• Jörðin

Jörðin

Jörðin er þriðja reikistjarnan frá sólu. Hún er fimmta stærsta reikistjarna sólkerfisins en stærsta bergreikistjarnan. Jörðin er 330.000 sinnum massaminni en sólin og 109 sinnum minni að þvermáli. Væri sólin hol að innan kæmust meira en milljón jarðir fyrir í henni. Jörðin er jafn gömul sólkerfinu, um 4,6 milljarða ára.

Tölulegar upplýsingar
Meðalfjarlægð frá sólu: 149.600.000 km = 1 SE
Sólfirrð:
152.100.000 km = 1,017 SE
Sólnánd:
147.100.000 km = 0,983 SE
Miðskekkja brautar:
0,017
Meðalbrautarhraði um sólu: 29,8 km/s
Umferðartími um sólu: 365,256 dagar = 1 jarðár
Snúningstími: 23klst 56mín 4sek
Möndulhalli: 23,4°
Brautarhalli:
Þvermál:
12.756 km
Þvermál (jörð=1):
1
Massi:
5,974 x 1024 kg
Massi (jörð=1):
1
Eðlismassi:
5.520 kg/m3
Þyngdarhröðun:
9,8 m/s2 (1 g)
Lausnarhraði: 11,2 km/s
Meðalhitastig yfirborðs:
+15°C
Hæsti yfirborðshiti: +58°C
Lægsti yfirborðshiti:
-89°C
Endurskinshlutfall:
0,39
Loftþrýstingur við yfirborð:
101,3 kPa (1013 mb)
Efnasamsetning lofthjúps: 78% nitur (N2)
21% súrefni (O2)
0,93% argon (Ar)
0,04% koldíoxíð (CO2)

Jörðin er í um 150 milljón km fjarlægð frá sólinni eða sem samsvarar einni stjarnfræðieiningu. Þessa vegalengd ferðast ljósið á rúmlega 8 mínútum. Jörðin er 24 klukkustundir að snúast einu sinni um sjálfa sig en eitt ár að ljúka einni hringferð um sólina. Möndull jarðar hallar 23,5° frá lóðréttu sem orsakar árstíðaskipti og mislengd dags og nætur.

Fljótandi vatn er í miklu magni á jörðinni. Nærri 71% af yfirborði jarðar er þakið vatni en það sem eftir er eru meginlönd og eyjar. Vatn er líka bundið í berg bæði ofan- og neðanjarðar í talsverðu magni. Á pólsvæðum jarðar er vatn bundið í ís.

Jörðin hefur þykkan lofthjúp sem að mestu er úr nitri og súrefni. Súrefnið í lofthjúpnum er afurð lífs á jörðinni og það gerir hana einstaka í sólkerfinu. Lofthjúpurinn er mjög virkur fyrir tilverknað sólarorkunnar sem hreyfir vind og myndar ský sem svo falla til jarðar sem regn eða snjór.

Vatn og vindur valda veðrun og rofi á yfirborði Jarðar. Rof- og veðrunaröflin eru þó á engan hátt einu kraftarnir sem endurmóta reikistjörnuna okkar. Alls staðar á Jörðinni er berg sem hefur myndbreyst í milljónir ára. Og það sem meira er, þá myndast sífellt nýtt efni á yfirborði Jarðar þegar kvika streymir upp úr eldfjöllum og sprungum á hafsbotni. Á sama tíma þrýsta jarðskorpuflekar gömlu efni aftur niður í Jörðina. Þessi ferli vinna stöðugt að því að endurnýja yfirborðið. Þótt Jörðin sé 4,567 milljarða ára er yfirborðið að mestu aðeins nokkur hundruð milljón ára að jafnaði.

Jörðin hefur eitt fylgitungl sem varð til þegar hnöttur á stærð við Mars rakst á Jörðina skömmu eftir myndun hennar. Þyngdartog tungls og sólar á Jörðina valda sjávarföllum á Jörðinni og sjávarföllin valda því að smám saman hægir á snúningi Jarðar og tunglið fjarlægist.

