כדור הארץ | הרכב ומבנה כדור הארץ
English: Earth

הרכב ומבנה כדור הארץ

Postscript-viewer-shaded.png ערכים מורחבים – גאולוגיה, גאוגרפיה

צורה

צורתו של כדור הארץ כפי שנראה מהחלל

כדור הארץ הוא כדור פחוס קטבים (ספרואיד אובלי), עם קוטר ממוצע של 12,742 ק"מ בקירוב (כיוון שכדור הארץ פחוס בקטבים, הרדיוס שם קטן יותר מאשר הרדיוס שבקו המשווה, בקטבים - 6,356 ק"מ, בקו המשוה - 6,378). פחות משליש מפני כדור הארץ הם יבשה והשאר מכוסים מים. בנוסף למי האוקיינוסים, יש גם אחוז קטן של מים ביבשה, בימות, אגמים, נהרות, נחלים ומי תהום.

הרכב כימי וצפיפות

מסת כדור הארץ היא בקירוב ‎5.9742×1024ק"ג. המסה מורכבת בעיקר מברזל (32.1%), חמצן (30.1%), צורן (15.1%), מגנזיום (13.9%), גופרית (2.9%), ניקל (1.8%), סידן (1.5%), אלומיניום (1.4%). 1.2% הנותרים מורכבים מכמויות זעירות של יסודות אחרים[8].

היוונים הקדמונים הגיעו כבר בתקופתם למסקנה כי במרכז כדור הארץ קיימת צפיפות חומר גדולה יותר מאשר בקרום כדור הארץ. אם קבוע הכבידה של כדור הארץ הוא 5.5 קילוגרם לליטר[9], והצפיפות היחסית של הסלעים על פני כדור הארץ היא 2.7 קילוגרם לליטר בקרוב, הרי במרכז אמור להימצא חומר שצפיפותו עולה על צפיפות סלעי פני השטח. אף אם לוקחים בחשבון את הלחץ של השכבות על פנים כדור הארץ. מכאן המסקנה כי החומרים בפנים כדור הארץ שונים מאלה המצויים על פני כדור הארץ.

מבנה פנימי

המבנה הפנימי של כדור הארץ
אוקיינוסקרום כדור הארץקרום כדור הארץמעטפת כדור הארץגלעין כדור הארץתחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברגתחום אי הרציפות ג'פריסאסתנוספירהליתוספירהתחום אי הרציפות מוהו
תרשים אינטראקטיבי של מבנה כדור הארץ

תצפיות ישירות על הרכבו הפנימי של כדור הארץ מוגבלות ביותר. התצפיות העמוקות ביותר נעשו רובן במימי השקעים העמוקים בסמוך לשוליים החיצוניים של מדף היבשת המערבי של האוקיינוס השקט, כדוגמת תהום צ'לנג'ר בשקע מריאנה (10,911 מטר), השקע העמוק ביותר בעולם. בשאר חלקי כדור הארץ ניתן לבצע תצפיות במעמקי מכרות וב קידוחי נפט. בכל מקרה המידע המתקבל הוא על חלק קטן מהרדיוס של כדור הארץ שהוא בקירוב 6,370 ק"מ. המדענים אם כן משתמשים במדידות עקיפות כדי למדוד ולחקור את הרכבו הפנימי של כדור הארץ, בשיטות שונות כגון סייסמולוגיה ומדידות כבידה ומגנטיות[10]. בשיטות אלו סווגו שלוש שכבות עיקריות המרכיבות את כדור הארץ: קרום, מעטפת וגלעין.

גלעין כדור הארץ

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – גלעין כדור הארץ

גלעין כדור הארץ (או: ליבת כדור הארץ) הוא החומר הנמצא במרכז כדור הארץ, החל מ-2,890 קילומטר מתחת לפני השטח. סביב הגלעין נמצאת המעטפת וסביב המעטפת נמצא קרום כדור הארץ, כשביניהם מפריד תחום אי הרציפות וייכרט-גוטנברג. רדיוס הליבה הוא בערך 3,500 קילומטר. היא עשויה מניקל ומברזל ומורכבת משכבה חיצונית נוזלית ומליבה פנימית מוצקה. קוטר הגלעין הוא כמחצית מקוטר כדור הארץ, ומסתו 32.4% ממסת כדור הארץ. הטמפרטורה המשוערת במרכז הגלעין מגיעה ליותר מ-6,000 מעלות צלזיוס. מקור החום הוא כתוצאה משני תהליכים:

  1. אנרגיה כבידתית - כוח הכבידה של כדור הארץ עצמו, אשר יוצר לחץ רב והופך לאנרגיית חום, תהליך זה מרכיב כ-20% מהחום הפנימי.
  2. דעיכה רדיואקטיבית - האיזוטופים אשר יוצרים את מירב החום הם: אשלגן-40, אורניום-238, אורניום-235, תוריום-232. תהליך זה מרכיב כ-80% מהחום הפנימי. כתוצאה מהעובדה שרוב החום נוצר מדעיכה של איזוטופים רדיואקטיביים, מדענים מאמינים שגרעינו של כדור הארץ הקדום היה חם הרבה יותר, זאת משום שמספר איזוטופים רדיואקטיביים שהיו אז, טרם השלימו את דעיכתם.

