32-6 Stúpanie hôr

32-6 Stúpanie hôr

Pri skúmaní reťazcov hôr si niektorí geológovia už dávno všimli, že väčšina hôr sa skladá z vrstiev, ktoré sa zvrásnili do veľkých útvarov. Nakoľko tieto vrstvy tvorili pôvodne oceánske dná, zrejme museli pôsobiť gigantické sily, než sa vytvorili tak mohutné reťazce vrások. Ak zoberieme dve hromady z vreckoviek naukladaných na seba a začneme ich tlačiť proti sebe, potom vidíme, že čo sa muselo asi odohrať.

V histórii Zeme sa vytvorilo často a na mnohých miestach takéto zvrásnenie, akoby sa plášť Zeme zmenšoval a zvrásnil, podobne ako sa zvrásni hladký povrch slivky pri vysychaní, keď sa zmenšuje.

Pred objavom rádioaktivity sa geológovia snažili vysvetliť zvrásnenie tým, že prehlásili, Zem chladne a zmenšuje sa. To však nebolo úplne správne vysvetlenie. Vieme že teplota kôry sa zvyšuje o 30 °C každý jeden kilometer a z vnútorných oblastí smerom k povrchu neustále prúdi teplo.

Fyzici poznajú schopnosť vedenia tepla čadiča aj žule, z čoho vieme spočítať, že – za uplynulé 4 miliardy rokov – Zem vyžiarila, stratila 4 × 1030 J tepla. Ak toto teplo predelíme hmotnosťou Zeme (6 × 1024 kg), dostaneme, že každý kilogram hmoty Zeme stratil okolo 670 kJ tepla.

Nakoľko merná tepelná kapacita hmoty Zeme je okolo 800 J/(kg⋅°C), Zem by sa musela ochladiť – od doby vytvorenia jej pevnej kôry – o približne 800 °C.

Do akej miery by sa zmenšila Zem pri takomto ochladení? Ak zoberieme priemernú lineárnu rozťažnosť hornín, ktorej hodnota je 8 × 10−6 °C−1, dostaneme s jednoduchým výpočtom k tomu, že obvod Zeme by sa musel skrátiť o 320 km. To by postačovalo len na vytvorenie jediného dostatočne veľkého zvrásnenia pre jednu horu, ale nedokáže vysvetliť to veľké množstvo pohorí, ktoré skutočne vidíme na povrchu Zeme, a ktoré sa vytvorili za dlhú dobu existencie Zemského povrchu.

V každom prípade, odvtedy, čo vieme o rádioaktivite a poznáme rozdelenie rádioaktívnych látok prinajmenšom v kôre, vôbec nie je zrejmé, že sa Zem ochladzuje, dokonca mohla existovať fáza, v ktorej sa Zem zohrievala vďaka rádioaktivite – to sa zdá potvrdiť: Zem nemala vždy silné magnetické pole, ale pred cca. 2,2 miliardami rokov sa to významne zmenilo, čo môže podľa niektorých súvisieť s tým, že až vtedy sa vytvorilo tekuté jadro Zeme (niektorí sa domnievajú, že vtedy sa vytvorilo pevné vnútorné jadro – fakt ale je, že magnetické pole vtedy zosilnelo).

Predsa len, nemôžeme otázku zmršťujúcej sa a súčasne zohrievajúcej sa Zeme len tak odhodiť, a oplatí sa na to pozrieť trochu podrobnejšie. Vedeli by sme to nejakým spôsobom vysvetliť (zvyšujúcu sa teplotu a zmenšujúcu sa Zem)? Vysvetlenie existuje ale hľadať musíme nie na povrchu Zeme, ale v  hlbších vrstvách, v blízkosti rozhrania medzi plastickým plášťom a tekutým vonkajším jadrom.

Predstavme si planétu, ktorá celá pozostáva zo zmrznutého ľadu, s  roztrúsenými kúskami rádioaktívnych látok. Keď sa teplo uvoľnené z  rádioaktívneho rozpadu nakumuluje, stred planéty sa začne topiť; naša ľadová planéta bude mať tekuté jadro, a tak ako sa teplo uvoľňuje ďalej, toto tekuté jadro sa bude rozširovať, čím ďalej tým väčšia časť zmrznutého plášťa planéty sa rozpustí.

Nakoľko hustota ľadu predstavuje len približne 90 % hustoty vody, ak sa roztopí 1 km3 ľadu, vznikne z neho len 0,9 km3 vody, objem planéty sa teda zmenší o  0,1 km3. Veľký tlak zabráni tomu, aby vznikli veľké dutiny, preto celá masa plášťa sa nakoniec natlačí nižšie, objem planéty a tým aj jej povrch sa skutočne zmenší.