Jörðin er heimkynni milljóna lífvera en enginn veit með vissu hversu margar þær eru nákvæmlega. Allar lífverur jarðar, plöntur og dýr, tengjast órjúfanlegum böndum. Þróunarkenning Darwins lýsir því að allar lífverur jarðar eru af sama meiði.

1. Snúningur

Jörðin snýst einn hring um möndul sinn miðað við sól á einum sólarhring.  Meðalsólarhringur er 86.400 sekúndur eða 24 klukkustundir og eru klukkur stilltar eftir því.

Stjörnudagur (sidereal day) er snúningstími jarðar miðað við fastastjörnur, vorpunkt himins nánar tiltekið, og nemur 86.164 sekúndum eða 23 klukkustundum, 56 mínútum og 4,1 sekúndu [11]. Vegna möndulsnúnings jarðar rísa sólin og önnur fyrirbæri á himinhvelfingunni í austri og setjast í vestri. Færsla þessara hnatta yfir himinninn nemur 15 gráðum á klukkustund (15° x 24 klst = 360° á sólahring).

Sólarhringurinn lengist vegna flóðkrafta milli jarðar og tungls. Nemur lengingin 38 míkrósekúndum á ári. Yfir langan tíma safnast þetta saman. Fyrir rúmlega 400 milljón árum, á Devontímabilinu, var einn sólarhringur 21,8 klukkustunda langur og árið um 400 sólarhringar.

2. Braut

Jörðin er að meðaltali í 149,7 milljón km fjarlægð frá sólinni. Brautin er sporöskjulaga og miðskekkjan — frávik hennar frá hringlögun — aðeins 0,0167, sem betur fer. Þótt miðskekkjan sé fremur lítil veldur hún því að jörðin er mislangt frá sólinni yfir árið. Jörðin er næst sólu (í sólnánd) í kringum 2. janúar ár hvert, þá í um 147,1 milljón km fjarlægð, en í sólfirð í kringum 4. júlí ár hvert, þá í 152,1 milljón km fjarlægð.

Miðskekkja brautarinnar veldur líka mismiklum brautarhraða jarðar umhverfis sólina, eins og 2. lögmál Keplers lýsir. Brautarhraðinn er mestur í sólnánd í janúar, 30,4 km/s (~109.000 km/klst), en minnstur í sólfirð í júlí, 29,4 km/s (~105.800 km/klst).

Jörðin er eitt ár að ganga umhverfis sólu. Í daglegu lífi er eitt ár, almanaksár, ýmist 365 dagar eða 366 dagar ef um hlaupár er að ræða. Hvarfár, hið náttúrulega almanaksár, er tíminn milli sólhvarfa, að meðaltali 365 dagar, 5 klukkustundir, 48 mínútur og 46 sekúndur. Umferðartími jarðar miðað við fastastjörnur nefnist stjörnuár (sidereal year) og er að meðaltali 365 dagar, 6 klukkustundir, 9 mínútur og 10 sekúndur. Mismunur hvarfárs og stjörnuárs stafar af framsókn vorpunktsins sem hlýst af pólveltu jarðar [11].

Frá jörðu séð færist sólin næstum 1° í austur yfir himinninn á dag, miðað við stjörnurnar í bakgrunni. Vegna miðskekkju jarðbrautarinnar er færslan mismikil yfir árið. Hún er mest í janúar (1,002° á dag) en minnst í júlí (0,971). Við verðum vör við þessa litlu breytingu, þótt eflaust fáir taki eftir henni, en hún veldur því að árstíðirnar eru mislangar. Sólin er skemmri tíma að fara frá vorjafndægrum að haustjafndægrum, en frá haustjafndægrum að vorjafndægrum. Vor og sumar á norðurhveli eru lengri (93 dagar hvor) en haust og vetur (90 og 89 dagar hvor um sig) [4].

2.1. Möndulhalli og árstíðir

Sjá nánar: Árstíðir

árstíðir, sólstöður, jafndægur
Orsök árstíða. Snúningsás jarðar hallar 23,4° miðað við sólbauginn. Jörðin heldur þessum möndulhalla á braut sinni umhverfis sólina. Vegna möndulhallans hallar norður- og suðurhvelið í átt til og frá sólinni á sex mánaða fresti. Þegar norðurhvelið hallar í átt að sólinni er sumar á norðurhvelinu en vetur á suðurhvelinu þar sem það hallar frá sólinni. Hið gagnstæða á sér stað sex mánuðum síðar. Athugaðu myndin er í röngum hlutföllum. Mynd: NASA/Stjörnufræðivefurinn.

