כדור הארץ (כדו"א) שלנו הוא סלע ענק הסובב סביב השמש וסביב עצמו. אנחנו, שחיים על פני קליפת הכדור, רואים בעיקר את המתרחש סביבנו ביבשה ובים, ומעלינו בשמיים ובחלל. אבל תהיתם פעם מה קורה עמוק עמוק בתוך הכדור? מה יש בתוך הסלע הענק שהוא כדו"א, אלפי קילומטרים מהקליפה? האם ליבתו חלולה? האם אפשר לחיות שם? ומה הקשר בין ליבת כדו"א ומקוריהן של הציפורים? על כך ועוד בכתבה שלפניכם.

לפני כ 150 שנה ירד פרופסור אוטו לידנברוק עם אחיינו אקסל דרך פתחו של הר געש איסלנדי אל תוך מעבה האדמה. במסעם אל ליבת כדו"א, נתקלו הפרופסור ואחיינו בנהרות תת-קרקעיים, פטריות ענק ועצים מאובנים, בדינוזאורים ויצורים פרהיסטורים חיים ובהרפתקאות מרתקות אחרות. כך לפחות מספר לנו הסופר הצרפתי המהולל ז'ול וורן בספרו "מסע אל בטן האדמה". הרבה שלג ירד באיסלנד מאז, ואפילו התפרץ שם הר געש אחד לא מזמן שזרע מהומה במרחב האווירי של אירופה. ולמרות שרוב הרעיונות המתוארים בספרו של וורן הופרכו זה מכבר על ידי המדע המודרני, מרכז כדו"א נותר מושא לסרטים הוליוודים ולמחקרים ותובנות פנטסטיים למרות, ואולי בגלל, שהוא אתר כל כך עלום ונסתר מהעין האנושית. אז מהיכן מתחילים את המסע לתוך הגיאוספירה של כדו"א? נתחיל מההתחלה: איך כדו"א נולד?

התאוריה המודרנית המקובלת ביותר על המדע כיום, המבוססת בין השאר גם על תצפיות של מערכות כוכבים בהווצרות, גורסת כי כדו"א נוצר לפני כ 4.6 מיליארד שנים מתוך ענן חלקיקים קוסמיים ענק. החלקיקים בענן התנגשו אחד בשני כתוצאה מתנועה אקראית ויצרו חלקיקים גדולים יותר. אלו בתורם יצרו גופים הנקראים כוכבי לכת עובריים - "פלאנטיסימלים", שהלכו וגדלו עם הזמן, ועם גודלם גם כוח הכבידה שלהם התחזק. הפלאנטיסימלים משכו אליהם עוד ועוד חלקיקים וגופים אחרים, ובסידרת התנגשויות בינהם נוצרו כוכבי הלכת המוכרים לנו כיום. כדו"א כנראה נוצר מלא פחות מ 11 התנגשויות מאסיביות כאלו (ואינספור התנגשויות קטנות), שבאחת מהן אף נוצר הירח. התנגשויות אלו היו בעלות עוצמה ואנרגיה אדירות, והן גרמו להתכה של הסלעים וגושי המתכת שמהן היו עשויים הכוכבונים. כך נוצרה שכבה של סלע מותך שעטפה גרעין מתכתי קשה וצפוף במרכז הכוכב. עדויות להתנגשויות הקטנות יותר רואים בכל כוכבי מערכת השמש בין השאר בצורה של מכתשים רבים המנקדים את פני שטחם.

כמיליארד שנה אח"כ, כשמסת כדו"א עלתה ותדירות ההתנגשויות ירדה, פני השטח של כדוֹ"א התקררו מספיק כדי ליצור קרום העוטף את השכבה הסלעית המותכת. כך בעצם נוצר כוכב הלכת עליו אנחנו חיים כיום.

