PRZEŚWIETLENIE PLANETY

PRZEŚWIETLENIE PLANETY

WGLĄD W CENTRUM ZIEMI • W 22 MINUTY POPRZEZ GLOB ZIEMSKI • ZIEMIA JEST PRĄDNICĄ • WENUS BEZ POLA MAGNETYCZNEGO • TWARDY ORZECH DLA TEORII PRĄDNICY • CZY NIE MA WYJŚCIA Z DYLEMATU?

Gdy w całkowicie bezwietrzny dzień staniemy na brzegu stawu lub jeziora o idealnie gładkiej powierzchni, możemy zaobserwować pewne zjawisko, tak dobrze znane nam z codziennego doświadczenia, że z reguły nie zwracamy nań uwagi, chociaż większość z nas miałaby pewne trudności w wyjaśnieniu go. Mamy na myśli fakt, że w opisanej sytuacji możemy wprost przed siebie, w bezpośredniej bliskości, spoglądać aż na dno przez powierzchnię wody, że nawet na pewną odległość widzimy jeszcze, jak ryby pływają pozornie tuż pod powierzchnią, podczas gdy już nieco dalej zwierciadło wody staje się dla naszego wzroku nieprzeniknioną zaporą, w której jednak zaczynają się odzwierciedlać bardziej oddalone rzeczy, jak chmury na niebie czy też przeciwległy brzeg.

Wyjaśnienie polega naturalnie na tym, że fale – w tym przypadku fale świetlne, przechodzące z rzadszego ośrodka w gęstszy bądź też przeciwnie, tak jak tutaj z wody do powietrza – załamują się na powierzchni granicznej, a więc podlegają słabszemu bądź silniejszemu odchyleniu od pierwotnego kierunku. Kąt załamania zależy przy tym od długości fali załamanego promienia, także od właściwości graniczących ze sobą ośrodków, ale przede wszystkim od kąta, pod którym promień pada na załamującą powierzchnię graniczną. Im kąt ten staje się bardziej płaski, tym silniejsze staje się załamanie, aż do osiągnięcia punktu krytycznego, od którego promień już nie podlega załamaniu, lecz odbiciu. Podobnie jak pocisk, natrafiający pod zanadto płaskim kątem na twardą powierzchnię, tak samo promień w takim wypadku już nie przenika przez warstwę graniczną, natomiast odbija się od niej i leci z powrotem do tego samego ośrodka, z którego nadszedł.

Wszystko to są podstawowe wiadomości z dziedziny fizyki w zakresie szkolnym. Mówimy o nich dla wytłumaczenia sobie zasady, która pozwoliła geofizykom na zbadanie wewnętrznej budowy Ziemi. W miarę upływu czasu technika znalazła drogi dojścia do wszystkich przestrzeni z natury zamkniętych przed człowiekiem, a więc do rejonów polarnych, do ciemnych morskich głębin, a wreszcie ostatnio do Wszechświata. Tymczasem pewien stosunkowo niedaleko usytuowany rejon pozostanie na zawsze niedostępny naszej bezpośredniej ingerencji, a mianowicie wnętrze Ziemi. Abstrahując od względnie skromnych wierceń w skorupie ziemskiej, które może kiedyś w przyszłości dla celów badawczych będą mogły dotrzeć aż do najdalszej strefy płaszcza ziemskiego – przepowiednia ta jest chyba nieomylna. Wzrastające ciśnienie i stale podwyższająca się temperatura przekreślają wszelką nadzieję przedarcia się do dalszych głębi.

Pomimo to geofizykom wiadomo, że skorupa ziemska ma średnio 33 kilometry grubości, że potem natrafia się na płaszcz ziemski o grubości około 3000 kilometrów, następnie na zewnętrzne jądro ziemskie, płynne i składające się z żelaza i niklu, grube na 2160 kilometrów; ostatnią warstwę wreszcie stanowi jądro wewnętrzne o średnicy 2400 kilometrów, złożone z tego samego materiału, ale w postaci stałej i ono jest właściwym punktem środkowym Ziemi. Naukowcy mogą obecnie wartości te podawać z precyzją nieomal do jednego procenta, gdyż znaleźli sposób wejrzenia w te absolutnie niedostępne głębie Ziemi, aczkolwiek nie przy użyciu światła. Korzystają oni przy tym z faktu, że powierzchnia graniczna daje się zauważyć wówczas, gdy bądź "załamuje", a więc przekierunkowuje, bądź odbija fale – bez względu na ich rodzaj. Jest to dokładnie to samo doświadczenie, które mogliśmy przeprowadzić na brzegu jeziora. Można przecież tę poprzednio naszkicowaną sytuację opisać także inaczej, mówiąc, że przy prawie prostopadłym kierunku wzroku, a więc z bliska, "warstwa graniczna", to jest w tym przypadku powierzchnia wody, pozostaje niewidoczna. Widzimy dno i ryby, ale nie widzimy zwierciadła wody, a to z tej przyczyny, że w tym kierunku wzrok nasz bez trudu je przenika. Sprawa ma się odwrotnie, gdy patrzymy dalej, w kierunku na środek jeziora. Wtedy kąt patrzenia jest tak płaski, że poznajemy wzrastające załamanie po zniekształceniu ciał rybich, co pośrednio wskazuje na przegradzającą powierzchnię graniczną. Wreszcie kąt patrzenia tak się spłaszcza, że promienie słoneczne już nie przechodzą przez powierzchnię wody, co oznacza, że teraz ona sama występuje jako powierzchnia odbijająca.