Margir halda að breytileg fjarlægð jarðar frá sólu sé orsök árstíðaskipta. Það er ekki rétt. Meginorsök árstíðaskipta er mönduhalli jarðar, sem er 23,4° miðað við lóðrétta línu jarðbrautarflatarins. Hallinn veldur því að norðurhvel og suðurhvel hallast að sólinni á víxl á ferðalagi jarðar um sólina. Á sumrin á norðurhveli hallar norðurhvelið að sólinni en suðurhvelið frá henni og ríkir þá vetur þar. Þetta snýst við hálfu ári síðar. Væri möndulhallinn enginn væri sólin alltaf beint fyrir ofan miðbaug og yrðu þá engin árstíðaskipti. Væri möndulhallinn meiri en nú væru árstíðaskiptin mun öfgakenndari.

Fjarlægð jarðar frá sólu er vissulega breytileg, en hefur lítið sem ekkert að gera með árstíðaskiptin. Fjarlægðarbreytingin er aðeins 2% yfir árið en engu að síður veldur hún 6,9% breytingu á inngeislun sólarorku á jörðinni. Eins og áður sagði er jörðin næst sólu í kringum 3. janúar (vetur á norðurhveli en sumar á suðurhveli) en fjærst henni í kringum 4. júlí (sumar á norðurhveli en vetur á suðurhveli). Árstíðabreytingarnar ættu því að vera meiri á suðurhveli en norðurhveli. Áhrifin hverfa þó í skuggann af áhrifum möndulhallans og öðrum áhrifavöldum eins og dreifingu landmassa og úthafa á suðurhveli.

Möndulhalli jarðar veldur líka mislengd dags og nætur. Á sumrin er sólin hærra á lofti og dagurinn lengri. Þess vegna er að jafnaði hlýrra á sumrin en veturna. Á veturna kólnar í veðri vegna þess að sól lækkar á lofti og dagarnir styttast. Íslendingar kannast mætavel við þetta, en ef til vill eru ekki allir sem vita að ástæða langra, kaldra og dimmra vetrarnátta og langra, bjartra og hlýrra sumardaga er möndulhalli jarðar.

Stjarnfræðilega verða árstíðaskipti við sólstöður og jafndægur. Jafndægur er sú stund þegar sól er beint yfir miðbaug jarðar, sem gerist tvisvar á ári á tímabilinu 19.-21. mars (vorjafndægur) og 21.-24. september (haustjafndægur). Um það leyti er dagurinn um það bil jafnlangur nóttinni alls staðar á jörðinni. Sólstöður er sú stund þegar sól kemst lengst frá miðbaug himins til norðurs eða suðurs, sem gerist líka tvisvar á ári á tímabilinu 20.-22. júní og 20.-23. desember.  Um sumarsólstöður er dagur lengstur en stystur um vetrarsólstöður [11].

Möndulhalli jarðar er breytilegur. Á 41.000 árum sveiflast hann frá 22,1° upp í 24,5°. Þessar sveiflur eru kallaðar Milankovitch-sveiflur og eru taldar eiga þátt í myndun ísalda.

3. Efnasamsetning

Jörðin er úr atómum sem urðu til í Miklahvelli annars vegar og sprengistjörnum hins vegar. Þegar sólkerfið var í myndun fyrir 4,5 milljörðum ára blés sólvindurinn léttum, rokgjörnum efnum eins og vetni og helíni burt af því svæði sem jörðin var að myndast á. Jörðin og aðrar reikistjörnur innra sólkerfisins mynduðust úr þungu efnunum sem sátu eftir. Þess vegna er jörðin að mestu úr járni (32,1%), súrefni (30,1%), kísli (15,1%), magnesíum (13,9%), brennisteini (2,9%), nikkel (1,8%), kalki (1,5%) og áli (1,4%). Afgangurinn er önnur efni í snefilmagni. Járnið er að langmestu leyti í kjarna jarðar.