התרשים הבא מראה את החלוקה של הגיאוספירה לשכבות:
1 – קרום יבשתי 2 – קרום אוקייני

3 – מעטפת עליונה 4 – מעטפת תחתונה

5 – גלעין חיצוני 6 – גלעין פנימי

A – תחום אי הרציפות מוהורוביץ'

B – תחום אי הרציפות וייכרט גוטנברג

C – תחום אי הרציפות ג'פריס
תחומי אי הרציפות מציינים שכבות בהן יש שינוי חד בצפיפות או במצב הצבירה של התווך.

תמונה זו נוצרה בידי Dake ונלקחה מויקיפדיה

את אופי השכבות חקרו מדענים בין השאר באמצעות איפיון של לבה וסלעים מותכים הנפלטים מהרי געש, חקר ההרכב של מטאוריטים קדמונים, וחקר גלים סייסמיים: גלים של אנרגיה שנוצרים בעקבות רעידת אדמה או פיצוץ, שאופיים משתנה בהתאם לאופי (צפיפות, חום וכו') התווך שבו הם נעים - זוהי הטומוגרפיה הסייסמית. הבה נתחיל לחפור:

את הקרום היבשתי (1 בתמונה) אנו מכירים היטב. אנו צועדים עליו בדרכנו לביה"ס ולעבודה, בונים עליו את בתינו וחופרים בתוכו כדי להוציא ממנו נפט, גז ומאובנים. הוא אינו עשוי מקשה אחת אלא מחולק ללוחות ("לוחות טקטוניים"). עוביו 5-70 ק"מ והיסודות הנפוצים בו ביותר הם צורן וחמרן (סיליקון ואלומיניום). הקרום האוקייני (2) הוא ההמשך התת-מימי של הקרום היבשתי, דק יותר ממנו וגם פחות צפוף. הוא מכיל בעיקר צורן ומגנזיום. אם נחפור מספיק עמוק בקרום נגיע לבסוף למעטפת העליונה (3). המעטפת העליונה מוגדרת עד לעומק של כ 700 ק"מ ושורר בה חום שיכול להגיע עד כ 4,000 מעלות צלזיוס (סביר שדינוזאורים אין שם!). סלעי המעטפת העליונה מכילים יותר ברזל ומגנזיום אך גם צורן וחמרן. בחלק זה של המעטפת הלחץ מספיק נמוך והחום מספיק גבוה כדי שהסלעים המרכיבים אותה יתקיימו במצב צבירה נוזלי צמיג - זוהי אותה המגמה שאנו רואים נפלטת מראשיהם של הרי געש. מתחת למעטפת העליונה מצויה המעטפת התחתונה (4), עד לעומק של כ 2,900 ק"מ. בשכבה התחתונה של המעטפת הלחץ אדיר ולכן צמיגות הסלע המותך עולה משמעותית. אם היינו יכולים להמשיך ולהעמיק, היינו מגיעים לבסוף לחלק הכי מעניין והכי מיסתורי של המסע: גרעין כדו"א.

אין למדענים בעצם דרך לבחון ישירות את גרעין כדו"א, משום שלא כמו המעטפת, הגרעין אינו פולט תוכנו לאטמוספירה דרך הרי געש. לכן הדרך היחידה שבה מדענים אוספים אינפורמציה על הגרעין היא בעזרת גלים סייסמיים. בשיטה זו גילו המדענים שצפיפות הגרעין מתאימה לצפיפותן של מתכות כבדות כמו ברזל ניקל וקובלט. בשכבה החיצונית (5) של הגרעין החום מגיע עד לכ 6,000 מעלות צלזיוס, ולכן למרות הלחץ העצום שמפעילות כל השכבות שמעל, תערובת המתכות נשארת נוזלית. אך ככל שנעמיק בגרעין הלחץ הולך ועולה, עד שבשלב מסוים (בתחום אי הרציפות ג'פריס) הלחץ כל כך גבוה שהסגסוגת הופכת למוצקה למרות החום ומהווה את הגלעין הפנימי (6).

