Odkrycie we wnętrzu Ziemi – również geologowie powinni zrozumieć, że i ich wiedza to wciąż tylko hipotezy / Piotr Kotlarz

0
113

Mam nadzieję, że Mariusz mi to wybaczy, prof. Mariusz Jasiński, bo jego nazwisko tu wspominam. Poznaliśmy się kilka lat temu, w „Balsamie”, to jeden z Pubów Gdańska, w którym podawane jest bardzo dobre czeskie piwo. Pierwsze nasze z Mariuszem rozmowy nie wskazywały na to, że z czasem zaczniemy się wzajemnie szanować. Ja, jestem historykiem, Mariusz fizykiem, specjalistą w dziedzinie plazmy. Długo spieraliśmy się na temat tego, czy historię można w ogóle uznać za naukę. Myślę, że udało mi się go przekonać. Wykazałem, że tak jak i w innych naukach posługujemy się pojęciem hipotezy, że odwołujemy się do źródeł, że tak jak i w innych naukach obowiązuje tu wprowadzona przez Karla Poppera falsyfikacja. Ponieważ zmierzam w kierunku historiozofii próbowałem też przekonać Mariusza, że i w historii obowiązują pewne prawa, które próbujemy rozpoznać. Prawa, które już poznaliśmy nie są ostateczne, tak zresztą jak i w fizyce, gdzie kolejne teorie również były obalane w wyniku kolejnych badań. Powtarzam, nie wiem, czy udało mi się przekonać Mariusza do tego, by uznał on historię za naukę. On, odnośnie do fizyki, w tym zakresie, przekonywać mnie nie musiał. Fizyka jest nauką. Piszę tu o naszych sporach, o naszym rozpoznawaniu się i o Mariuszu Jasińskim, jednak nie z powodu wspomnianego sporu. Ot, zwykłe kawiarniane rozmowy dwóch osób, wzajemne rozpoznawanie się. W trakcie naszych rozmów pojawiła się jednak z czasem kwestia plazmy. Dla mnie, historyka, początkowo czarna magia. Wiedziałem o niej co nieco, nie bardzo jednak pojmowałem jej istotę. Zacząłem czytać.

Plazma po raz pierwszy została zidentyfikowana przez Williama Crookesa, w jego eksperymentach z tzw. rurą Crookesa, w roku 1879. Jak można przeczytać w Wikipedii, plazma (ang. plasma z gr. πλάσμα plásma „rzecz uformowana, ulepiona, wymyślona” od πλάσσεινplássein ‘formować; modelować’) to zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane (jony i elektrony), to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna. Wciąż nie bardzo rozumiałem, aż do czasu, gdy uświadomiłem sobie, że powinienem ją pojmować raczej jako jeden ze stanów materii. Tę znamy w stanie stałym, ciekłym, gazowym, ale może ona istnieć również w stanie plazmy. Popularnie się mówi, że plazma to czwarty stan skupienia, choć ze względu na to, że ponad 99,9% materii we Wszechświecie znajduje się w stanie plazmy można zaryzykować opinię, że powinniśmy ją nazywać pierwszym stanem skupienia.

Spotkałem się też z innymi definicjami. Na przykład taką: plazma to gaz będący mieszaniną jonów, elektronów i (niekoniecznie) cząstek obojętnych. Plazma jest quasi-neutralna oraz siły elektromagnetyczne plazmy mają znaczący wpływ na ruch cząsteczek obdarzonych ładunkiem w plazmie. Definicję tę jednak szybko odrzuciłem. Pojęcie gazu używamy odnośnie do innego stanu skupienia [tu już bliższa jest Wikipedia, której autorzy używają określenia: przypominającej gaz]. Porównanie plazmy do gazu uznałem za bezzasadne. Pojęcie gazu odnosi się bowiem do już istniejących atomów, pierwiastków, natomiast plazma to stan materii wcześniejszy, przed atomowy. Do gazów zaliczamy np., wodór, hel, tlen, czy np. dwutlenek węgla. Gorąca plazma nie posiada w swej strukturze neutralnych atomów. Składa się wyłącznie z jąder atomów oraz elektronów. Osiąga ona temperaturę kilku do kilkuset milionów Kelwinów. Plazma wysokotemperaturowa jest bardzo trudna do utrzymania w warunkach ziemskich, gdyż stale emituję energię na zewnątrz. Przejście  materii ze stanu plazmy w stan gazowy, ciekły jest procesem wymagającym ogromnych temperatur i ciśnienia. Zrozumiałem, że to samo musi dotyczyć również przejścia tychże w kolejne stanów materii.