Jarðskorpan er talsvert frábrugðin. Efnasamsetning hennar er vel þekkt enda hafa jarðefnagreiningar verið gerðar á bergi úr henni. Mest er um súrefni (46,6%), þá kísli (27,7%), svo áli, járni, kalsíum, natríum, kalíum og magnesíum í minna magni.

4. Bergtegundir

Jarðskorpan er úr mismunandi bergtegundum sem skiptast í þrjá meginflokka eftir uppruna:

  1. Storkuberg sem verður til þegar kvika storknar ýmist á yfirborði jarðar sem hraun, djúpt í jörðu sem djúpberg eða grunnt í jörðu sem innskotsberg.

  2. Setberg sem verður til úr bergmylsnu sem límist saman, eða úr steinefnum sem falla út úr vatnslausn.

  3. Myndbreytt berg sem verður til þegar storkuberg eða setberg umkristallast djúpt í jörðu vegna hita og þrýstings.

Jarðskorpan er að megninu til úr storkubergi. Setberg og myndbreytt berg verða til við veðrun, rof og umkristöllun þess.

Ólivín, steind
Ólivín er algengasta steindin í Jörðinni. Mynd birt með leyfi síðunnar irocks.com

Bergtegundir eru úr steindum: kristölluðum föstum frumefnum eða efnasamböndum sem finnast sjálfstætt í náttúrunni [12]. Algengustu steindir jarðskorpunnar eru nefnd síliköt, en þau eru úr blöndu kísilsýru (kísils og súrefnis) og annarra efna eins og járni, magnesíumi, áli, kalsíumi, natríumi eða kalíumi. Ólivín, feldspat og pýroxen eru dæmigerðar sílikatsteindir sem koma fyrir í storkubergi og finnast út um allt á Íslandi.

Storkuberg skiptist í fernt eftir hlutfalli kísilsýru á móti járni og magnesíumi:

  • Súrt, sem inniheldur meira en 65% kísilsýru (líparít (rhýólít), granófýr og granít)

  • Ísúrt, sem inniheldur 52-65% kísilsýru (andesít, díórít)

  • Basískt, sem inniheldur minna en 52% kísilsýru (basalt, gabbró)

  • Útbasískt, sem inniheldur innan við 45% kísilsýru (perídótít)

Þegar hlutfall kísilssýru eykst í bergi, minnkar eðlismassinn. Þess vegna er súrt berg eðlisléttara en basískt berg.

Innan hvers flokks eru fjölmargar mismunandi bergtegundir, hver með sitt heiti og ólíkar að samsetningu og kristallagerð. Granít er súrt berg með stórum kristöllum en basalt er basískt berg með litlum kristöllum. Gabbró er basískt berg með stórum kristöllum en perídótít útbasískt berg með stórum kristöllum.

5. Stærð og lögun

Á 3. öld f.Kr. bjó í Egiptalandi fjölfræðingur að nafni Eratosþenes. Hann stýrði bókasafninu mikla í Alexandríu og las þar í papírushandriti að í suðurjaðri borgarinnar Sýrene í suður Egiptalandi lýsti sólin beint ofan í brunn á hádegi, fyrsta dag sumars. Eratosþenes dró þá ályktun að þennan dag hlytu sólargeislarnir að falla nákvæmlega hornrétt á Sýrene. Ef jörðin væri hnöttótt gætu geislarnir ekki fallið hornrétt líka á Alexandríu. Þar ættu því að falla skuggar.

Sumardaginn fyrst árið eftir mældi Eratosþenes skuggann sem turn einn í Alexandríu varpaði á hádegi. Skugginn mældist 7,2 gráður eða 1/50 af ummáli kúlu eða 360 gráðum. Eratosþenes vissi að fjarlægðin milli Alexandríu og Sýene var um 800 km því hann réð mann til að mæla hana. 800 km x 50 eru 40.000 km sem hlaut því að vera ummál jarðar.

Þetta svar er næstum hárrétt. Einu verkfæri Eratosþenesar voru augu, fætur og heili. Hann var fyrsti maðurinn sem tókst að mæla nákvæmlega stærð heillar reikistjörnu. Ótrúlegt afrek, sér í lagi fyrir 2200 árum.

