Sólin Sólin Rís 07:11 • sest 19:28 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 20:02 • Sest 08:47 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 07:06 • Síðdegis: 19:22 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 01:04 • Síðdegis: 13:15 í Reykjavík

Hvað viðheldur hita í möttli jarðar og mun kvikan þar einhvern tíma klárast?

Sigurður Steinþórsson

Öll spurningin hljóðaði svona:

Hvað viðheldur þeim mikla hita sem er í möttli jarðar í gegnum alla jarðsöguna og hvaðan kemur allt það mikla magn gosefna og hvað fæðir möttulinn af nýju efni?

Eins og fram kemur í svari við spurningunni Hvers vegna er kjarni jarðar heitur? er yfirborð jarðkjarnans mörg hundruð gráðum heitara en möttullinn fyrir ofan. Frá kjarnanum streymir því varmi upp gegnum möttulinn og allt til yfirborðs jarðar. Svo öflugur er varmastraumurinn að hvarvetna undir hinni stinnu hafsbotnsskorpu er möttulefnið nálægt bræðslumarki sínu (deighvolf, lághraðalag) við ríkjandi þrýsting. Neðst í möttlinum, næst kjarnanum, er möttulefnið eðlisléttara en efnið ofan á vegna hins háa hita, það stígur því upp í formi möttulstróka, líkt og saltstöplar gegnum ofanáliggjandi set, en í staðinn sígur kaldara efni niður að kjarnanum í eilífri hringrás. Auk varmastreymis frá kjarnanum verður til varmi í möttulefninu sjálfu við sundrun geislavirkra efna, einkum kalíns (40K).

Lagskipting jarðar og dýpi á mörkum lagamóta.

Þessi hringrás efnisins, sem á yfirborði jarðar kemur fram í reki skorpufleka er myndast við miðhafshryggi og eyðast á niðurstreymisbeltum, hefur viðhaldist svo lengi sem rekja má söguna í jarðmyndunum, í meira en 4000 milljónir ára. Ekki er þó um „eilífðarvél" að ræða — að vinna sé framkvæmd án þess að orka eyðist — því í jörðinni eyðist það sem af er tekið: Þótt jarðkjarninn tapi stöðugt varma til möttulsins viðhelst hitajafnvægi í kjarnanum með kristöllun hins bráðna ytri kjarna utan á járnkúlu innri kjarnans. Að auki myndast varmi við núning í vökva ytri kjarnans vegna ólíks snúningshraða innri kjarna (r=1220 km) og jarðar (r=6370 km) sem meðal annars kemur fram í minnkandi snúningshraða jarðar — fyrir 250 m.á. var eitt ár 400 dagar en er nú 365 dagar (þátt í þessu, sennilega mestan, á stífudans jarðar og tungls). Hvort tveggja, kristöllun innri kjarna og minnkandi snúningshraði jarðar, eru dæmi um óafturkvæma þróun, annað dæmi er sívaxandi hlutfall kísilríkra bergtegunda í jarðskorpunni.

Allt storkuberg hefur storknað úr bráð sem orðið hefur til við hlutbráðnun úr eldra bergi. Basalt, sem dæmi, myndast við allt að 20% bráðnun á peridótíti, bergtegund möttulefnis, og hafsbotnarnir, rúm 70% af yfirborðsflatarmáli jarðar, eru úr basalti. Fyrrum þóttu það mikil firn að endalaust magn efnis, basalts af nánast fastri samsetningu, skuli geta myndast úr sama „frumefninu“. Skýringin reyndist vera eðlis-efnafræðileg: Þegar blanda af tveimur eða fleiri mismunandi kristöllum (steindum) er brædd, myndast bráð með bundinni efnasamsetningu sem aðeins er háð þrýstingi en óháð hlutföllum kristallanna í blöndunni. Sú bráð heldur áfram að myndast þar til einn kristallanna er uppurinn – þá þarf að hækka hitastigið uns ný bráð tekur að myndast í jafnvægi við kristallana sem eftir voru, og svo framvegis.