W gruncie rzeczy dotyczy to każdego procesu widzenia; możemy ujrzeć jakiś przedmiot naprawdę tylko wtedy i w takim stopniu, w jakim zatrzymuje on promienie światła albo przynajmniej je zniekształca – jak na przykład w przypadku gorącego powietrza drgającego nad asfaltową drogą w lecie. Znamy takie powieści fantastyczne, gdzie występują ludzie, którzy potrafią stać się niewidzialni. Autorzy opisują z dużą dozą imaginacji dziwaczne, pełne napięcia czy też komizmu sytuacje stąd wynikające. Pomimo wszelkiej fantazji z reguły jednak nie dostrzegają pewnej nieuchronnej konsekwencji, która byłaby bardzo dotkliwa dla opisywanych: człowiek, który rzeczywiście wprowadziłby się w stan całkowitej niewidzialności, musiałby bezsprzecznie w tej sytuacji być zupełnie niewidomy.

Niewidzialność swoją mógłby bowiem nawet w jakiejś Utopii osiągnąć tylko w dwojaki sposób: albo wyimaginowana technika dostarczyłaby mu środków na to, aby wszystkie promienie świetlne przebiegały wokół jego ciała w taki sposób, że z każdego kąta patrzenia zawsze można by widzieć wszystkie leżące bezpośrednio za nim przedmioty w formie nie zniekształconej, albo też wyimaginowana medycyna umożliwiłaby mu wprowadzenie ciała w stan pełnej, naprawdę całkowitej przezroczystości. Jednakże w obu przypadkach człowiek ten już nie mógłby absolutnie niczego widzieć. Przy zastosowaniu pierwszej metody bowiem żaden promień światła nie dotarłby do jego oczu, a przy drugiej – promienie świetlne bez żadnego oporu przeszłyby przez jego oczy. Aby móc cokolwiek widzieć, odpowiednio zbudowany narząd zmysłu musi chwytać promienie świetlne, załamywać je i w jakiś sposób przetwarzać na impulsy nerwowe. Aby więc cokolwiek samemu widzieć, niewidzialny człowiek musiałby co najmniej oczy swoje pozostawić widzialne, co by stworzyło niezwykle groteskowy widok, podważający niewątpliwie celowość całego tak trudnego przedsięwzięcia. A o słuszności naszych rozważań powinien nawet sceptyka przekonać fakt, że w rzeczywistości taka rzecz istnieje, a mianowicie w postaci pewnych przeźroczystych morskich zwierząt, szczególnie niektórych meduz. Ich szkliste ciała są bowiem w morzu niewidoczne, z wyjątkiem plam oczu czułych na światło i zawsze nieprzeźroczystych (a obecnie rozumiemy, dlaczego tak musi być), zdających się pływać w wodzie osobno jako czarne bądź kolorowe punkciki. Zatem widzialne jest tylko to, co – przynajmniej w postaci śladów – jest nieprzeźroczyste albo co łamie promienie świetlne, a potwierdzi to każdy, kto kiedyś wpadł na szklane drzwi.

Falami, za pomocą których geofizycy patrzą we wnętrze globu ziemskiego, którymi dosłownie mogą prześwietlić naszą planetę, są fale sejsmiczne. Aczkolwiek nie są one elektromagnetyczne, lecz stosunkowo proste i mechaniczne, podlegają tym samym prawidłom i wykazują te same właściwości, które przed chwilą opisaliśmy na kilku przykładach. Dotyczy to szczególnie załamania przy strefach granicznych pomiędzy ośrodkami różnej gęstości i możliwości odbicia bez reszty, w przypadkach gdy fale sejsmiczne na taką strefę graniczną natrafiają pod kątem płaskim. Naturalnie że dla prześwietlenia globu użyć można również fal wywołanych sztucznymi wybuchami. Mają one tę ogromną zaletę, że wiadomo dokładnie, kiedy się pojawią, są jednak, nawet przy podziemnych próbach atomowych, o wiele słabsze. (Dla porównania: silne trzęsienie Ziemi odpowiada energii co najmniej stu tysięcy bomb atomowych typu Hirosima.) Ponieważ co roku na Ziemi występuje łącznie ponad sto tysięcy trzęsień – spośród których na szczęście większość jest zbyt słaba, aby spowodować jakieś szkody – wywołane przez to w sposób naturalny fale całkowicie wystarczają do zbadania wnętrza Ziemi.