Prof. Mariusz Jasiński, o ile dobrze się zorientowałem, zajmuje się tzw. zimną plazmą. Najczęściej spotykana w warunkach ziemskich, osiąga maksymalną temperaturę dochodzącą do kilkudziesięciu tysięcy Kelwinów. Cząstkom zjonizowanym towarzyszą atomy, które są elektrycznie obojętne. Przykładem plazmy niskotemperaturowej jest płomień ogniska, świecy lub błyskawica. W swej formie bardzo przypomina gaz, ale jej cząstki są w większości zjonizowane. Ze względu na duże zjonizowanie materii, plazma wykazuje silne oddziaływanie z polem magnetycznym i elektrycznym. Plazma doskonale przewodzi prąd. Z tych mniej więcej powodów plazma na stałe zadomowiła się we współczesnej technologii. Poza badaniami wszechświata wykorzystywana jest też w nieco bardziej przyziemnych dziedzinach życia. Już na przełomie XIX i XX wieku wykorzystywano plazmę do generowania ozonu, tlenków azotu, a później do produkcji acetylenu. Dość powszechnym zastosowaniem były żarówki neonowe i lampy gazowe. Innym z zastosowań jest obecnie metalurgia — piece z łukiem plazmowym do wytopu aluminium oraz hartowanie metali w plazmie, a także precyzyjne wycinarki plazmowe wykorzystywane w obróbce skrawaniem to tylko niektóre z przykładów jej wdrożenia w przemyśle.

Mnie, jako historyka, historiozofa, plazma zainteresowała jednak z zupełnie innych powodów. I tu zresztą widzę wpływ prof. Mariusza Jasińskiego, który zmusił mnie w jakimś stopniu nawet do zainteresowania się ogólną i szczególną teorią względności Einsteina oraz zagadnieniami grawitacji. Czas spędzony w Pubie trzeba przecież jakoś wypełnić. Dzięki naszym rozmowom i późniejszym przemyśleniom zrozumiałem, że materia naszego układu (Układu Słonecznego) przed Wielkim Wybuchem znajdowała się w stanie plazmy. Jak możemy się dowiedzieć dziś ponad 99 procent materii we wszechświecie składa się z plazmy. Może jednak sprostuję nieco to twierdzenie, 99 procent materii we wszechświecie znajduje się [nie składa] w stanie plazmy. Precyzja języka w nauce jest rzeczą niezwykle ważną. Wszystko bowiem (również cała materia) jest w nieustannym ruchu, podlega nieustannym przemianom. Zrozumiałem więc, że niezależnie od tego, w jakim stanie była materia naszego układu (Układu Słonecznego) przed wspomnianym Wielkim Wybuchem, w pierwszej chwili po nim i później (czasu tego określić nie sposób) długo znajdowała się w stanie plazmy. Ogromna temperatura, ciśnienie, które towarzyszyło Wielkiemu Wybuchowi musiały bowiem spowodować rozpad wszelkich atomów do stanu plazmy. Dopiero z czasem (jak długim, tego znów nie jesteśmy w stanie określić) w wyniku działania sił grawitacji, poszczególne elektrony i jądra zaczęły się łączyć. Może w wyniku zderzeń.  Może było też tak, że w wyniku oddziaływania sił grawitacyjnych innych układów w Kosmosie zaczęły powstawać pewne mniej lub bardziej zagęszczone skupiska plazmy i dopiero w wyniku późniejszych zderzeń tych skupisk dochodziło do powstawania atomów. Uznałem jednak, że w pierwszym okresie zarówno Ziemia, jak i inne planety naszego układu, a także Słońce znajdowało się wyłącznie w stanie plazmy.

Zajmując się zagadnieniami z zakresu historiozofii musiałem przyjrzeć się początkom naszego gatunku, z czasem zainteresowałem się początkami naszej planety. Dostrzegłem, że na powstanie naszego gatunku i jego późniejszy rozwój znaczny wpływ wywarły wielkie kataklizmy, wulkanizm i upadki komet oraz asteroid. Podjąłem studia w tym kierunku i zauważyłem, jak bardzo w ostatnich latach wzrosła na wiedza na ten temat. Obecnie wzrasta ona niemal z dnia na dzień. W moich rozważaniach bardzo pomogły mi informacje na temat plazmy i zrozumienie procesów zmiany stanów materii.