מדענים מעריכים שטמפרטורת הגרעין של כדור הארץ הייתה כפולה לפני 3 מיליארד שנה, חום רב זה האיץ מספר תהליכים, כמו טקטוניקת הלוחות, זרמי הערבול, ועוד.

מעטפת כדור הארץ

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מעטפת כדור הארץ

למעטפת כדור הארץ שתי שכבות: המעטפת העליונה היא סלע שלמרות היותו מוצק הוא חם מאוד ועשוי להפוך לנוזל צמיג. סלעי המעטפת התחתונה צפופים יותר בגלל הלחץ הגבוה יותר בעומק זה. עובייה של המעטפת כ-2,900 ק"מ. חקר המעטפת מתבצע היום באמצעות בדיקת הלבה שנפלטת מהרי געש. לבה שמקורה בדרך כלל בשכבה העליונה של המעטפת, וכן על ידי ניתוח גלים סייסמיים המשתחררים בעת רעידת אדמה.

קרום כדור הארץ

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – קרום כדור הארץ

קרום כדור הארץ הוא השכבה החיצונית של כדור הארץ, ומתחתיה נמצאות המעטפת והגלעין. בין קרום כדור הארץ לבין מעטפת כדור הארץ, מפריד תחום אי הרציפות מוהורוביצ'יץ'. עובי הקרום הוא כ-5 ק"מ מתחת לאוקיינוסים ועד-60 ק"מ מתחת לרכסי הרים.

הידרוספירה

המצאות כמות גדולה של מים על פני השטח של כדור הארץ היא מאפיין ייחודי שמבדיל את "הכוכב הכחול" מפלנטות אחרות במערכת השמש. ההידרוספירה של כדור הארץ מורכבת בעיקר מאוקיינוסים, אבל היא מכילה את כל המים שנמצאים על ובפני השטח של הפלנטה, כולל ימות, אגמים, נהרות, ומי תהום עד לעומק של 2000 מטר. המקום התת-מימי הנמוך ביותר הוא Challenger Deep שבשקע מריאנה באוקיינוס השקט בעומק של 10,911 מטרים מתחת לפני הים. העומק הממוצע של האוקיינוסים הוא 3,794 מטרים, למעלה מפי 5 מהגובה הממוצע של היבשות. אם כל האדמה בכדור הארץ הייתה מפוזרת בצורה שווה, היא הייתה בעומק של 2.7 ק"מ מתחת לפני הים.

המסה של ההידורספרה היא כ-‎1.35×1021‎ ק"ג או כ־1/4400 מהמסה הכוללת של הפלנטה, ולאוקיינוסים יש נפח של כ-‎1.386×109‎ קילומטרים מעוקבים. כ-97.5% מהמים הם מים מלוחים, וה-2.5% הנותרים הם מים מתוקים. רוב המים המתוקים, כ-68.7%, מצויים במצב צבירה מוצק (קרח).

אטמוספירה

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אטמוספירת כדור הארץ

האטמוספירה של כדור הארץ היא מעטפת של אוויר סביבו. אטמוספירה זו צפופה באופן יחסי וככל שעולים ומתרחקים מכדור הארץ, הולכת צפיפות האוויר ונהיית דלילה יותר. היא מורכבת מכ-78% חנקן, 21% חמצן, 0.934% ארגון, 0.035% פחמן דו-חמצני וכמויות מזעריות של גזים נוספים, כמו מימן, מתאן, הליום ועוד. כמו כן קיימת כמות כלשהי של מים באטמוספירה, בין 0 ל-7 אחוזים, בהתאם לאזור הגאוגרפי ולאקלים.

ישנם מדענים המעריכים כי לכדור הארץ הייתה אטמוספירה ראשונית עם היווצרותו, שהייתה מורכבת מהגזים שבערפילית ממנה נוצרה מערכת השמש, בעיקר מימן והליום, אך זו התפזרה לחלל. לאחר התקררות הדרגתית, קליפת כדור הארץ נוצרה במהלך התקופה שלפני 3.5 - 3.9 מיליארד שנים, במהלכה התרחשה פעילות געשית אינטנסיבית אשר שחררה כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני ואדי מים. כמו כן, ישנה תאוריה הגורסת כי כדור הארץ ספג מטחים תכופים של שביטים אשר גם הכילו כמויות גדולות של מים. עם המשך ההתקררות של האטמוספירה החלו להתעבות אדי המים ליצירת אוקיינוסים שספגו לתוכם את מרבית הפחמן הדו-חמצני.