Prędkość, z jaką fale te przechodzą przez skorupę ziemską czy też wnętrze Ziemi, zależy od gęstości i sprężystości materiału, w którym się poruszają. Prędkość ta jest najmniejsza w wodzie, wynosi tam bowiem około 1,5 kilometra na sekundę, w granicie osiąga średnio 5 do 6 kilometrów na sekundę, a w najtwardszych warstwach płaszcza Ziemi – ponad 8 kilometrów na sekundę. Największe prędkości występują naturalnie w wewnętrznym jądrze Ziemi, gdzie przekraczają nawet 11 kilometrów na sekundę. Dostatecznie silne fale mogą przemierzyć cały glob ziemski od jednej strony do przeciwległej poprzez punkt środkowy Ziemi. Potrzebują na to tylko 22 minuty.

Dzięki falom można więc stwierdzić nie tylko położenie niektórych stref granicznych pomiędzy warstwami o różnej gęstości we wnętrzu Ziemi, lecz także przez zbadanie prędkości przechodzenia fal sejsmicznych poznać można fizyczną strukturę owych warstw, a tym samym ich prawdopodobny skład chemiczny. Trzeba do tego możliwie dużej liczby różnorakich punktów na powierzchni Ziemi, w których rejestrowałoby się napływające fale wywołane tym samym trzęsieniem. Z różnicy czasu ich dopływu można obliczyć ich prędkość, a także stopień ich załamania.

Istnieje wreszcie jeszcze zupełnie ściśle określony rodzaj fal – fale poprzeczne – występujących również w czasie trzęsienia Ziemi, o których na podstawie prób laboratoryjnych i teoretycznych obliczeń wiadomo, że mogą przebiegać tylko przez materiał stały, a nie przez płyny. Jeżeli więc – na przykład – w Nowej Zelandii występuje trzęsienie Ziemi, a stacja sejsmograficzna w Anglii z tego trzęsienia rejestruje tylko "fale pierwotne", a nie wymienione fale poprzeczne, będzie to wskazywać na to, że pomiędzy miejscem trzęsienia a punktem położenia stacji obserwacyjnej musi istnieć we wnętrzu Ziemi strefa płynna.

To właśnie są obserwacje, z których można wyprowadzić wiedzę o tym, że zewnętrzne warstwy jądra ziemskiego złożone z żelaza i niklu, na głębokości mniej więcej 2900 do 5060 kilometrów pod powierzchnią Ziemi, muszą być płynne, podczas gdy leżące pod nimi i tworzące właściwe centrum naszego globu wewnętrzne jądro żelazoniklowe jest stałe.

W powiązaniu z interesującym nas tematem najważniejszym odkryciem geofizyków dotyczącym wewnętrznej budowy naszej planety – jest płynna postać zewnętrznego jądra ziemskiego. Przecież wyszliśmy od zapytania, jak się to dzieje, że Ziemia ma pole magnetyczne. Nie jest to wcale takie oczywiste, choćby dlatego że nasi dwaj sąsiedzi w układzie planetarnym, Wenus i Mars, nie posiadają pola sił magnetycznych podobnego do ziemskiego, a jest to stwierdzenie, którego odkrycie zawdzięczamy znowu próbom przeprowadzonym sondami kosmicznymi w ostatnich latach. (Zatem powierzchnia tych planet poddana jest bez żadnej osłony wpływom wiatru słonecznego.)

Zjawiska magnetyczne, które od czasu wynalezienia kompasu przez Chińczyków umożliwiły żeglarzom orientację na pełnym morzu, dawno już były znane wtedy, gdy angielski lekarz William Gilbert w swojej w 1600 roku wydanej książce De magnete po raz pierwszy wyraził pogląd, jakoby cała Ziemia była jednym wielkim magnesem. Następnie z astronomicznych i geofizycznych obserwacji wynikły pierwsze wskazówki o strukturze wnętrza Ziemi, podbudowujące ów pogląd i pozornie wyjaśniające to zjawisko w sposób bardzo prosty. Według toru Księżyca obliczano bowiem siłę, z którą Ziemia przyciąga swego satelitę. Z tego zaś z kolei wyprowadzono wartość całkowitej masy ziemskiej. Następnie po dodatkowym uwzględnieniu wiadomości o składzie i ciężarze znanej już skorupy ziemskiej nieuchronnie wyciągano wniosek, że we wnętrzu Ziemi istnieć muszą duże ilości żelaza, gdyż w innym przypadku obliczona całkowita masa nie pomieściłaby się w znanej również objętości Ziemi. Tak więc wszystko wydawało się jasne i oczywiste, wystarczało założyć, że owe we wnętrzu Ziemi nagromadzone metale mają właściwości magnetyczne.