Wcześniej uważano (tak można jeszcze dziś przeczytać w Wikipedii), że Ziemia oraz pozostałe planety Układu Słonecznego powstały 4,54 ± 0,05 mld lat temu z mgławicy słonecznej – obłoku gazu i pyłu, który podczas powstawania Słońca przekształcił się w dysk. [Dla jasności wywodu od razu dodam tu sprostowania zapisując je w nawiasach kwadratowych. Pierwsze sprostowanie: nie mgławicy słonecznej – obłoku gazu i pyłu, a plazmy]. Z owego dysku miały powstać wszystkie planety oraz planetoidy. [Drugie sprostowanie: z rozproszonej w granicach całego Układu Słonecznego plazmy] Najstarszy materiał znaleziony w Układzie Słonecznym powstał 4,5672 ± 0,0006 mld lat temu. [Trzecie sprostowanie: nie materiał, a najstarsze znaleziska w stanie stałym, atomowym] Wnioskuje się, że mniej więcej w tym samym czasie miało miejsce zjawisko akrecji, podczas którego powstawała Ziemia. [Moim zdaniem to data powstania skorupy Ziemi, do której powstania doszło w wyniku zderzenia się jej z innym obiektem na tej samej orbicie Theą. W pierwszym okresie w wyniku ogromnych temperatur skorupa ta była w stanie płynnym. Około 4,54 mld lat temu, podczas formowania się planety, Ziemia [skorupa Ziemi] stanowiła półpłynną, stopioną masę. Według obowiązujących teorii geologicznych w czasie powstawania Ziemi cięższe substancje opadały w kierunku środka, podczas gdy lżejsze materiały odpływały ku powierzchni. W efekcie jądro składa się głównie z żelaza i niklu. Inne cięższe pierwiastki, jak ołów i uran, występują zbyt rzadko, żeby przewidzieć ich dokładne rozmieszczenie oraz mają tendencję do tworzenia wiązań z lżejszymi pierwiastkami, pozostają zatem w płaszczu. [Według mojej hipotezy, wnętrze naszej planety pozostawało wciąż w stanie plazmy. Jej skorupa, powstała w wyniku zderzenia wynosiła początkowo ok. 4 km., dopiero z czasem zaczęła rosnąć w wyniku upadku na nią komet i asteroid. Z pasa asteroid między Marszem i Jowiszem. Asteroidy te spadały również na inne planety i np. Księżyc, powodując zmiany w ich skorupach oraz na Słońce]. Wnętrze Ziemi można podzielić ze względu na chemiczne lub mechaniczne (fizyczne) właściwości. Pod względem budowy chemicznej, planeta składa się z krzemianowej skorupy, bogatego w krzem, magnez i żelazo płaszcza oraz żelaznego jądra. [Uważam, że jądro Ziemi nie może stanowić żelazo, nie mogą się w nim również znajdować pierwiastki ciężkie, gdyż powstanie takich wymagałoby oddziaływania ogromnych sił, powstania ogromnych temperatur i ciśnienia].  Pod względem właściwości mechanicznych, wyróżnia się stałą litosferę, plastyczną astenosferę, stałą mezosferę, płynne jądro zewnętrzne i stałe jądro wewnętrzne. Badanie właściwości poszczególnych warstw odbywa się z użyciem pomiarów sejsmologicznych. W górnych rejonach skorupy ziemskiej możliwe jest pobieranie próbek geologicznych. Najgłębszym odwiertem na świecie jest SG-3, o głębokości 12 262 m. Temperatura środka planety może wynosić 4000–7000 K, a ciśnienie dochodzić do 360 GPa. Prawdopodobnie początkowo ciepło wewnętrzne Ziemi pochodziło głównie z kontrakcji grawitacyjnej, w okresie formowania się planety. Obecnie, najwięcej ciepła (45 do 90%) pochodzi z rozpadu radioaktywnego izotopów potasu (40K), uranu (238U) i toru (232Th). Czas połowicznego rozpadu tych pierwiastków wynosi, odpowiednio, 1,25 mld, 4 mld i 14 mld lat. Źródła ciepła upatruje się też częściowo w ochładzaniu się płaszcza, tarciu wewnętrznym wywołanym siłami pływowymi i zmianami w prędkości obrotu Ziemi[1].

Podawane w Wikipedii twierdzenia, to oczywiście w większości tylko przypuszczenia, niezweryfikowane dotąd hipotezy. Na takim etapie jest wciąż nasza wiedza, choć wydawałoby się, że ogromna. Myślę, że doskonałym porównaniem jej obecnego stanu z granicą możliwości naszego poznania może być porównanie głębokości do jakiej dotarły nasze odwierty skorupy Ziemi z jej całkowitym promieniem.