Pokiaľ sa stalo niečo podobného našej Zemi, tak len ľad a vodu musíme v  našej predstave zameniť na nejaké zlúčeniny železa.

Hustota plášťa na rozhraní s vonkajším jadrom je okolo 5,5 g/cm3, kým hustota vonkajšieho jadra hneď pod týmto rozhraním je okolo 9,5 g/cm3. Ak sa plastická hmota plášťa môže premeniť na kvapalnú hmotu vonkajšieho jadra, potom premenou 1 km3 hmoty plášťa vznikne 0,58 km3 hmoty jadra a objem sa zmenší celkom o 0,42 km3 – o rovnakú hodnotu sa zmení aj objem Zeme.

Áno, toto by mohlo byť riešením. Ale nie je.

Keď sme rozoberali myšlienku éteru, varovali sme, že jednotlivé javy vždy vieme vysvetliť pomocou nejakých ojedinelých myšlienok. Správna základná myšlienka však musí vedieť vysvetliť viac javov, prípadne musí mať schopnosť aj predpovedať nové javy. V žiadnom prípade jej kľúčové prvky nesmú odporovať žiadnemu známemu pozorovanému javu. Takto tomu je vo fyzike a takto tomu musí byť aj v geológii, biológii i v chémii.

V roku 1834, pri svojej druhej ceste na palube Beagle, Charles Darwin učinil znamenité pozorovanie v Patagónii, keď si všimol, že pobrežie stúpa od mora vytvárajúc stupňovité vodorovné pláne, akoby niekto položil gigantické schody. Tento pozorovaný jav mu napovedal, že rozľahlé plochy Južnej Ameriky boli nadvihnuté gigantickými silami nad hladinu mora. Neskôr do tejto predstavy pridal aj Andy – ich mimoriadnu výšku pripísal neznámemu procesu, ktorý hory vyzdvihol do ich dnešných výšok. Darwin pátral po takom procese a uvažoval, či by celý pozorovaný jav, vrátane vysokých Ánd, nemohlo byť dôsledkom zväčšovania sa Zeme. Od tejto predstavy však nakoniec upustil, a skôr sa začal kloniť k predstave, že vyzdvihnutie hôr do veľkých výšok musí byť doprevádzaný poklesom dna oceánov, aby sa dala vysvetliť vytváranie korálových útesov – tiež založenej na mnohých pozorovaniach³.

Myšlienka zväčšujúcej sa Zeme však znova objavila na prelome 19-ho a 20-ho storočia v snahe vysvetliť pôvod kontinentov, kontinentov vo svojej dnešnej podobe. Podľa tejto hypotézy Zem bola pri svojom vzniku polovičná, tak malá, že jej povrch vypĺňali dnešné kontinenty bez významného podielu oceánov. Zem sa časom začala zväčšovať, jej povrch sa rozlomil na kontinenty, a priestor medzi nimi vyplnili oceány. Predstava vysvetľovala hneď viac vecí. Prvá z nich je podobnosť okrajov kontinentov – obľúbená to úloha, ktorú udiveným deťom zadávajú zemepisári pri prvom kontakte s  mapou sveta – obkresliť obrysy pobrežia Južnej Ameriky na papier, vystrihnúť a priložiť východným pobrežím k západnému pobrežiu Afriky. Východné pobrežie Južnej Ameriky skoro presne zapadá do západného pobrežia Afriky, a tento fakt bol objavený hneď, keď vznikli presné námorné mapy (všimli si to už aj v 16-om storočí). Skúmaním skamenelín sa zistilo, že na oboch stranách kontinentov (na východnej strane Južnej ameriky a na západnej strane Afriky) žili rovnaké rastliny, rovnaké plazy a pravdepodobne prevládali rovnaké klimatické podmienky. Aj keď myšlienka zväčšujúcej sa Zeme bola Alfredom Wegeneromnahradená myšlienkou putujúcich kontinentov (v ktorej Južná Amerika a Afrika tvorili celok, ktorý sa rozlomil a kontinenty sa od seba vzdialili), teda Zem sa nezväčšovala, ale putovali kontinenty a putujú ľadovce na oceánoch, tak vedeckej komunite chýbalo vysvetlenie mechanizmu, ktorý by bol schopný hýbať celými kontinentmi. Rovnako teórii zväčšujúcej sa Zeme chýbala odpoveď na otázku, kde sa berie nová hmota Zeme, alebo aký mechanizmus zabezpečuje zväčšovanie objemu Zeme.