Przez okres ponad stu lat naukowcy zadowalali się takim wyjaśnieniem. Właściwie powinien był ich zaskoczyć fakt, że oś obrotu Ziemi jest prawie zgodna z osią jej pola magnetycznego. Jeżeli bowiem w Ziemi znajdował się po prostu wielki magnes żelazny, to magnetyzm i obrót ziemski nie powinny nic mieć ze sobą wspólnego. Jednakże główny kontrargument, który wreszcie ową nazbyt prostą teorię ostatecznie unicestwił, zrodził się w zupełnie innej dziedzinie. Natrafiono nań przy odkryciu wysokich temperatur we wnętrzu Ziemi. W trakcie wierceń i drążenia szybów kopalnianych stwierdzono, że temperatura skorupy ziemskiej w miarę zwiększania się głębokości bardzo szybko wzrasta. Jak wiadomo, wzrost temperatury w pobliżu powierzchni przyjmuje się w średniej wysokości 3 stopni Celsjusza na każde 100 metrów. Jednocześnie pewne jest, że ten gradient temperatury musi spadać na większej głębokości, w przeciwnym przypadku bowiem doszłoby do takiego nasilenia gorąca, jakie byłoby wręcz nieprawdopodobne. Tak więc na przykład z obserwacji fal sejsmicznych wynika, że materia płaszcza Ziemi – pominąwszy lokalne ogniska lawy z zasięgu czynnych wulkanów – jest jeszcze stała na głębokości około 3000 kilometrów. A tak nie mogłoby być, pomimo panującego tu ogromnego ciśnienia – gdyby na tej głębokości panowała już temperatura prawie 100 000 stopni, co wynikałoby ze zwykłej ekstrapolacji zastosowanej do wymienionych wyżej gradientów temperatury.

Wiedza nasza o temperaturach występujących we wnętrzu Ziemi nie jest nazbyt ścisła. Na podstawie wyliczania ciśnień i bieżącego ustalania ilości ciepła powstającego przy rozpadzie istniejących w naturze pierwiastków radioaktywnych – ciepłotę przy głębokości 40 kilometrów ocenia się obecnie na 1000 stopni, przy 3000 kilometrów – na 3000 do 5000 stopni, a w środkowym punkcie Ziemi, to jest mniej więcej 6000 kilometrów pod powierzchnią – na jakieś 10 000 do 12 000 stopni. Nawet jeżeli wartości te są bardzo przybliżone, jedno jest bezwzględnie pewne, a mianowicie fakt, że już na głębokości około 20 kilometrów, temperatura osiąga owe 775 stopni, powyżej których żelazo całkowicie zatraca swoje właściwości magnetyczne. Przez to stwierdzenie zjawisko, które przez długi czas uchodziło za wyjaśnione i zrozumiałe, stało się od nowa problemem do rozwiązania. "Teoria magnesu sztabkowego" ziemskiego magnetyzmu okazała się definitywnie błędna. Wznowione więc i dotąd kontynuowane poszukiwania wykazały, że zagadnienie powstania magnetyzmu ziemskiego jest znacznie bardziej zawikłane i niejasne, aniżeli pierwotnie sądzono.

Badania zrazu ujawniły pewien stan rzeczy, który nie tylko ponownie potwierdził upadek dotychczasowej teorii, ale ponadto udowodnił, że wszelkie próby wyjaśnienia sprawy ziemskiego pola magnetycznego jako skutku statycznej permanentnej magnetyzacji – oparte były na błędnych założeniach. Ów stan rzeczy polegał na wykazaniu nieregularnych wahań siły pola magnetycznego, których oczywiście nie mogłoby być, gdyby owo pole było po prostu wynikiem mieszczącego się w Ziemi "trwałego magnesu". Mówiąc odwrotnie: ów stan rzeczy prowadził prostą drogą do hipotezy, że pole magnetyczne musi być wytwarzane przez wciąż jeszcze nie znany proces przebiegający we wnętrzu Ziemi.

Stało się to punktem wyjściowym do obecnie chyba już powszechnie przyjętej dla magnetyzmu ziemskiego "teorii prądnicy"; twórcą podstawowej zasady tej teorii jest fizyk amerykański Walter Elsasser. Teoria ta wychodzi z założenia jedynej w dziedzinie fizyki znanej możliwości powstawania i utrzymywania się niepermanentnego pola magnetycznego, jaką jest wytwarzanie linii sił magnetycznych przez prąd elektryczny. W związku z tym pytanie, jakie wyłoniło się, brzmiało: gdzie we wnętrzu Ziemi istnieją prądy elektryczne, które można by uznać za przyczyną pola magnetycznego.

Prądy takie mogą przepływać tylko przez dobre przewodniki, w grę wchodzą tu więc przede wszystkim metale, a następnie również zjonizowany gaz. Rzeczywiście obecnie nie wyklucza się możliwości, że ruch jonów gazu w górnych warstwach atmosfery, to jest w tak zwanej jonosferze, przyczynia się do powstania ziemskiego pola magnetycznego, aczkolwiek udział jego jest bardzo skromny i wynosi zaledwie kilka procent łącznej siły pola. Natomiast w samym wnętrzu Ziemi mogą być brane pod uwagę tylko metale, a wśród nich przede wszystkim potężne ilości żelaza i niklu, z których – jak już wspomniano – składa się jądro ziemskie.