אבל הגלעין כל כך עמוק ורחוק מאיתנו, מדוע זה משנה אם הוא מוצק או נוזלי, אם הוא מברזל או מניקל, ואם חם שם או לא? ובכן, העניין בגרעין היה נשאר אקדמי גרידא, אלמלא תרומתו של הגרעין לאחת מתכונותיו החשובות והמדהימות ביותר של כדו"א: השדה המגנטי. השדה המגנטי של כדו"א נוצר מזרימת השכבה הנוזלית המתכתית של הגרעין סביב החלק המוצק. אנו מכירים את התופעה של יצירת שדה מגנטי עקב זרימה חשמלית - תנועה של אלקטרונים בחוט תיל יוצרת שדה מגנטי. מדענים הוכיחו כי תנועה סיבובית של חומר מוליך חשמל כמתכת נוזלית יוצרת זרימה חשמלית ובעקבותיה שדה מגנטי. אנרגיה לתנועה של החלק הנוזלי בגרעין מקורה בתהליך הקונבקציה (הסעה). זהו תהליך שבו יש תנועה של חומר זורם חם לאזור קר יותר. את כיוון הזרימה של החלק הנוזלי בגרעין מכתיב כיוון סיבוב כדו"א, וכך בעצם קובע את כיוון השדה המגנטי. כך קשורים בעצם מחזורי היום והלילה של כדו"א לשדה המגנטי שלו. מדענים משערים כי ציפורים חשות את השדה המגנטי של כדו"א בעזרת תאים מיוחדים שנמצאים במקורן, וכך הן יודעות לנווט צפונה או דרומה בהתאם לעונת השנה. מלבד ציפורים, חישה מגנטית התגלתה גם בחיידקים ובפטריות.

השדה המגנטי של כדו"א אינו קבוע למעשה, וכיוון הקטבים המגנטים של השדה מתהפך אחת לתקופה. הפעם האחרונה שהשדה המגני התהפך היתה לפני כ 780000 שנה. אז אם אתם יוצאים בקרוב לטיול עם מפה ומצפן, וודאו שאתם לוקחים אתכם גם עזרי ניווט אחרים כמו GPS...

ד"ר חיים חביב
המחלקה לכימיה ביולוגית

מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

24 תגובות

  • יתיר

    טעות במאמר

    הקרום האוקיאני צפוף יותר מהקרום היבשתי. אחרת לא היה מוצא עצמו מופחת לקרומים יבשתיים.

  • אנונימי

    מדליק ומוזר

  • רועי כהן

    עזרה

    איך מדענים גילו אודות אזור זה

  • ראובן

    ראובן

    אני חושב שבכתבה "המסע אל בטן האדמה" היה ראוי לציין ממצאים, עד לאן האדם הגיע בפועל בעומק האדמה, חקירות ועובדות אולי אפילו צילומים מתוך עומק האדמה ולא רק את הידע המאוד בסיסי של השכבות.

  • אורית סמוכיאן

    שכבות כדור הארץ

    שלום רב,
    רציתי לברר איפה ניתן לקבל פירוט מדויק לגבי שכבות כדור הארץ. כבר 3 שנים מנסה לאתר תוכנית שראיתי בטלויזיה שמספרת על התהליך ולא מצאתי אותה. בתוכנית סיפרו שברגע שחופרים לעומק בכדור הארץ
    70 מטר מתחת לפני האדמה קיימת שכבה של מכרה פחם ובתוכו עלים וצמחים שפעם היו יער חי(לאחר רעידת אדמה, היער הפך לאגם,הבוץ בלע הכל בפנים והפך לאבן עם השנים. משקל האבן לחץ את העצים כמו דפי ספר וסחט מהם את המים והמימן.
    חום מהליבה ומהחומר הנרקב בעצמו בישל את הצמחייה ונשאר רק פחמן.
    ככל שהשנים עברו הלחץ והחום הפכו את המאובן לפחם. 240 מטר תחת פני האדמה שכבה של אבן גיר . עם השנים המים חלחלו ויצרו כמו מערת הנטיפים מחומר קלציט. 300 מטר תחת פני האדמה סלע חצץ נכתש ונוצרו לוחות שמתחככים בניהם. 550 מטר תחת פני האדמה אירידיום.... אשמח אם תוכלו להפנות אותי למקום שיעזור לי למצוא דיוק של השכבות.