Í iðrum jarðar myndast varmi við sundrun geislavirkra efna, auk varma sem streymir frá jarðkjarnanum, sem er meiri en jörðin getur „losað sig við" með varmaleiðingu og varmageislun. Þess vegna heldur efnið áfram að hitna uns það verður deigt (plastískt) og fer að ólga. Heitt efni stígur upp á við af miklu dýpi, og við þrýstiléttinn tekur það að bráðna — bergkvika myndast sem berst upp á yfirborðið í eldgosum. Sú samlíking að eldstöðvar séu „svitaholur jarðar" er ekki fráleit.

Á efstu ~100 km jarðmöttulsins samanstendur möttullinn (peridótít) af fjórum meginsteindum, ólivíni, díopsíti, enstatíti og spínli, og basalt er bráð úr því steindafylki. Bræðslumark efnis er háð þrýstingi og undir hafsbotnunum bráðnar heitt möttulberg við þrýstingslækkun með tvennum hætti: í möttulstrókum rís heitt efni, þrýstingur lækkar uns bræðslumarki er náð og basaltbráð myndast sem seytlar í átt til yfirborðsins. Á miðhafshryggjunum verður bráðnun við þrýstingslækkunin vegna gliðnunar, þegar skorpufleka rekur hvorn frá öðrum, og yfirleitt er varminn í lághraðalaginu nægur til að 6–7 km þykkt basaltlag geti myndast. Í möttulstrókum berst nýtt efni stöðugt að neðan og bráðnar að hluta efst í möttlinum, en hvað um rekhryggina – geta þeir „sogið“ 7 km þykka basaltskorpu endalaust úr sama hluta möttulsins fyrir neðan? Svo er ekki, því hryggina sjálfa rekur fram og aftur ofan á lághraðalagi möttulsins og eru því að bræða basalt úr sífellt „nýjum“ hlutum lághraðalagsins. Til dæmis virðist svo sem austurhluti Íslands, Evrasíuflekinn, sé nokkuð staðfastur miðað við möttulstrókinn undir landinu, Ameríkuflekann reki 2 cm á ári til vesturs miðað við hann, en rekbeltin og Mið-Atlantshafshrygginn sjálfan 1 cm á ári.

Nú er það svo, að möttull jarðar er fjarri því að vera einsleitur – hafi jörðin í upphafi verið meira eða minna bráðin kynni möttullinn að hafa „byrjað“ nokkuð einsleitur, en eins og fyrr sagði hófust snemma þau jarðfræðilegu ferli sem við þekkjum og öll leiða til aukinnar misleitni: Möttulstrókar rísa upp um möttulinn, hvarfast við hann eða þá dagar uppi á miðri leið. Basaltísk hafsbotnsskorpa hverfur niður í möttulinn á niðurstreymisbeltum eftir að hafa hvarfast við sjóinn, ummyndast í jarðhitakerfum og tekið með sér setberg af hafsbotninum – sumt af þessu efni verður eftir á mismunandi dýpi í möttlinum en sumt sígur alla leið niður að kjarna. Þetta ferli hefur gengið í að minnsta kosti 4000 milljón ár eins og fyrr sagði, en að auki hrærir iðustreymi í möttulefninu. Þrátt fyrir misleitni möttulsins myndast basalt við allt að 20% uppbræðslu hans, meira en 90% af efni basalts eru aðalefni úr steindunum fjórum sem ofar voru taldar (peridótít); afgangurinn er auka- og snefilefni – munurinn á ólíku úthafsbasalti kemur fram í snefilefnum og ýmsum samsætum (ísótópum).

Í stuttu máli: Kristöllun jarðkjarnans og geislavirk efni viðhalda hita í möttli jarðar, hið mikla magn gosefna myndast við bráðnun af völdum þrýstingslækkunar efst í jarðmöttlinum, og „endurvinnsla“ hafsbotnsskorpunnar fæðir möttulinn af nýju efni.

Myndir:

Höfundur

Sigurður Steinþórsson

prófessor emeritus

Útgáfudagur

31.3.2021

Spyrjandi

Ástþór Ágústsson

Tilvísun

Sigurður Steinþórsson. „Hvað viðheldur hita í möttli jarðar og mun kvikan þar einhvern tíma klárast?“ Vísindavefurinn, 31. mars 2021. Sótt 22. september 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=81424.