Na tym etapie decydujący okazuje się fakt, że część tego jądra, a mianowicie jego zewnętrzna powłoka, jest płynna. Jedyna bowiem realna możliwość powstania pola magnetycznego harmonizująca z wszystkimi teoretycznymi obliczeniami wyraża się w hipotezie, że to właśnie ruchy tej strefy płynnego żelaza pozwalają działać płynnemu składnikowi jądra ziemskiego jako ogromnemu generatorowi, wytwarzającemu elektryczne prądy, których przepływ jest przyczyną ziemskiego pola magnetycznego. Obliczenia ujawniają nam nawet prędkość, z jaką przebiegają w tym rejonie wnętrza Ziemi ruchy owego żelaza o temperaturze około 4000 stopni: wynosi ona tylko jeden do dwóch metrów na godzinę!

Pod względem fizycznym teoria prądnicy jest wewnętrznie niesprzeczna. A ponadto dostarcza ona wreszcie wyjaśnienia niejednokrotnie akceptowanego, zaś samo przez się bynajmnie nie zrozumiałego faktu, że magnetyczne bieguny Ziemi w znacznym stopniu są zgodne z biegunami geograficznymi, to znaczy, że linie sił pola magnetycznego opuszczają powierzchnię ziemską dokładnie w miejscu, w którym kończy się ziemska oś obrotu. W świetle teorii prądnicy sprawa staje się zrozumiała, gdyż można założyć, że w przypadku ruchów przepływowych w płynnym jądrze Ziemi pierwotnie występują nie uporządkowane i nie powiązane systematycznie ze sobą ruchy wirowe, czyli turbulencje. One naturalnie również wytwarzałyby prądy, a prądy z kolei – pola magnetyczne, i to właśnie liczne pola magnetyczne o różnych wielkościach i pozornie dowolnie rozproszone po całej Ziemi. Nie byłoby zatem jednolitej pułapki magnetycznej przechwytującej wiatr słoneczny, natomiast mapa ziemskiego pola magnetycznego byłaby raczej podobna do dużego łaciatego dywanu. Nie ma chyba wątpliwości, że obserwowany stan rzeczywisty, a więc: jednolitość ziemskiego pola magnetycznego i jego w zasadzie symetryczny, bo tylko przez wiatr słoneczny zaburzony kształt, są wynikiem oddziaływania obrotu Ziemi. Dopiero stała rotacja globu wprowadza ład do nie uregulowanego z natury wirowania jądra ziemskiego. Kierunek tej rotacji zgodnie z zasadą działania żyroskopu powoduje szczególnie silne kształtowanie się pewnych określonych wirów, tłumiąc zarazem inne. W ten sposób powstaje uprzywilejowany jednolity i spójny kierunek wszystkich poszczególnych ruchów przepływu w jądrze; łączą się one wskutek tego w jeden jedyny prąd płynnego składnika jądra ziemskiego, którego ruch obrotowy skierowany jest wzdłuż osi ziemskiej.

Tak więc po to, aby powstać mogła magnetosfera, owa osłona magnetyczna chroniąca nas przed bombardowaniem przez plazmę słoneczną, spotkać się muszą wszystkie tak różne czynniki, jak płynność i metaliczny charakter jądra ziemskiego oraz – dodatkowo – jeszcze obrót Ziemi wokół własnej osi. Nakład ponoszony w celu utrzymania nas przy życiu jest niewątpliwie znaczny. A jednak nie jest to jeszcze wszystko. Do rachunku, który tutaj sporządzamy, brakuje pewnego absolutnie decydującego czynnika. Natrafiamy nań, stawiając sobie teraz pytanie, czy opisana przed chwilą teoria może nam posłużyć również do wyjaśnienia, dlaczego Mars i Wenus – w odróżnieniu od Ziemi – nie mają pola magnetycznego. Jeżeli teoria, w takiej formie, w jakiej ją naszkicowaliśmy, naprawdę ma wystarczyć do wyjaśnienia sprawy ziemskiego pola magnetycznego, powinna także uzasadnić przekazany nam przez sondy kosmiczne negatywny stan dotyczący naszych dwóch sąsiednich planet.

Jeżeli chodzi o Marsa – wydaje się, że tak jest w istocie. Ta okrążana przez swoje dwa mini-księżyce, Phobosa i Deimosa, sąsiadująca z nami od zewnątrz planeta, jest wprawdzie tylko o połowę mniejsza od Ziemi (średnica Ziemi – około 12700 kilometrów, średnica Marsa – 6800 kilometrów), ale ma zaledwie mniej więcej jedną dziesiątą jej masy i tylko około 70 procent jej średniej gęstości. Innymi słowy, według wszelkiego prawdopodobieństwa Mars nie może mieć metalicznego jądra porównywalnego do jądra Ziemi, a znajdujące się być może w jego wnętrzu pokłady kruszcu prawdopodobnie nie są płynne ze względu na stosunkowo niskie ciśnienia, które można ocenić na podstawie jego niewielkiej masy. Fakt zatem, że Mars nie posiada pola magnetycznego, wyjaśnić można stosunkowo łatwo za pomocą teorii prądnicy, takiej jaką nakreśliliśmy do tej pory.

