הלב הרך של כדור הארץ

מפתיע כמה מעט אנחנו יודעים על מה שנמצא מתחת לרגלינו, בעומק כדור הארץ. במחשבה נוספת, אולי זה בכלל הגיוני: הרי אף אחד מעולם לא הצליח להחדיר חיישנים לעומק האדמה, לא כל שכן לבקר שם. את הרמזים לפענוח המבנה הפנימי של כוכב הלכת אוספים גיאולוגים וחוקרים אחרים מתוך מגוון של מקורות עקיפים. הסלעים שעל פני כדור הארץ ובשכבה החיצונית הקרירה והנגישה יותר, הנקראת "קרום", משמרים בתוכם מידע רב על התכונות וההרכב של המעטפת, השכבה שמתחת לקרום המהווה את עיקר הנפח של כדור הארץ. השכבות העמוקות עוד יותר, הגלעין החיצוני והפנימי, מסתוריות הרבה יותר, משום שאין להן ביטוי מוחשי על פני השטח, והמשוער על אודותיהן עדיין רב מהידוע.

על פי התיאוריה המקובלת כיום, גלעין כדור הארץ מורכב משתי שכבות שונות: שכבה חיצונית נוזלית ושכבה פנימית מוצקה. תיאוריה זו פותחה בעקבות מעקב אחר גלי האנרגיה (המכונים גלים סיסמיים) המתפשטים בתוך כדור הארץ לאחר רעידות אדמה. על פני כדור הארץ פועלות כיום למעלה מ-3,000 תחנות מדידה ייעודיות העוקבות אחר גלים סיסמיים, והמידע שהן אוספות מספק תמונה רחבה על המבנה הפנימי של כדור הארץ והתהליכים המתרחשים בו.

בעת רעידת אדמה נוצרים שלושה סוגים עיקריים של גלים: גלים ראשוניים, הנקראים גם גלי P; גלים שניוניים, הנקראים גם גלי S; וסוג שלישי של גלים הנקראים גלי שטח.

גלים ראשוניים (גלי P) הם הגלים המהירים ביותר, המסוגלים לנוע דרך חומר מוצק ונוזלי ונקלטים ראשונים בתחנות המדידה. הם נעים בצורה אורכית על ידי דחיפה של חלקיקים קדימה. חלקיקים אלה דוחפים בתורם את החלקיקים הנמצאים לפניהם ואז שבים ונעים אחורה אל מיקומם המקורי, במנגנון הזהה לתנועת גלי קול דרך האוויר.

הסוג השני הוא גלים שניוניים (גלי S), המסוגלים לנוע דרך סלע מוצק בלבד. גלים אלה מניעים את חלקיקי הסלע מעלה ומטה במהלך התקדמותם, באופן הדומה לתנועת גלי מים על פני הים.

סוג הגלים השלישי הוא גלי שטח, הנעים על פני כדור הארץ בלבד והם המקור לנזק שגורמות רעידות אדמה.

כיוון ההתקדמות של גלי האנרגיה, וכן עוצמתם, משתנים בהתאם לצפיפות ולאלסטיות של החומר שדרכו הם עוברים, בדומה לשבירה של גלי אור כאשר הם עוברים מהאוויר אל תוך מים. פנים כדור הארץ מורכב משכבות שונות, הנבדלות זו מזו בצפיפותן ובמצב הצבירה שלהן. כאשר גלים סיסמיים עוברים משכבה אחת לאחרת בתוך כדור הארץ, הם משנים את כיוונם ומהירותם, וממשיכים לנוע עד שהם פוגשים שוב בקרום כדור הארץ, שם הם נקלטים בתחנות המדידה. על ידי הצלבה בין המיקום והזמן שבהם נקלטו הגלים לבין מיקומו של מוקד רעידת האדמה, אפשר לחשב את המסלול שעברו הגלים דרך כדור הארץ ולקבל מידע על השכבות השונות המרכיבות אותו.

הגלים טובעים בנוזל

כבר בתחילת המאה הקודמת, הבחינו גיאולוגים שלאחר רעידות אדמה גלי S נקלטים בעיקר בתחנות הממוקמות ברדיוס של 11,000 עד 15,000 ק"מ סביב מוקד הרעידה, וכמעט אינם נמדדים כלל בצידו האחר של כדור הארץ. לעומת זאת, גלי P כן נקלטים בצד האחר של כדור הארץ, הנגדי למוקד הרעידה. מאחר שגלי S אינם מסוגלים לעבור תווך נוזלי, ואילו גלי P מסוגלים לעבור בו, נולדה התיאוריה שמרכז כדור הארץ עשוי סלע מותך. נוסף על כך, הבדלים במהירות גלי P שנקלטו בצד הנגדי למוקד הרעידה הצביעו על כך שבעת המעבר דרך הגלעין הנוזלי הם פוגשים במרכזו בשכבה נוספת, מוצקה, ומכאן שקיים ככל הנראה גוף פנימי מוצק בתוך הגלעין הנוזלי.

ההנחה היא שהגלעין עשוי מסגסוגת של 97 אחוז ברזל, 3 אחוזי ניקל וריכוז מזערי של כמה יסודות אחרים. הערכה זו מבוססת על יחסי השכיחויות של היסודות במערכת השמש, לצד הצפיפות המחושבת של כדור הארץ. כאשר מצליבים את הנתונים האלה, מגיעים למסקנה שהמעטפת אינה צפופה מספיק כדי להסביר את הצפיפות הגבוהה של כלל כדור הארץ, וכי הוא מכיל כנראה שיעור גבוה בהרבה של ברזל מכפי שקיים על פני השטח. אישוש נוסף לתיאוריה זו מתקבל מניסויי מעבדה המנסים לשחזר את התנאים בגלעין, ומן העובדה שלכדור הארץ יש שדה מגנטי, שהיווצרותו דורשת תנועה של נוזלים מוליכי חשמל כגון ברזל מותך.

לאחרונה הצליח צמד חוקרים מהאוניברסיטה הלאומית באוסטרליה למדוד באופן מדויק סוג חמקמק במיוחד של גל סיסמי, הנקרא גל J. אלה הם גלים איטיים וחלשים ביותר, העוברים דרך הגלעין הפנימי של כדור הארץ, ואוצרים מידע על מצבי הצבירה השונים של התווך שדרכו עברו. מדידות אלה מאששות כנראה באופן סופי את ההנחה שהגרעין הפנימי הוא מוצק, ומלמדות גם כי הוא רך יותר משחשבו עד כה.