Sigurður Steinþórsson. (2021, 31. mars). Hvað viðheldur hita í möttli jarðar og mun kvikan þar einhvern tíma klárast? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=81424

Sigurður Steinþórsson. „Hvað viðheldur hita í möttli jarðar og mun kvikan þar einhvern tíma klárast?“ Vísindavefurinn. 31. mar. 2021. Vefsíða. 22. sep. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=81424>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað viðheldur hita í möttli jarðar og mun kvikan þar einhvern tíma klárast?
Öll spurningin hljóðaði svona:

Hvað viðheldur þeim mikla hita sem er í möttli jarðar í gegnum alla jarðsöguna og hvaðan kemur allt það mikla magn gosefna og hvað fæðir möttulinn af nýju efni?

Eins og fram kemur í svari við spurningunni Hvers vegna er kjarni jarðar heitur? er yfirborð jarðkjarnans mörg hundruð gráðum heitara en möttullinn fyrir ofan. Frá kjarnanum streymir því varmi upp gegnum möttulinn og allt til yfirborðs jarðar. Svo öflugur er varmastraumurinn að hvarvetna undir hinni stinnu hafsbotnsskorpu er möttulefnið nálægt bræðslumarki sínu (deighvolf, lághraðalag) við ríkjandi þrýsting. Neðst í möttlinum, næst kjarnanum, er möttulefnið eðlisléttara en efnið ofan á vegna hins háa hita, það stígur því upp í formi möttulstróka, líkt og saltstöplar gegnum ofanáliggjandi set, en í staðinn sígur kaldara efni niður að kjarnanum í eilífri hringrás. Auk varmastreymis frá kjarnanum verður til varmi í möttulefninu sjálfu við sundrun geislavirkra efna, einkum kalíns (40K).

Lagskipting jarðar og dýpi á mörkum lagamóta.

Þessi hringrás efnisins, sem á yfirborði jarðar kemur fram í reki skorpufleka er myndast við miðhafshryggi og eyðast á niðurstreymisbeltum, hefur viðhaldist svo lengi sem rekja má söguna í jarðmyndunum, í meira en 4000 milljónir ára. Ekki er þó um „eilífðarvél" að ræða — að vinna sé framkvæmd án þess að orka eyðist — því í jörðinni eyðist það sem af er tekið: Þótt jarðkjarninn tapi stöðugt varma til möttulsins viðhelst hitajafnvægi í kjarnanum með kristöllun hins bráðna ytri kjarna utan á járnkúlu innri kjarnans. Að auki myndast varmi við núning í vökva ytri kjarnans vegna ólíks snúningshraða innri kjarna (r=1220 km) og jarðar (r=6370 km) sem meðal annars kemur fram í minnkandi snúningshraða jarðar — fyrir 250 m.á. var eitt ár 400 dagar en er nú 365 dagar (þátt í þessu, sennilega mestan, á stífudans jarðar og tungls). Hvort tveggja, kristöllun innri kjarna og minnkandi snúningshraði jarðar, eru dæmi um óafturkvæma þróun, annað dæmi er sívaxandi hlutfall kísilríkra bergtegunda í jarðskorpunni.

Allt storkuberg hefur storknað úr bráð sem orðið hefur til við hlutbráðnun úr eldra bergi. Basalt, sem dæmi, myndast við allt að 20% bráðnun á peridótíti, bergtegund möttulefnis, og hafsbotnarnir, rúm 70% af yfirborðsflatarmáli jarðar, eru úr basalti. Fyrrum þóttu það mikil firn að endalaust magn efnis, basalts af nánast fastri samsetningu, skuli geta myndast úr sama „frumefninu“. Skýringin reyndist vera eðlis-efnafræðileg: Þegar blanda af tveimur eða fleiri mismunandi kristöllum (steindum) er brædd, myndast bráð með bundinni efnasamsetningu sem aðeins er háð þrýstingi en óháð hlutföllum kristallanna í blöndunni. Sú bráð heldur áfram að myndast þar til einn kristallanna er uppurinn – þá þarf að hækka hitastigið uns ný bráð tekur að myndast í jafnvægi við kristallana sem eftir voru, og svo framvegis.