Jörðin er mjög nálægt því að vera kringlótt, en vegna snúnings hennar um möndul sinn og miðflóttakraftsins er hún eins og miðaldra karl með vömb; örlítið flatari við pólana og með bungu um miðbauginn. Þetta frávik frá kúlulögun veldur því að þvermál jarðar við miðbaug er 43 km meira en pólþvermálið (12.757 km – 12.714 km = 43 km). Ummál jarðar við miðbaug er 40.076 km en 40.009 km um pólana.

Þetta hefur meðal annars í för með sér að þyngdarhröðun á jörðinni er mismikil eftir breiddargráðum. Þyngdarhröðunin er minnst við miðbaug (9,79 m/s2 = 0,997 g) en mest við pólana (9,83 m/s2 = 1,002 g). Það þýðir að þú ert 0,5% þyngri á pólsvæðum jarðar en við miðbaug, vegna þess að jörðin togar með örlítið meiri krafti í þig. Meðalþyngdarhröðun jarðar er 9,81 m/s2. Á Íslandi er þyngdarhröðunin um 9,82 m/s2.

Yfirborð jarðar er mjög slétt, sléttara en billjarðkúla, og allar ójöfnur óverulegar. Hæsti punktur yfirborðs jarðar er Everestfjall, 8.850 metrar yfir sjávarmáli, en sá lægsti í Challengergjá í Maríanadjúpálnum í Kyrrahafinu, á 10.911 metra dýpi undir sjávarmáli. Væri hötturinn minnkaður þannig að hann yrði 2 metrar í þvermál mundi hæðarmismunurinn milli þessara staða vera aðeins 2mm. Meðalhæð þurrlendis er 840 metrar en meðaldýpi heimshafanna er um 4 km. Vegna miðbaugsbungu jarðar er Chimborazofjall í Ekvador og Huascarán í Perú þeir staðir sem lengst eru frá miðju jarðar. Öll hæstu fjöll jarðar eru í Asíu en stærsta fjall heims, mesta ójafnan, er dyngjan Mauna Kea á Hawaii. Hún rís rúma 4.200 metra yfir sjávarmál en rís að auki 5.000 metra upp af hafsbotni.

6. Yfirborð

jörðin, apollo 8
Yfirborð jarðar séð með augum geimfara Apollo 8. Mynd: NASA.

Utan úr geimnum sést að jörðin er mjög frábrugðin öðrum reikistjörnum sólkerfisins. Yfirborðið er mjög fjölbreytt þar sem skiptast á brún- og grænleit þurrlendi, dimmblá úthöf og fannhvítir jöklar. Höf þekja 70,8% af yfirborðinu en þar einkennist landslagið af úthafshryggjum, eldfjöllum, djúpálum, dölum og sléttum. Þurrlendi telur aðeins 29,2% af yfirborðinu og einkennist af fjallendi, eyðimörkum, sléttum og öðrum jarðmyndunum.

Ár og vötn þekja aðeins lítinn hluta yfirborðsins. Jarðfræðingar skilja á milli yfirborðsvatns - vatna, áa og hafa - og grunnvatns sem er það vatn sem sígur ofan í yfirborðið og seytlar um gropin berg- og setlög. Ár, vötn, höf og grunnvatn mynda ásamt vatnsgufu í lofthjúpnum vatnshvolf jarðar.

Á yfirborði jarðar eru sárafáir loftsteinagígar, andstætt því sem algengt er á öðrum hnöttum sólkerfisins. Ástæðan blasir við, hvert sem litið er. Flekahreyfingar, eldgos, veðrun og rof móta yfirborðið í sífellu. Við veðrun og rof verður til jarðvegur, ein mikilvægasta auðlind jarðar, sem lífverur færa sér í nyt.

7. Uppbygging

Bergið sem við finnum á víð og dreif um yfirborð jarðar veitir okkur mikilvægar vísbendingar um innviði reikistjörnunnar okkar. Eðlismassi bergsins á yfirborðinu er í kringum 3.000 kg/m3 en mælingar sýna að meðaleðlismassi jarðar í heild (massi hennar deilt með rúmmálinu) er mun hærri eða 5.515 kg/m3. Innviðir jarðar hljóta þess vegna að vera úr efnum sem eru eðlisþyngri en þau sem við finnum á yfirborðinu.