Przyjmując hipotezę opartą o aktualną wiedzę o stanie plazmy oraz o warunkach koniecznych do tego, by materia ze stanu plazmy przechodziła w inne stany, do tego by mogły powstawać kolejne pierwiastki potrzeba wielu czynników, zwłaszcza powstania ogromnych ciśnień i temperatur. Odnośnie do czasu powstania Ziemi uznałem za konieczne używanie zwrotu: powstanie skorupy Ziemi. To, moim zdaniem, bliższe prawdzie określenie. Czas w jakim Ziemia pozostawała w stanie plazmy jest nam nieznany. Zacząłem się też przyglądać asteroidom i zauważyłem, że ich obecny skład jest wynikiem kolejnych zderzeń (których świadectwem są istniejące na nich kratery), do których dochodziło w kolejnych miliardach lat. W tej sposób też doszło do powstania wielu pierwiastków znajdujących się w skorupie naszej planety (pisałem o tym w wielu artykułach w WOBEC). Dziś przeglądając jak co dzień portale Internetowe znalazłem potwierdzenie przyjmowanych wcześniej przeze mnie hipotez.

Wewnętrzna część jądra Ziemi prawdopodobnie nie jest cieczą, ani ciałem stałym. Badacze z Instytutu Geochemii Chińskiej Akademii Nauk (IGCAS) opracowali nowy model wnętrza naszej planety. Odkrycie całkowicie ich zaskoczyło i przyznali, że „to nienormalne”. Wykorzystali do tego celu zapis fal sejsmicznych podchodzących z trzęsień ziemi. Okazało się, że w wewnętrznej części jądra tworzy się tzw. stan superjonowy z wodorem, tlenem i węglem. To zupełnie nowy stan skupienia – obok ciała stałego, cieczy i gazu – ale z wyraźnymi różnicami. Dla przykładu, w wodzie superjonowej, która została niedawno wytworzona w laboratorium, ekstremalnie wysoka temperatura i ciśnienie rozbijają każdą cząsteczkę wody, pozostawiając jony tlenu w postaci stałej, podczas gdy jony wodorowe przypominają ciecz. Badacze zdawali sobie sprawę, że rdzeń wewnętrzny nie może być po prostu litym żelazem lub stopem żelaza, jak sądzono w latach 30. XX wieku, ze względu na jego strukturę. Niektórzy naukowcy sądzą nawet, że może istnieć drugie wewnętrzne jądro. Zapowiadają, że to nie koniec badań, aby rozwikłać zagadkę struktury, która ciągnie się na długości 1220 km i znajduje pod skorupą Ziemi – między grubym płaszczem i ciekłym jądrem wewnętrznym[2].

To znacznie bardziej prawdopodobna hipoteza od tej przytaczanej powyżej za Wikipedią. Rzeczywiście, w ciągu miliardów lat od powstania skorupy Ziemi, a może już w czasie tego pierwszego zderzenia, ale i późniejszych upadków asteroid i we wnętrzu naszej planety doszło do pewnych przemian stanu materii. Niemniej jednak, okazuje się, że najnowsze badania zmuszą nas do odrzucenia wielu wcześniejszych hipotez.

Kończąc ten materiał dyletanta, jeszcze raz dziękuję Mariuszowi, prof. Mariuszowi Jasińskiemu, za to, że zainteresował mnie plazmą i skłonił do rozmyślań nad zagadnieniami z dziedziny fizyki, ale i historiozofii. Dziękuję też pracownikom Pubu „Balsam” za wspaniały klimat i za to, że nie przeszkadzają im, czasami zbyt burzliwe nasze spory. Kończąc, chciałbym jeszcze wyjaśnić pełny tytuł tego artykułu. Otóż, promując kiedyś moją książkę „Kataklizmy, które zmieniały obraz Ziemi” spotkałem się z oceną moich znajomych, geologów, którzy napisali: Ja z Małgosią nie zgadamy się z Twoimi teoriami. Oczywiście nie teorie, ale hipotezy. To, że taką (hipotetyczną) jest wciąż nasza wiedza, dotyczy również geologii, a by ją poszerzać musimy ogarniać różne dziedziny nauki. Ich celem  jest bowiem to, by wciąż stawiać pytania i później nawet czasami myląc się w wielu kwestiach z powodu trudności zrozumienia wielu zagadnień, stawiać kolejne hipotezy. Samo tylko poszukiwania, stawianie pytań są cenne.

                                      Piotr Kotlarz

[1] Wikipedia: Hasło – Ziemia.

[2] Niezwykłe odkrycia we wnętrzu Ziemi. Nowe ustalenia badaczy. wp.pl 15.02.2022.

Obraz wyróżniający: Wewnętrzna struktura Ziemi. Z Wikimedia Commons, wolnego repozytorium multimediów.