V 50-tých a 60-tých rokoch sa začali hromadiť rozhodujúce fakty. Podrobným zmapovaním dna Atlantického oceánu sa zistilo, že uprostred dna sa tiahne zo severu na juh podmorské pohorie, Stredoatlantický chrbát, na východ od ktorého sa nachádza Eurázia a Afrika, kým približne v rovnakej vzdialenosti na západ sa nachádza Severná a Južná Amerika. Stredoatlantický chrbát sa ukázal byť geologicky aktívnou oblasťou, kde v  hĺbke vyvierala magma, čadič.

Využila sa aj technológia vyvinutá počas druhej svetovej vojny na odhalenie nemeckých ponoriek, a pomocou tejto technológie sa zistilo, že oceánske dno Atlantiku vykazuje magnetické nepravidelnosti, anomálie. Čadič samotný magnetický nie je keď vyviera ako roztavená hornina, ale obsahuje železo a pri chladnutí sa vytvárajú kryštáliky magnetitu, ktoré sa orientujú v smere vonkajšieho magnetického poľa – v smere aktuálneho magnetického poľa Zeme. Aktuálne magnetické pole „zamrzne“ v magnetite (v čadiči), orientácia a intenzita magnetického poľa magnetitu sa nemení, jedine že sa zase roztaví. Podrobnejším zmapovaním týchto magnetických anomálií sa objavil jasný vzor: rovnobežne so stredom, vyvýšeninou Stredoatlantického chrbta, vytváral čadič s rovnakým smerom magnetizácie rovnobežné pásy na východe i na západe. V susedných pásoch bola orientácia magnetitov opačná, čo dokazovalo, že magnetické pole Zeme zmenilo v  minulosti svoju orientáciu. Tých pásov je veľa, takže sa to stalo niekoľkokrát. Na druhej strane, táto pásová štruktúra dokazovala, že v  atlantickom oceáne vzniká nové oceánske dno, ktoré sa z miesta vzniku odsúva na východ aj na západ približne rovnako rýchlo. Zo sedimentov sa určil aj vek jednotlivých pásov a ukázalo sa, že Južná Amerika a Afrika tvorili pred približne 110 miliónmi rokov jediný kontinent, a tiež Severná Amerika a Európa boli v tom čase spojené. Tieto kontinenty sa dodnes vzďaľujú rýchlosťou približne 2,5 cm/rok.

Rádioaktivita a objavenie Stredoatlantického chrbta boli onou dymiacou zbraňou, ktoré nasadili teórii zmršťujúcej sa Zeme ničivý úder. Rádioaktívny rozpad vo vnútri Zeme prinajmenšom výrazne spomaľuje chladnutie Zeme. Rádioaktívne datovacie metódy dokázali, že aspoň niektoré pevniny Zeme sú staré niekoľko miliárd rokov (najstarší nájdený zirkónový kryštál na austrálskej pevnine hovorí o tom, že pevnina existovala už pred 4,4 miliardami rokov). Sú na druhej strane veľké pohoria (napr. Himaláje), ktoré sú výrazne mladšie a ich existenciu je ťažké zosúladiť s predstavou zmršťovania sa zemskej kôry. A konečne, zmršťovanie zemskej kôry nijako nie je možné zosúladiť rozpínaním sa dna atlantického oceánu, kde vzniká nová kôra tempom 2,5 centimetra za rok.

Svoj ničivý úder dostala o pár rokov neskôr aj teória zväčšujúcej sa Zeme, keď sa rozmnožili seizmografické stanice na celej Zemi a ukázali, že epicentrá zemetrasení nie sú náhodne rozložené v kôre Zeme, ale sústreďujú sa v líniách, kde sa nachádzajú aj sopky. Analýza seizmických vĺn aj merania miestneho gravitačného zrýchlenia ukázali, že v týchto miestach dve časti zemskej kôry narážajú do seba, a jedna sa nakoniec ponára pod druhú. To boli tie miesta, subdukčné zóny, kde nová kôra vznikajúca ďaleko na dne oceánov dorazí na koniec svojej púti a vnára sa späť do zemského plášťa. Seizmografické vlny dokazovali aj to, že kôra klesá do plášťa Zeme pod uhlom približne 40° až 60° do hĺbky okolo 600 km a cestou sa postupne roztaví v  horúcom plášti. Ponárajúcu sa kôru zviditeľňujú epicentrá zemetrasení, ktoré vypuknú pri uvoľnení hromadiaceho sa mechanického napätia medzi ponárajúcou sa kôrou a okolitou hmotou plášťa ktoré sa o seba trú. Trením sa uvoľňuje aj veľké množstvo tepla, ktoré ďalej zvyšuje teplotu hornín, ktoré sa roztopia úplne. Roztavené majú menšiu hustotu, sú redšie a horúce. Vypaľujú si cestu k povrchu v tej časti kôry, pod ktorú sa tá druhá ponára. Takto vzniká reťazce sopiek na jednej strane subdukčnej zóny (prípad Japonska).