  • ד ש

    מה אם נשליך פצצה לתוך החור של Kola Superdeep Borehole

    אפילו פצצה גרעינית, או כל פצצה שיכולה לעשות מפץ גדול,
    לתוך אותם 12 ק"מ .
    1. מה החסרונות,
    כמה רעידות אדמה .צונאמי, בולענים יווצרו כתוצאה מכך? 2. לאחר שחפרו 12 ק"מ וגילו חום 180 מעלות, למה לא ניצלו את החום לייצר אנרגיה? 3. האם זו שיטה פרקטית לפתח את החור עמוק ועמוק יותר? בעזרת פצצות. 4. לכשנעבור את ה70 ק"מ, ונגיע לחום 4000 מעלות, נוכל לתעל את החום לאנרגיה ולשם אני חותר.
    כיצד פרקטית ניתן להפיק את החום הזה לאנרגיה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןביאנה

    תשובה לשאלתך - מצוות שאל את המומחה

    פיצוץ גרעיני תת קרקעי עלול לגרום לרעידות אדמה קטנות באתר הפיצוץ. מעבר לכך, אם הפיצוץ יהיה מספיק חזק הוא עלול לגרום לתזוזה של שברים גיאולוגיים, שתביא לפריקת מתח ורעידות אדמה חזקות אפילו באזורים מרוחקים מאתר הפיצוץ.
    ניצול חום מקידוחי העומק לא יהיה יעיל במיוחד. לרוב הקידוחים צרים מאוד (סביב מטר או פחות), ובמהלך הולכת החום מעומק השטח לפני הקרקע הסלע שסביב הקידוח כנראה יקלוט הרבה מהחום בחזרה. במקומות בהם קרום כדור הארץ דק יחסית יש אכן שימוש באנרגיה גיאותרמית (איסלנד למשל), אך בקידוח המדובר זה לא פרקטי.

  • אדי עדי

    סתם מעניין

    אם עד היום העומק המיירבי שבחפירות הוא 12 ק"מ איך יודעים מה קיים או לא קיים בעומק ומה שנאמר דרך פליטות של הרי געש איך יודעים מאיזה עומק ניפלט עד כמה שידוע לי אין דרך לעמוד על כך אשמח לישמוע על כיוון חשיבה

  • אברהם

    ואך כל זה מתחבר לדת ביהודים

    ואך כל זה מתחבר לדת ביהודים ולמי שאמר והיה עולם . אם תהיה תשובה מעניינת אשמח . ואם לא אז כל התאוריה הזאת לא שווה וחבל על הדיו שנשפך .

  • שרגע

    ההסבר להווצרות השדה המגנטי לא כה מדויק

    אפשר לסובב את המעטפת המוליכה חשמל כמה שרוצים, בלי הפעלת שדה מגנטי עליה, לא יזרום בה חשמל, לגבי הדוגמא עם חוט התיל-בחוט האלקטרונים (הפוטנציאל) נע ואילו כאן המעטפת עצמה זזה (כמו להזיז את החוט עצמו) והאמת שזו לא תנועת המעטפת אלא בחלקים הפנימיים יותר.
    הסבר: כתוצאה מפירוק רדיו אקטיבי בליבת הקור נפלטת קרינת בטא (אלקטרונים, אני מניח שיש לכם כתבה בנושא) ותנועתם גורמת לשדה מגנטי ושהחומרים המוליכים סובבים אותם הם יוצרים הגברה לשדה האלקטרומגנטי הראשוני (שהוא מורכב מאוד, כמובן שפליטת האלקטרונים אקראית ויש שדות בכל הכיוונים שהסתדרו בצורה מסוימת, וכעת כל אלקטרון שנפלט מסתדר כבר לפי השדה המושרה)
    אני שאלתי את מי שהגה את ההסבר המודרני לתופעה

  • דודו

    האם ליבה של כדור הארץ מתהפכת האם זה ככה באמת? או ש....