En hvaða efni koma til greina? Járn er góður kandídat. Í fyrsta lagi eru járnatóm frekar massamikil (venjulegt járnatóm er 56 sinnum massameira en vetnisatóm) og því eðlisþung. Í öðru lagi er járn algengt í náttúrunni. Rannsóknir stjarnvísindamanna sýna að járn er sjöunda algengasta frumefni í okkar hluta Vetrarbrautarinnar og hefur því verið í töluverðu magni í þeim efnum sem mynduðu sólkerfið okkar. Loftsteinar sem af og til falla til jarðar styðja þá hugmynd, því fjölmargir þeirra eru járnríkir. Önnur efni eins og blý og úran, sem eru enn massameiri, eru tiltölulega sjaldgæf og geta því tæpast verið í miklu magni í jörðinni.

Fljótlega eftir að jörðin myndaðist var hún sennilega bráðin í gegn. Þyngdarkrafturinn olli því að þungu efnin sukku í átt að miðju jarðar og þrýsti þess í stað léttari efnum upp á við. Fyrir vikið skiptist jörðin í þéttan járnkjarna umlukinn járnríkum möttli sem svo jarðskorpan, sem er úr tiltölulega léttum sílikatríkum steinefnum, hvílir á [7].

innviðir jarðar, innri gerð jarðar, kjarni, möttull, skorpa, innri kjarni
a) Þegar jörðin var nýmynduð var hún bráðin í gegn. Þétt efni eins og járn sökk í átt að miðju en eðlisléttari efni færðust upp í átt að yfirborðinu. b) Jörðin er ekki lengur gegnbráðin og lagskipt. Í miðjunni er þéttur fastur járnkjarni umlukin fljótandi ytri járnkjarna sem hefur lægri eðlismassa. Ofar er eðlisléttari möttull og svo loks skorpan. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn.

Hvernig vitum við að þessi mynd af jörðinni er rétt? Jarðvísindamenn geta ekki borað sig í gegnum jörðina og reiða sig þess í stað á jarðskjálftabylgjur.

7.1. Jarðskjálftabylgjur

Sjá nánar: Jarðskjálftar

p-bylgjur, s-bylgjur, skuggasvæði, jarðskjálftabylgjur
Ferðalag P-bylgja og S-bylgja í gegnum jörðina. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn.

Íslendingar kannast aðeins of vel við jarðskjálfta. Þeir verða þegar spenna losnar skyndilega í skorpu jarðar með tilheyrandi titringi. Í jarðskjálftum verða til þrjár tegundir jarðskjálftabylgna sem ferðast á ólíkan hátt á mismiklum hraða í gegnum mismunandi efni. Jarðvísindamenn mæla og skrá þessar bylgjur með mjög næmum jarðskjálftamælum.

Yfirborðsbylgjur eru þær jarðskjálftabylgur sem fólk finnur fyrir. Þær eru tvenns konar og ferðast með yfirborði jarðar og valda mestum skaða. Hinar tvær tegundirnar eru kallaðar P-bylgjur og S-bylgjur. P-bylgjurnar fara hraðar en S-bylgjur og draga nafn sitt af því (P = primary, fyrsta bylgja en S = secondary, önnur bylgja) [6].

P-bylgjur eru þrýstingsbylgjur sem valda því að efnið þjappast saman og gengur sundur á víxl, ekki ósvipað gormi sem er togaður í sundur og þrýst er á til skiptis. S-bylgjur eru þverbylgjur því hreyfing þeirra er hornrétt á útbreiðslustefnuna, ekki ólíkt því þegar maður hristir reipi upp og niður.