Zupełnie inaczej rzecz się ma, gdy to samo pytanie zastosujemy do Wenus. Planeta ta wielkością jest prawie równa Ziemi (średnica Wenus wynosi na równiku 12400 kilometrów), a masa jej jest zaledwie o 20 procent niniejsza, ciężar zaś i gęstość nieomal takie same. Z podobnych więc przyczyn, które doprowadziły do owej szczególnej wewnętrznej struktury naszego globu, musimy domniemywać, że we wnętrzu Wenus znajduje się metaliczne jądro w co najmniej częściowo upłynnionym stanie skupienia.

A pomimo to Wenus pola magnetycznego nie ma. W czym więc tkwi przyczyna tej różnicy? Jednym z powodów może być nadzwyczaj mała prędkość obrotu tej planety. Do niedawna nic nie było wiadomo o rotacji Wenus. Nigdy wszak nie widzimy jej powierzchni ze względu na to, że jej atmosfera jest stale pokryta obłokami. Obserwacje radarowe w ostatnich czasach dostarczyły nam pewnych przesłanek do stwierdzenia, że Wenus obraca się wokół swojej osi raz na 243 dni.

Należy tu wspomnieć na marginesie, że jest to z innych względów sprawa niezwykle ciekawa. Gdyby się bowiem dane te miały potwierdzić, oznaczałoby to, że Wenus zwrócona jest ku Ziemi zawsze tą samą stroną w okresach, gdy obie planety krążące wokół Słońca z różną szybkością najbardziej są do siebie zbliżone. Ten zdumiewający fakt wyjaśnić można tylko tym, że rotacja Wenus – a więc obrót jej wokół własnej osi, ale naturalnie nie jej obieg wokół Słońca – kontrolowana jest przez siłę przyciągania Ziemi. Należy przyjąć, że na niewidocznej dla nas powierzchni Wenus występują potężne asymetrie, które mogły stać się punktem zaczepienia dla siły przyciągania naszej planety, wskutek czego obrót Wenus był tak długo hamowany, bądź przyspieszony, aż osiągnięte zostało obecne, wywołane dwustronną siłą przyciągania "sprzężenie". Niektórzy astronomowie domyślają się istnienia tutaj potężnych gór, które miałyby piętrzyć się dostatecznie wysoko ponad powierzchnią Wenus, aby stanowić punkt zaczepienia dla ziemskiego przyciągania. W każdym razie już Mariner II w 1962 roku złożył meldunek o napotkaniu "zimnego miejsca", to jest – wprawdzie tylko stosunkowo – zimnej strefy w skądinąd gorącej rozżarzonej powierzchni tej planety. Za prawdopodobną uznano wówczas taką interpretację, że jest to szczyt górski o wysokości sięgającej aż do chłodniejszego chmurnego pułapu planety Wenus. Inni astronomowie dopatrują się możliwości lepkopłynnej konsystencji powierzchni Wenus, deformującej się pod wpływem przyciągania ziemskiego w sposób powodujący występowanie efektu pływów; tym można by również wyjaśnić zjawisko sprzężenia.

Czyżby to oznaczało, że nadzwyczaj mała prędkość obrotu Wenus może nie wystarcza na uporządkowanie, połączenie i ukierunkowanie występujących w jej płynnym jądrze wirów (zakładając, że takowe istnieją), które mogłyby wytworzyć jednolite i odpowiednio silne pole magnetyczne, takie jakie ma Ziemia? Wyjaśnienie to nie jest zbyt zadowalające, gdy się pomyśli o potężnych masach wchodzących tutaj w grę. Im większe są bowiem te poruszające się masy, tym silniej na nie oddziałuje ruch żyroskopowy niezgodny z ich własnym impulsem obrotowym, jakkolwiek nam ruch ten wydawać się może bardzo powolny.

A może Wenus nie ma pola magnetycznego dlatego, że nie ma księżyca? W pierwszej chwili zdaje się to być dowolnym domysłem wziętym z powietrza. Wrażenie to jednak znika natychmiast, gdy zaczynamy się głębiej zastanawiać nad pytaniem, skąd właściwie miałyby się wziąć owe siły uruchamiające wiry w płynnym jądrze planety, wiry, których obecność przy opisie teorii prądnicy milcząco założyliśmy sobie z góry. Również jądro Ziemi – pomimo stanu płynnego – może swoją rolę jako wzbudzający prąd twornik "agregatu prądnicy" odegrać tylko wtedy, gdy nie będzie się obracać dokładnie z ta samą prędkością co inne (stałe) części naszego globu, ale minimalnie prędzej bądź wolniej, czyli gdy (formułując inaczej) będzie się poruszać przeciwnie do stałego płaszcza ziemskiego. Naukowcy mówią w tym przypadku o konieczności "rotacji różnicowej" pomiędzy płynnymi częściami jądra ziemskiego a płaszczem ziemskim.

