelebb úgy érzed, hogy kicsúszik a lábad alól a talaj, ne ess pánikba. A Föld csak éppen lassan hűl. A tartalék még jó néhány milliárd évig kitart.