Í iðrum jarðar myndast varmi við sundrun geislavirkra efna, auk varma sem streymir frá jarðkjarnanum, sem er meiri en jörðin getur „losað sig við" með varmaleiðingu og varmageislun. Þess vegna heldur efnið áfram að hitna uns það verður deigt (plastískt) og fer að ólga. Heitt efni stígur upp á við af miklu dýpi, og við þrýstiléttinn tekur það að bráðna — bergkvika myndast sem berst upp á yfirborðið í eldgosum. Sú samlíking að eldstöðvar séu „svitaholur jarðar" er ekki fráleit.

Á efstu ~100 km jarðmöttulsins samanstendur möttullinn (peridótít) af fjórum meginsteindum, ólivíni, díopsíti, enstatíti og spínli, og basalt er bráð úr því steindafylki. Bræðslumark efnis er háð þrýstingi og undir hafsbotnunum bráðnar heitt möttulberg við þrýstingslækkun með tvennum hætti: í möttulstrókum rís heitt efni, þrýstingur lækkar uns bræðslumarki er náð og basaltbráð myndast sem seytlar í átt til yfirborðsins. Á miðhafshryggjunum verður bráðnun við þrýstingslækkunin vegna gliðnunar, þegar skorpufleka rekur hvorn frá öðrum, og yfirleitt er varminn í lághraðalaginu nægur til að 6–7 km þykkt basaltlag geti myndast. Í möttulstrókum berst nýtt efni stöðugt að neðan og bráðnar að hluta efst í möttlinum, en hvað um rekhryggina – geta þeir „sogið“ 7 km þykka basaltskorpu endalaust úr sama hluta möttulsins fyrir neðan? Svo er ekki, því hryggina sjálfa rekur fram og aftur ofan á lághraðalagi möttulsins og eru því að bræða basalt úr sífellt „nýjum“ hlutum lághraðalagsins. Til dæmis virðist svo sem austurhluti Íslands, Evrasíuflekinn, sé nokkuð staðfastur miðað við möttulstrókinn undir landinu, Ameríkuflekann reki 2 cm á ári til vesturs miðað við hann, en rekbeltin og Mið-Atlantshafshrygginn sjálfan 1 cm á ári.

Nú er það svo, að möttull jarðar er fjarri því að vera einsleitur – hafi jörðin í upphafi verið meira eða minna bráðin kynni möttullinn að hafa „byrjað“ nokkuð einsleitur, en eins og fyrr sagði hófust snemma þau jarðfræðilegu ferli sem við þekkjum og öll leiða til aukinnar misleitni: Möttulstrókar rísa upp um möttulinn, hvarfast við hann eða þá dagar uppi á miðri leið. Basaltísk hafsbotnsskorpa hverfur niður í möttulinn á niðurstreymisbeltum eftir að hafa hvarfast við sjóinn, ummyndast í jarðhitakerfum og tekið með sér setberg af hafsbotninum – sumt af þessu efni verður eftir á mismunandi dýpi í möttlinum en sumt sígur alla leið niður að kjarna. Þetta ferli hefur gengið í að minnsta kosti 4000 milljón ár eins og fyrr sagði, en að auki hrærir iðustreymi í möttulefninu. Þrátt fyrir misleitni möttulsins myndast basalt við allt að 20% uppbræðslu hans, meira en 90% af efni basalts eru aðalefni úr steindunum fjórum sem ofar voru taldar (peridótít); afgangurinn er auka- og snefilefni – munurinn á ólíku úthafsbasalti kemur fram í snefilefnum og ýmsum samsætum (ísótópum).

Í stuttu máli: Kristöllun jarðkjarnans og geislavirk efni viðhalda hita í möttli jarðar, hið mikla magn gosefna myndast við bráðnun af völdum þrýstingslækkunar efst í jarðmöttlinum, og „endurvinnsla“ hafsbotnsskorpunnar fæðir möttulinn af nýju efni.

Myndir:

...