Ziemia i jej dzieje (1955)

Tekst napisany dla kalendarza „Iskier”.

Wstęp

Z części o Wszechświecie znamy historię narodzin Ziemi, wiemy, że jest ona jedną z planet wokół Słońca. Obecnie zajmować się będziemy naszym globem bliżej – dowiemy się jak duża jest Ziemia, z czego i w jaki sposób jest zbudowana, dokąd sięga otaczająca ją atmosfera, jakie przechodziła przeobrażenia zanim przybrała oblicze dziś nam znane. Piszemy o tym dlatego, by Ziemia, która jest przecież wspólnym domem wszystkich ludzi, z którą nierozdzielnie związane są nasze losy i z którą razem krążymy w nieskończonych przestrzeniach Wszechświata, stała się nam bardziej znana i bliższa.

Kształt i wymiary Ziemi

Nie od razu wiedzieli ludzie jak wielka jest Ziemia, a nawet jaki ma kształt. Panowały w tej dziedzinie różne poglądy i wyobrażenia oparte bardziej na wierzeniach religijnych niż naukowych dociekaniach. W starożytności – parę tysięcy lat temu – sądzono, że Ziemia jest płaską tarczą, nad którą umieszczone jest „niebo”, będące stałym sklepieniem, do którego przyczepione są gwiazdy. Zarówno Ziemię jak i „niebo”, ze wszystkich stron otaczać miało morze przeciekające przez otwory w sklepieniu w postaci deszczu. Sama Ziemia, według wyobrażeń starożytnych miała spoczywać na słupach, lub – co dziwniejsze – na grzbietach olbrzymich słoni czy żółwi. Na czym jednak miały stać te słupy czy słonie, wytłumaczyć nie potrafili. Naiwne i śmieszne wydają nam się dzisiaj te poglądy, ale pamiętajmy, że pochodzą z czasów, gdy nauka nie stała jeszcze na wysokim poziomie. Stopniowo jednak, w miarę rozwoju wiedzy, przeprowadzając badania i pomiary dochodzili ludzie, krok za krokiem do poznania właściwego wyglądu Ziemi.

Jednym z pierwszych, który przypuszczał, że Ziemia jest kulą był grecki filozof Pitagoras. Nie obliczył on jednak jak wielka jest ta kula. Dokonał tego dopiero w III w. przed n.e. również Grek Eratostenes, astronom zamieszkujący w Aleksandrii. Mierząc kąt padania promieni Słońca w Aleksandrii i w Syene (dzisiejszy Assuan) oraz znając odległość tych dwóch miejscowości obliczył, że obwód kuli ziemskiej wynosi 46 139 km, a więc jej promień 7 343,2 km. Zobaczymy później, że uzyskane wyniki były bardzo dokładne jak na prymitywne metody pomiarowe, które stosował Eratostenes. Kolumb, wybierając się w swoją słynną podróż dookoła świata, był przekonany o kulistości Ziemi – lecz uważał ją za dużo mniejszą niż była w rzeczywistości. Dlatego też odkrytą przez siebie Amerykę wziął za Indie, (do których płynął okrężną drogą), choć znajdowały się one tysiąc kilometrów dalej. Widocznie nie znał pomiarów Eratostenesa lub uważał je za błędne.

W ogóle piękne pomiary i wyobrażenia starożytnych mędrców o kształcie i wielkości Ziemi poszły w zapomnienie w czasach średniowiecza. Nasz wielki rodak Mikołaj Kopernik w swym dziele „O obrotach sfer niebieskich” musiał ponownie przekonywać, że Ziemia jest kulą, za dowód podając cień Ziemi, jaki można obserwować na tarczy Księżyca w czasie zaćmienia, który ma kształt „prawidłowego łuku koła”. Znano też inne fakty dowodzące kulistości Ziemi – np. obserwując wynurzający się spoza horyzontu statek, najpierw widzimy jego maszt a potem dopiero kadłub, lub ten, że kiedy jedziemy na północ, gwiazdozbiory znajdujące się w południowej części nieba, stają się niewidoczne.

W XVII w. następuje przewrót w pomiarach naszego globu spowodowany rozwojem geodezji – nauki zajmującej się mierzeniem Ziemi. Mianowicie, zaczęto stosować metodę pomiaru opartą na tzw. triangulacji. Polega ona na mierzeniu (precyzyjnym przyrządem teodolitem) kątów między bokami trójkątów, które wyznacza się w terenie przy pomocy tzw. wież triangulacyjnych znanych wszystkim z widzenia. Rozpoczęto pomiary Ziemi w różnych kierunkach na olbrzymich przestrzeniach, miały one charakter międzynarodowych. Nie była to sprawa łatwa – ekspedycje musiały pokonywać wiele trudności – raz walczyć z silnymi mrozami w czasie pomiarów na północy, to znów z upałami dżungli podzwrotnikowych. A wyniki pomiarów były bardzo ciekawe. Stwierdzono bowiem (co zresztą przewidywali niektórzy uczeni), że Ziemia nie jest idealną kulą, ale jak gdyby kulą spłaszczoną na biegunach, tak że średnice jej nie są równe. Pomiary wykazały, że średnica wzdłuż biegunów jest o 42 km krótsza od średnicy na równiku. Ziemia posiada więc kształt nie kuli, a tzw. elipsoidy. Poniżej podajemy rozmiary elipsoidy ziemskiej przyjęte za międzynarodowe:

  • obwód równika: 40 076,594 km
  • połowa wielkiej osi a = 6378,388 km
  • połowa małej osi b = 6356,912 km
  • średni promień: 6371,2 km
  • powierzchnia elipsoidy ziemskiej: 510 milionów km2
  • objętość: 1 083 320 milionów km3

Studiując te liczby, możemy zadać sobie pytanie – czy Ziemia jest duża? Otóż odpowiedź brzmi: i tak i nie. W stosunku do Słońca jest małą kruszynką 1.300.00 razy od niego mniejszą. Dla człowieka natomiast jest bardzo duża. Gdyby chciał ktoś np. obejść turystycznie Ziemię wzdłuż równika, musiałby na to poświęcić parę lat. Żeby wyobrazić sobie wielkość objętości Ziemi można podać następujący przykład. – Na świecie żyje około 2 miliardów ludzi. Jeśli chcielibyśmy wszystkich umieścić jak sardynki w „pudełku” (lecz wygodniej niż to bywa nieraz na meczach sportowych) , to musiałoby ono być „kostką” o boku długości 1 km. Otóż takich kostek mieści się wewnątrz Ziemi przeszło bilion. Zatem bilion razy więcej wszystkich ludzi żyjących na Ziemi mogłoby się pomieścić w jej wnętrzu. Obszerna jest nasza Ziemia – cóż znaczy wobec niej największa hala sportowa.

Jako ciekawe uzupełnienie tego rozdziału podamy, że masa Ziemi wynosi 6 * 1021 ton (szóstka z dwudziestoma jednym zerami).

Wnętrze Ziemi

Wiemy już jak wielka jest Ziemia, z kolei należałoby się dowiedzieć jak jest zbudowana, co kryje się w jej wnętrzu. Niestety tutaj Ziemia jest bardziej tajemnicza – nie daje tak łatwo zajrzeć sobie do środka, jak dała się zmierzyć. Potrafimy co prawda wdrążać się w głąb Ziemi. Największe wiercenia przekraczają nawet 6 km (kopalnie osiągają głębokość około 2 km), lecz pomimo, że wielkości te mogą nam imponować – są one znikome w porównaniu z promieniem ziemskim, stanowią zaledwie jego tysięczną część.

Człowiek jednak w poszukiwaniu prawdy nie cofa się przed żadnymi trudnościami. Przecież lekarz choremu nie może zajrzeć do płuc, a mimo to przy pomocy promieni Roentgena dokładnie je bada. Czy nie można by jakimiś podobnymi promieniami prześwietlić Ziemię? Okazało się, że są takie promienie – nazwano je falami sejsmicznymi. Są to po prostu rozchodzące się w całej kuli ziemskiej drgania wywołane przez trzęsienie Ziemi, a rejestrowane dokładnie przez bardzo czułe przyrządy zwane sejsmografami. Paradoksem może się wydawać, że trzęsienia Ziemi przynoszące często zniszczenia i kataklizmy, pomagają z drugiej strony uczonym w ich naukowych badaniach. Wielu ludzi sądzi, że trzęsienia Ziemi są rzadkością – otóż jest odwrotnie. Przeciętnie w ciągu roku Ziemia doznaje parę tysięcy wstrząsów – na godzinę przypada ich około 11. Naturalnie tylko nieliczne z nich powodują większe szkody, inne przechodzą niezauważone przez ludzi.

Wywołane przez takie wstrząsy fale sejsmiczne rozchodzą się wewnątrz Ziemi i tam natrafiają na różne warstwy, odbijają się od nich, lub załamują, by znów wrócić na powierzchnię Ziemi. W specjalnych obserwatoriach, zwanych stacjami sejsmicznymi, rozsianymi po całym świecie, głęboko pod ziemią stoją sejsmografy, bez przerwy dzień i noc „nadsłuchując” wszelkich drgań Ziemi, by natychmiast zarejestrować je na taśmie, w postaci wykresu. Z tych zarejestrowanych wstrząsów dowiadujemy się: jaką drogę odbyła w Ziemi fala sejsmiczna, na jakiej głębokości zmieniła swój kierunek, odbijając się od warstwy, którą w ten sposób nam odkrywa. Na podstawie danych otrzymanych z wielu takich wykresów, możemy następująco przedstawić budowę warstw Ziemi:

Do głębokości 60 km otacza Ziemię – skorupa złożona ze skał podobnych do tych, jakie widujemy na powierzchni. Składa się ona z dwóch warstw: granitowej i bazaltowej. Od 60-1600 km mamy tak zwany płaszcz perydotytowy, następnie warstwę pośrednią składającą się z dwóch podwarstw: krzemianowej 1600-2300 km i żelazo-niklowej 2300-3000 km. Środkową część Ziemi wypełnia płynne rozżarzone jądro metaliczne o średnicy 3370 km.