הרכבה של האטמוספירה השתנה לכדי צורתה הנוכחית בזכות תהליכי פוטוסינתזה שביצעו אורגניזמים שונים כגון ציאנו-בקטריות וצמחים, בתהליך ששחרר חמצן לאטמוספירה באופן הדרגתי והפחית את כמות הפחמן הדו-חמצני (תהליך הידוע בשם "אסון החמצן"). הופעת החמצן אפשרה תהליכי נשימה אירובים שצורכים את החמצן וכך נוצר איזון בין שני התהליכים והרכב האטמוספירה התייצב לכדי "האטמוספירה השלישית", הקיימת כיום. הופעת החמצן אפשרה גם את היווצרותה של שכבת האוזון, לה חשיבות רבה בקיום החיים על פני כדור הארץ שכן היא מסננת את הקרינה האולטרה־סגולה המגיעה מהשמש, המסכנת את היצורים החיים. שכבת האוזון מצויה ברובה בסטרטוספירה, בגובה של כ-10 עד 50 ק"מ[11].

לאטמוספירה השפעות נוספות החשובות לקיום החיים, ובהן הגנה מפני גרמי שמים שונים כגון אסטרואידים ומטאורואידים, אשר חלקם נשרף כליל במהלך החדירה לאטמוספירה. גזי החממה שבאטמוספירה, בעיקר אדי מים, פחמן דו-חמצני, מתאן ואוזון, מאפשרים את קיומו של אפקט החממה במסגרתו הגזים הללו מחזירים אל הקרקע קרינה תרמית שהיא פולטת, ובכך מאפשרים את מיתון הטמפרטורה על פני כדור הארץ. ללא אפקט החממה, הטמפרטורה הממוצעת בכדור הארץ הייתה 16- מעלות צלזיוס ולא הטמפרטורה הנוכחית של 15 מעלות צלזיוס[12]. כיום מתרחשת באופן הדרגתי התחממות עולמית, כשרוב הקהילה המדעית סבורה שתופעה זו נגרמת עקב פליטה מלאכותית של גזי חממה.

הרכב האטמוספירה

מבט מן החלל על השכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ

עובי האטמוספירה הוא כ-1,000 ק"מ. היא מחולקת למספר שכבות:

  • טרופוספירה - הטרופוספירה היא המעטפת הקרובה ביותר לפני השטח ומגיעה לגובה של בערך 7 עד 17 ק"מ, ובה מתרחשות התופעות האקלימיות. ככל שעולים בה הקור יגבר והאוויר ייעשה יותר ויותר דליל.
  • סטרטוספירה - מתחילה מגובה של כ־7 - 17 עד 50 ק"מ. בניגוד לטרופוספרה, ככל שעולים בה החום יגבר וייעשה בלתי נסבל (טמפרטורה החמה ביותר היא 250°C). מטוסים משייטים ברמות הנמוכות של הסטרטוספירה כדי להימנע מ מערבולות אוויר וממזג אוויר בעייתי המצויים בשכבת הטרופוספרה.
  • מזוספירה - מתחילה מגובה של כ-50 עד 80 - 85 ק"מ. בה רוב המטאוריטים החודרים לאטמוספירה מגיעים כבר לשריפה גמורה.
  • תרמוספירה - השכבה מתחילה מגובה של כ-80 - 85 ק"מ. בשכבת התרמוספירה נמצאת היונוספירה בה נבלעת רוב קרינת השמש בעלת אורך גל הקצר מאולטרה סגול ובתהליך ה"בליעה" הופך חלק מהגז ליונים. באזור היונוספירה מתרחשת תופעת זוהר הקוטב.
  • אקסוספירה - השכבה העליונה ביותר של האטמוספירה המהווה את שלב המעבר בין האטמוספירה והחלל החיצון, ואין לה גבול ברור עמו. ישנם מדענים הסבורים שהאקסוספירה אינה חלק מהאטמוספירה וששכבתה העליונה ביותר היא התרמוספירה[13].

שדה מגנטי

המגנטוספירה של כדור הארץ מגנה עליו מפני חלקיקים טעונים המגיעים ברוח השמש. המגנטוספירה שמקיפה את כדור הארץ (בימין התמונה) צרה בחלק הפונה אל השמש ("יום"), ורחבה בצד השני ("לילה"). (התרשים איננו בקנה מידה)
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – השדה המגנטי של כדור הארץ

לשדה המגנטי של כדור הארץ יש השפעה על מגוון תופעות בכוכב הלכת, באטמוספירה שלו ובחלל הקרוב אליו. על פי ההשערה המקובלת, השדה המגנטי נוצר בגלעין החיצוני של כדור הארץ, ורק חלק קטן ממנו נמדד על פני השטח שלו או בחלל. השדה המגנטי של כדור הארץ דומה לשדה של מגנט דו-קוטבי, שקוטב אחד שלו נמצא באוקיינוס הקרח הצפוני, והשני ליד אנטארקטיקה. קטבים אלו נעים כל העת ממקומם, וקיימות אף עדויות להיפוכי כיוון של השדה המגנטי בתקופות גאולוגיות מסוימות של כדור הארץ.

השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ מורגשת עד מרחק גדול בחלל, והשפעתו על חלקיקים המגיעים מרוח השמש מגדירה אזור הקרוי מגנטוספירה. לרוח השמש יש גם השפעה קטנה על מיקום הקטבים המגנטיים של כדור הארץ. קיום המגנטוספירה מגן על כדור הארץ מפני רוח השמש ומאפשר את קיום החיים על כדור הארץ.