Dotychczas po prostu założyliśmy sobie, że taka rotacja różnicowa istnieje i do czasu wyjaśnienia jej ograniczyliśmy się do stwierdzenia, że znaczna część ziemskiego jądra jest płynna. Jeżeli teraz zastanowimy się nieco głębiej nad wszystkimi towarzyszącymi okolicznościami, natrafimy na bardzo znamienną komplikację. Nie jest bowiem wcale tak oczywiste, że jądro ziemskie i płaszcz ziemski obracają się z różną prędkością. Przeciwnie, bardzo jest nawet trudno uzasadnić takie twierdzenie. Otóż konieczność udowodnienia różnicy w przebiegu ruchów pomiędzy rozmaitymi wewnętrznymi warstwami Ziemi, a więc założenia, od którego zależy utrzymanie się czy też upadek teorii prądnicy jako przyczyny ziemskiego magnetyzmu – okazała się najtwardszym do zgryzienia orzechem całej teorii, problemem, który po dzień dzisiejszy nie został jeszcze naprawdę dostatecznie rozwiązany. Powstałą tutaj trudność można sobie natychmiast uzmysłowić na podstawie bardzo prostego przykładu zaczerpniętego z życia codziennego. Proszą sobie wyobrazić filiżankę z herbatą, do której pomimo całej staranności gospodyni poza esencją dostało się kilka listków herbacianych. Gdy się taką filiżankę poziomo obraca, widać, że leżące na dnie listki zrazu pozostają na miejscu. Bezwład ich nie dopuszcza do udziału w ruchu • obrotowym filiżanki, a płyn, w którym pływają tuż nad dnem, pozwala im na unikniecie rotacji. Ale im dłużej będziemy filiżanką obracać, tym szybciej stan ten się zmieni. Najpierw z wolna, potem coraz prędzej, listki herbaty rozruszają się, aż po krótkim czasie cała zawartość filiżanki, zarówno płynna herbata, jak listki, będą się obracać z tą samą prędkością co filiżanka, w której się znajdują.

Wytłumaczenie jest nader proste. Jakkolwiek nikłe byłoby wewnętrzne tarcie płynu, a także tarcie pomiędzy zewnętrznymi warstwami płynu herbacianego a graniczącą z nim powierzchnią wnętrza filiżanki – tarcie to i najsłabsza nawet "lepkość" herbaty jednak istnieją i wystarczają, aby wreszcie "pociągnąć za sobą" wszystkie części płynu; wynik jest taki, że filiżanka i cała jej zawartość już po upływie stosunkowo krótkiego czasu poruszają się zupełnie zgodnie jak zwarte ciało. Cały tok sprawy jest więc prosty, bezsporny i jasny.

Ale wobec tego, dlaczego płynne jądro Ziemi nie obraca się już od dawna dokładnie tak samo jak inne stałe warstwy Ziemi? Niezależnie od tego, czy jądro jest płynne, czy też nie, tarcie wewnętrzne, czyli lepkość tego znajdującego się pod ogromnym ciśnieniem metalicznego jądra ziemskiego, jest tak wielkie, że jeżeli przyjmujemy iż Ziemia obraca się wokół swojej osi od wielu miliardów lat z niezmienną szybkością – przy najlepszej woli trudno zrozumieć, dlaczego w tej rotacji nie miałyby uczestniczyć wszystkie części wnętrza Ziemi z dokładnie tą samą prędkością.

Tak więc pomimo że teoria prądnicy wydaje się zrazu przekonywająca, właśnie to stanowi jej słaby punkt. Prądnica może działać tylko wtedy, gdy porusza się w niej twornik wytwarzający prąd. Jak widzimy teraz, założenie to w przypadku jądra ziemskiego wcale nie jest tak samo przez się zrozumiałe, jak milcząco przyjmowaliśmy do tej pory. Jakie jest więc wyjście z tego dylematu?

Większość naukowców obecnie ratuje się z tej sytuacji hipotezą pomocniczą o istnieniu "termicznych prądów konwektywnych" w jądrze ziemskim. Mają przy tym na myśli rzecz następującą należy przyjąć, że pomiędzy najgłębszymi warstwami płynnego jądra ziemskiego a jego zewnętrznymi, bardziej oddalonymi od środkowego punktu Ziemi strefami, występuje znaczna różnica temperatur, bardzo różne bowiem jest naturalnie także w obu tych rejonach ciśnienie wywołane przez leżące nad nimi warstwy Ziemi. A przecież gorętsze części płynu objawiają skłonność do unoszenia się ku górze, podczas gdy zimniejsze – przeciwnie – mają tendencję do opadania.

Można sobie więc rzeczywiście pozwolić na założenie, że także w płynnym jądrze ziemskim występują tego rodzaju "termiczne" procesy przepływu wywołane różnicą temperatur, chociaż w tej chwili nie moglibyśmy podać żadnej metody pozwalającej na bezpośrednie udowodnienie tego zjawiska. Gdy się już raz przyjmie hipotezę o takich ruchach konwektywnych, wtedy naturalnie można wybrnąć z wszystkich trudności. Jeżeli bowiem w tych warstwach jądra ziemskiego w ogóle cokolwiek płynie, jeżeli występują tam w ogóle procesy ruchu – jakiekolwiek by one były – wówczas obrót Ziemi ma jak gdyby coś, o co może się zaczepić, wówczas istniałyby tam, w niedostępnych głębinach naszej planety, wiry, które mogłyby przez jej obrót zostać systematycznie "uporządkowane" w opisany przez nas sposób. Wówczas – innymi słowy – istniałby rzeczywiście we wnętrzu Ziemi ów "twornik", który glob nasz jako całość przeobrażałby w prądnicę i uzasadniał przez to jego pole magnetyczne.