    שזה רק השכבות העליונות , כמו עור של חיות שמידי כמה שנים משילים את העור, ככה אולי כדור הארץ לעצמו זה משהו ביולוגי משהו חי ולכן הוא משיל את השכבות העליונות שלו, כאילו זה היה עור והעור של כדור הארץ הוא שכבה של כמה מאות מטרים אפשר להסתכל על זה ככה לא???

  • חביב

    תשובה

    שלום דודו,
    לא ברור לי לאילו שכבות עליונות אתה מתכוון. אם אתה מתכוון לקרום, אז כדור הארץ לא "משיל" את הקרום (שעוביו דרך אגב גדול מכמה מאות מטרים). הקרום אמנם משתנה בגלל שהוא עשוי מלוחות המתחככים אחד בשני, אבל אין תהליך של "השלה" של הקרום (כמו של נחשים). ולגבי הרעיון שכדו"א הוא משהו חי וביולוגי, ובכן, קשה מאוד להוכיח תאוריה כזו, משום שכדו"א אינו ממלא כמה מהדרישות של יצור חי (התרבות, תקשורת).
    מקווה שעניתי לך כראוי.

  • דודו

    באופן תיאורטי אפשר לקדוח מצד אחד של כדור הארץ לצידו השני?

    תחשבו על זה במקום לעשות עיקוף שלם ישר לקדוח ב-90 מעלות עם מקדחים ענקיים, כמו שקדחו מנהרות של 200 קילומטר דרך הרי האלפים כדי לחסוך את תנועת כל הרכב מסביב להרי האלפים. ודבר שני אם באופן תיאורטי כן היה אפשרי האם זה לא היה הורס את כדור הארץ??

  • חביב

    תשובה

    שלום דודו,
    קידוח כזה אפשרי כרגע רק בסרטי מדע בדיוני, שכן הטמפרטורה בתוך הליבה של כדו"א תמיס כל סוג של מתכת או סלע שישמשו לקידוח. גם אם נניח שנצליח לחפור מנהרה שכזו, הרי שהיא מיד תתרסק תחת הלחצים האדירים שבמעמקי הכוכב או תתמלא בסלע מותך. אם נצליח למנוע את זה (נגיד ע"י שימוש בחומר עמיד לטמפרטורות ולחצים אדירים שמצאנו בעולם אחר) אז אולי אפשר יהיה לתחזק מנהרה שכזו. אני לא חושב שהיא תהרוס את כדו"א...

  • גדעון

    חומו של כדור הארץ - שתי שאלות

    מהעובדה שאנחנו איננו חשים בחום רב נפלט תחת רגלינו, אני מסיק שקרום כדוה"א הוא מבודד תרמי מצויין. עם זאת, הרי חייב להתרחש איבוד חום כלשהו לחלל. שתי שאלות:
    1. מהו קצב ההתקררות של כדוה"א? (ואני מניח, אולי בטעות, שלא מתרחשים בליבה תהליכים פולטי חום.)
    2. אילו ליבת כדוה"א לא היתה חמה יותר מקליפתו, מה היה טווח הטמפרטורות על-פני השטח?