Widzimy więc, że wnętrze Ziemi nie jest jednolite, lecz składa się z 5 warstw o różnych własnościach fizyczno-chemicznych.

Stwierdzono, że w miarę obniżania się w głąb Ziemi temperatura wzrasta o 1°C na każde 33 m. Można wobec tego obliczyć, że na dnie najgłębszego otworu wiertniczego, temperatura wynosi 180°C. Ten właśnie, postępujący z głębokością wzrost temperatury jest przyczyną, że kopalnie nie mogą być za głębokie, gdyż w temperaturze wyższej niż 40°C górnicy nie mogliby pracować. Nie należy jednak sądzić, że taki wzrost temperatury zachodzi aż do środka Ziemi. Gdyby tak było, musiałaby tam panować temperatura około 200.000°C, co jest zupełnie nieprawdopodobne. Według ostatnich badań przyjmuje się, że w środku Ziemi temperatura wynosi ok. 5.000°C, a więc nie jest wiele mniejsza od tej, jaką posiadała na początku swego istnienia.

Atmosfera Ziemi

Całą kulę ziemską otula gęsta powłoka gazowa, składająca się głównie z azotu (78%) i tlenu (21%). Z powodu tej wyjątkowo wielkiej, w przeciwieństwie do pozostałych planet, ilości tlenu zawartej w atmosferze Ziemi, mogło się na niej rozwinąć tak bujne życie organiczne. Nie tylko to zawdzięczamy atmosferze. Pochłaniając część promieni słonecznych, chroni ona przed nadmiernym nagrzewaniem się kuli ziemskiej w ciągu dnia oraz przed szybkim ostyganiem w nocy. Wiemy przecież, że poza atmosferą, która sięga do wysokości ok. 500 km rozciąga się próżnia międzyplanetarna, w której panuje temperatura -273°C.

Możemy się domyślać, że w wypadku stykania się Ziemi bezpośrednio z tą mroźną pustką, bardzo szybko utraciłaby posiadane ciepło. Tak właśnie jest na Księżycu, gdzie nie ma atmosfery. Temperatura w ciągu księżycowej doby waha się od +130°C do – 130°C.

Atmosfera chroni nas przed lawinami wszelkiej wielkości meteorów, które lecąc ku Ziemi, spalają się wskutek tarcia w górnych warstwach atmosfery, widziane jako „spadające gwiazdy”. Jedynie większe z nich, które nie zdążyły się całkowicie wypalić, docierają do Ziemi (ok.1%).

Atmosfera pochłania także szkodliwe dla życia organicznego promienie ultrafioletowe i kosmiczne. Również za jej sprawą odbywa się nieustająca nigdy wędrówka wody, na naszym globie, posiadająca wielkie znaczenie dla życia. Wygląda to następująco: woda w morzu ogrzewana przez Słońce paruje i jako para wodna razem z nagrzanym powietrzem, unosi się po całej kuli ziemskiej, by po ochłodzeniu skroplić się i w postaci deszczu powrócić na ziemię. Dzięki powietrzu wreszcie możemy latać samolotami.