Te dodatkowe rozważania doprowadziły nas do granicy tego, co dzisiaj o owych procesach wiadomo, albo przynajmniej do tego, co się w ich sprawie przypuszcza z przyczyn mniej lub bardziej uzasadnionych. W każdym razie teoria prądnicy wydaje się dla sprawy magnetyzmu ziemskiego o tyle prawdopodobna i wyjaśnia najistotniejsze właściwości ziemskiego pola magnetycznego – przede wszystkim jego zgodność z osią obrotu Ziemi – o tyle zadowalająco, że obecnie nie ma już prawie naukowca, który by wątpił, że teoria ta w zasadzie trafia w sedno. Ale nie udało się dotąd jeszcze nikomu wyjaśnić w dostateczny sposób, jak właściwie do tego dochodzi, że jądro ziemskie zachowuje się jak twornik takiej maszyny. Także bowiem dodatkowa hipoteza o termicznym powstawaniu wirów wykazuje pewne wady.

Nikt spośród ludzi nauki nie lubi sięgać do hipotez pomocniczych, to znaczy takich, które ustala się tylko i jedynie po to, aby "ratować" jakąś teorię. Tymczasem owe wzmiankowane termiczne ruchy konwektywne stanowią szkolny przykład takiej hipotezy pomocniczej: nie ma żadnych wskazówek na to, że rzeczywiście istnieją; jedyna rzecz, jaką można o nich powiedzieć, to, że nie znamy żadnych przyczyn, które przemawiałyby przeciwko możliwości ich występowania Ale to też jest wszystko Jeżeli dzisiaj nauka powołuje się na nie, dzieje się to tylko dlatego, że nadają się idealnie do usunięcia wszystkich jeszcze istniejących niejasności z teorii, która poza tym wydaje się czysta jak szkło.

Drugą wadą hipotezy jest, ze prawdopodobnie występowanie owych wirów nigdy nie zostanie ani udowodnione, ani podważone. Tymczasem hipotezy, dla których nie ma takich szans, z przyczyn zasadniczych i całkowicie zrozumiałych traktowane są przez naukę z jak największą nieufnością. Wreszcie, po trzecie, musimy obecnie powrócić do sprawy naszej sąsiedniej planety Wenus, która pomimo swego podobieństwa do Ziemi nie wykazuje mierzalnego pola magnetycznego. Podobieństwo do Ziemi oznacza tutaj, że wielkość i gęstość Wenus jest porównywalna z odpowiednimi parametrami Ziemi. Stąd Wenus musi także mieć płynne jądro z ciężkiego metalu, zatem bez dalszej ad hoc skonstruowanej dodatkowej hipotezy nie ma właściwie powodu, dlaczego by w tym ciekłym jądrze Wenus nie miały przepływać te same termiczne prądy, które w przypadku Ziemi jakoby wyjaśniają istnienie pola magnetycznego.

Jak widzimy, daleko jeszcze do ostatniego słowa w tej sprawie. Jest to jeden powód więcej, aby tym poważniej traktować inną teorię wychodzącą od pewnej różnicy występującej pomiędzy obiema sąsiednimi planetami, różnicy natury nie hipotetycznej, lecz całkowicie konkretnej – a mianowicie od faktu, że Ziemia ma Księżyc, a Wenus go nie ma.

Teoria ta ma tę wielką przewagę nad poprzednią, że decydujące czynniki, którymi wyjaśnia ruch jądra ziemskiego, są bezpośrednio sprawdzalne. Myśl podstawowa jest równie prosta jak zdumiewająca trudność teorii prądnicy polega na uzasadnieniu, jak dochodzić może do ruchów we wnętrzu Ziemi, jeżeli poruszała się ona równomiernie od miliardów lat. Wyjaśnienie, którym będziemy się bliżej zajmowali w następnym rozdziale, polega na twierdzeniu, że prawdopodobnie w rzeczywistości wcale takiego problemu nie ma, ponieważ odpada podstawowe założenie o jednostajności ziemskiej rotacji.

W ostatnim dziesiątku lat zegary atomowe po raz pierwszy stworzyły możliwość krytycznego skontrolowania wiary w "wieczystą jednostaj-ność ruchów ciał niebieskich" w odniesieniu do obrotu Ziemi. Na podstawie określonych obserwacji ostatecznie potwierdziło się przy tej okazji pewne od dawna żywione podejrzenie: miernik czasu używany dotychczas do prac naukowych prowadzonych pod kierunkiem astronomów jest bezużyteczny. Rezultat tych rozważań możemy w związku z interesującym nas tematem także sformułować powiadając, że Ziemia nasza dlatego posiada pole magnetyczne, iż w czasie gdy Księżyc w pełni wysoko stoi na niebie, wszyscy jesteśmy troszeczkę lżejsi niż zwykle. Zobaczymy teraz, jak to należy rozumieć.