  • חיים חביב

    תשובה

    שאלות נהדרות, גדעון!
    ראשית, אתה צודק, קרום כדו"א הוא מבודד תרמי מצוין. עם זאת, בליבה כן מתרחשים תהליכים פולטי חום - איזוטופים רדיואקטיביים של תוריום, אשלגן ואורניום מתפרקים ופולטים אנרגיה (מדענים גילו גיאונוטרינו שנפלטים בתהליך ההתפרקות של האיזוטופים - ראה http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2011/07/17/kamland-geoneutrinos/). ישנם עוד מקורות חום לא ידועים (מלבד/בנוסף לחום שנותר בתהליך היצירה של כדו"א).
    קצב ההתקררות של כדו"א הוא איטי מאוד ומוערך בכ50 מליארדיות המעלה לשנה (Physics of the Earth and Planetary Interiors, Volume 22, Issue 2, p. 89-96.)
    לגבי טווח הטמפרטורות על פני השטח, ובכן הגורם שקובע יותר מכל את חום פני כדו"א היא השמש. תרומתם של המעטפת והגרעין לחומה של האטמוספירה היא זניחה יחסית לקרינת השמש. אעז ואנחש אם כך, שגם אם ליבת כדו"א לא היתה חמה יותר מקליפתו, בהנתן שאר הגורמים זהים, טווח הטמפרטורות לא היה שונה ממה שהוא בפועל. דרך אגב, מאדים הוא דוגמה מעניינת לשאלתך: אין לו מעטפת מותכת, וטווח הטמפ. על פניו מוכתב ע"י קרינת השמש. אני ממליץ לך לעיין בערך הבא: http://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_energy_budget
    כדי ללמוד על מאזן האנרגיה באטמוספירה.

  • רויטל

  • חיים חביב

    תשובה

    רויטל, ראשית אסביר שאנו יודעים על כך שהשדה המגנטי מתהפך לפעמים בגלל שאנו מוצאים סלעים וולקאניים מגנטיים שכיוון השדה המגנטי שלהם שונה מכיוון השדה המגנטי הנוכחי של כדו"א. השינוי בכיוון השדה המגנטי של כדו"א כנראה נגרם משינוי בכיוון הזרימה של החלק הנוזלי בגרעין הכדור. יש הטוענים שזוהי תכונה בסיסית של המערכת שיוצרת את השדה, ויש הטוענים שהשינוי נגרם ע"י גורמים חיצוניים כגון שקיעה של חתיכות מוצקות של קליפת כדו"א אל תוך הגרעין, או פגיעה של מטאורים. אני מקווה שעניתי לשאלתך, ואם לא אל תהססי לכתוב אלי!

  • תומר

    שאלה בקשר לליבות

    האם כאשר אחפור בכל כוכב לכת אגיע לגרעין רותח או שמא ישנם כוכבי לכת שהליבה שלהם אחידה כמבנה הכוכב מבחינת היסודות והטמפרטורה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה

    שאלה מצויינת.
    לגבי גרעינים, מן הסתם קשה למדענים לחקור גרעינים של כוכבים אחרים, אבל מהעדר שדה מגנטי של כוכבים מסוימים אפשר להסיק שסביר שהתוכן שלהם אחיד מבחינת מצב הצבירה. ישנן שיטות נוספות כמו גלי רדאר חזקים ביותר שמאפשרים הבחנה בשינויים במהירות סיבוב הכוכב לאורך זמן, שינוי שיכול להעיד על חוסר אחידות במצב הצבירה של הגרעין או המעטפת.

    חיים

  • Hagay

    Convection

    The energy source for generating the geomagnetic field is CONVECTION. Rotation is crucial for organizing the flow in a pattern that is efficient to magntic induction, but the motion is driven by thermo-chemical convection.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה

    תודה שהערת את תשומת ליבי לחוסר הדיוק. תיקנתי את הטעות.

    חיים

  • נועם

    מסמך כזה, עדיף שיכתב על ידי גיאולוג או גיאופיסיקאי

    כפי שלא הייתי רוצה שמתמטיקאי יכתוב על מבנה החלבון

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה

    האם יש לך הערה נקודתית על התוכן?