Widzimy więc, jak wiele zawdzięczamy atmosferze. Pełni szacunku dla niej udamy się teraz w podróż powietrzną! Na samym dnie oceanu powietrznego, gdzie właśnie się znajdujemy, atmosfera wywiera największe ciśnienie i posiada największą gęstość – tlenu jest pod dostatkiem. Zaczynamy wznosić się do góry, Znajdujemy się teraz w tzw. troposferze, tej warstwie atmosfery, która sięga do 11 km. W troposferze zachodzą zjawiska pogodotwórcze, – tworzą się chmury i opady, jak również wszelkie ruchy powietrza – wiatry. Ta część atmosfery jest zawsze w ciągłym „wirze”. Odznacza się jeszcze spadkiem temperatury z wysokością – ok. 6°C na 1 km. Osiągamy wysokość 4000 m, atmosfera staje się rzadsza, odczuwamy brak tlenu, jest zimno, kilka stopni poniżej zera. Ubieramy się więc w futra i zakładamy maski tlenowe, by dalej bezpiecznie kontynuować swoją podróż. Przekraczamy wysokość najwyższej góry świata Czomolungma (Mount Everest) 8850 m, pozostawiając pod sobą ostatnie chmury osiągamy początek nowej warstwy – stratosferę (od 11 km do 80 km), w której panuje już „cisza”, a temperatura wynosi stale mniej więcej -50°C. Ciśnienie jest tu tak małe, że musimy włożyć specjalne skafandry, utrzymujące normalne ciśnienie, aby chroniły nas przed popękaniem naczyń krwionośnych. Mijamy z kolei największą wysokość osiągniętą przez człowieka – 22 km, wkraczając w tzw. ozonosferę. Jest to warstwa powietrza, w której nagromadzony ozon pochłania niebezpieczne promienie ultrafioletowe, Wznosimy się dalej – 40 km, docierają tu jeszcze balony sondy. Od wysokości około 80 km rozpoczyna się tzw. jonosfera, w której znajdują się „naelektryzowane” warstwy powietrza. Od nich to odbijają się „uciekające” z Ziemi fale radiowe i zmuszone do powrotu, umożliwiają odbieranie audycji w najdalszych zakątkach naszego globu. Od tej wysokości począwszy wzwyż powstają zorze polarne. Tutaj, gdzie spalają się też meteoryty kończymy naszą podróż. Wyżej docierają tylko specjalne pociski rakietowe, na których zamontowane są samopiszące aparaty oraz automatyczne aparaty fotograficzne. One właśnie zrobiły zamieszczone zdjęcie, na którym można już zobaczyć bezpośrednio krzywiznę Ziemi.

Kształtowanie się Ziemi

Odtworzymy teraz, na podstawie zdobytych już wiadomości dzieje młodości i dojrzewania Ziemi. W pierwszym okresie była jasną, rozżarzoną masą gazową. Pierwiastki chemiczne, z jakich się składała, wymieszane ze sobą, nie mogły tworzyć żadnych związków z powodu wysokiej temperatury – powyżej 6.000°C. Na skutek ruchu obrotowego przybrała Ziemia kształt elipsoidy, gazy zaś stopniowo pod wpływem ostygania skropliły się, zmieniając ją w płynną bryłę. W tym okresie we wnętrzu Ziemi zaczęły się odbywać procesy rozdziału pierwiastków. Cięższe – metale zaczęły opadać do środka, a lżejsze – krzemiany wypływać na powierzchnię, gdzie stygnąc coraz bardziej, tworzyły pierwsze związki chemiczne. Np. wodór i tlen łącząc się, tworzą wodę, która w postaci pary gromadziła się w ówczesnej atmosferze. Wreszcie na powierzchni Ziemi zaczęła się pojawiać twarda skorupa. Te z metali, które w porę nie zdążyły opaść na dno, zostały przez nią „schwytane” na zawsze i dlatego dzisiaj wydobywamy je w kopalniach. Ziemia stygnie dalej – następuje okres, w którym para wodna skrapla się i spadając całymi strumieniami na suchą powierzchnię planety, wypełnia jej zagłębienie, tworząc oceany i morze. Na biegunach zaczynają pojawiać się pierwsze warstwy lodu. Atmosfera nie posiadała jeszcze tak dużych ilości tlenu jak dzisiaj, ale istniały już warunki dla rozwoju roślinności. Rośliny te „mrówczą pracą” w ciągu setek milionów lat wytworzyły wielkie ilości tlenu w naszej atmosferze, rozkładając w swych zielonych częściach dwutlenek węgla CO2 na tlen i węgiel, który dzisiaj wydobywamy z ziemi. Tak więc ostatecznie powstały na naszej planecie dogodne warunki dla rozwoju świata zwierzęcego z człowiekiem na czele.

Jak długo trwały te procesy i ile lat w ogóle liczy sobie Ziemia? Niełatwo jest odpowiedzieć na te pytania. Istnieje parę sposobów określenia wieku Ziemi. Oprócz geologicznych, opierających się na mierzeniu grubości i szybkości narastania skał osadowych, stosuje się metodę polegającą na badaniu zjawiska powolnego rozpadu atomów promieniotwórczych zawartych w skałach. Takie rozpadające się atomy są jak gdyby zegarkiem chodzącym bardzo powoli, lecz systematycznie i nieprzerwanie od najdawniejszych czasów. Z pomocą tych metod stwierdzono, że od momentu skrzepnięcia skorupy ziemskiej upłynęło 3 miliardy lat, zaś wiek Ziemi, od chwili jej narodzin ocenia się na 4 miliardy lat.

Cóż wobec tego ogromu lat znaczy 30 wieków – istnienia nauki – a jednak ileż w tym „niedługim okresie” potrafił człowiek zgłębić i wyjaśnić tajemnic otaczającej nas przyrody.