Einn helsti eiginleiki þessara jarðskjálftabylgna er að þær ferðast í gegnum jörðina. Þannig getur jarðvísindamaður hinu meginn á hnettinum mælt jarðskjálfta sem varð á Íslandi. Jarðskjálftabylgjurnar ferðast ekki eftir beinum línum, heldur beygja af leið. Það hvernig þær beygja veltur á eiginleikum efnisins sem þær ferðast í gegnum. P-bylgjur berast bæði í gengum föst og fljótandi efni, en S-bylgjur aðeins í gegnum fast efni. Bæði hraði og ferill P- og S-bylgna er háður efninu sem þær ferðast í gegnum. Það gerir jarðvísindamönnum kleift að draga upp mynd af innviðum jarðar með því að greina bylgjurnar með neti jarðskjálftamæla um allan heim. Sumstaðar mælast aðeins P-bylgjur en ekki S-bylgjur. Það bendir til þess að fljótandi efni hljóti að vera í farvegi bylgnanna. Annars staðar mælast hvorki P- né S-bylgjur eftir jarðskjálfta. Þetta er skuggasvæðið sem orsakast af því hvernig P-bylgjur brotna við mörk hins fasta möttuls og bráðna kjarna. Með því að mæla stærð skuggasvæðisins hafa jarðvísindamenn komist að því að radíus bráðna kjarnans sé um 3.500 km eða 55% af heildarradíus jarðar.

Þegar skjálftamælar urðu enn nákvæmari gátu jarðvísindamenn numið dauflega merki P-bylgnanna í skuggasvæði jarðskjálftans. Árið 1936 skýrði danski jarðskjálftafræðingurinn Inge Lehmann að hluti P-bylgnanna sem ferðast í gegnum jörðina sveigja inn í skuggasvæðið vegna fasts innri kjarna í miðju jarðar. Radíus hans er um 1.220 km.

7.2. Jarðskorpa

innviðir jarðar, innri gerð jarðar, kjarni, ytri kjarni, möttull, skorpa
Uppbygging jarðar. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn.

Ysta lag hinnar föstu jarðar er jarðskorpan. Hún er úr ýmsum bergtegundum storkubergs, myndbreytts bergs og setbergs. Elsta berg jarðskorpunnar er um fjögurra milljarða ára gamalt, en það yngsta er að myndast þessa stundina víðsvegar um heiminn af völdum eldvirkni.

Árið 1909 uppgötvaði króatíski jarðeðlisfræðingurinn Andrija Mohorovicic að hraði P-bylgju jókst skyndilega upp í 8 km/s á um 50 km dýpi. Mohorovicic ályktaði sem svo að bylgjuhraðinn ykist vegna breytinga á eiginleikum bergsins þetta djúpt í jarðskorpunni. Seinni tíma rannsóknir sýndu breytilegan bylgjuhraða jarðsjálftabylgna um alla jörðina, en á mismiklu dýpi og á ólíkum stöðum. Í dag eru þessi skil kölluð Móhó-mörkin, Mohorovicic til heiðurs, og marka mörk jarðskorpunnar og möttulsins. Þau eru víðast skörp þannig að þau mynda skörp endurköst skjálftabylgna. Mörkin eru á milli 7 til 70 km dýpi sem er mjög grunnt í samanburði við radíus jarðar (6.371 km). Jarðskorpan er því örþunn, aðeins 0,1-1% af radíus jarðar eða þynnri en eplahýði í samanburði við radíus eplisins [8].

Jarðvísindamenn skipta jarðskorpunni í úthafsskorpu og meginlandsskorpu. Úthafsskorpan er mjög þunn, aðeins 5 til 10 km þykk. Þessa vegalengd má aka á rúmlega 5 mínútum en til samanburðar tæki það 63 klukkustundir að aka stanslaust inn að miðju jarðar. Rannsóknir á úthafsskorpunni sýna að hún er lagskipt. Efst er innan við 1 km þykkt setlag úr leir og litlum skeljum sem fallið hafa á hafsbotninn. Undir setlaginu er skorpan úr basalti og þar undir gabbrói. Hraði P-bylgju í úthafsskorpu er að jafnaði hærri en í meginlandsskorpu.

Mohorovicic, Móhó mörk, GOCE, jarðskorpa, möttull
Þetta kort sýnir á hvaða dýpi Móhó-mörkin milli jarðskorpunnar og möttulsins eru. Dýpst eru mörkin undir fellingafjallgörðum eins og Himalaya (70 km) og Andes en grynnst undir úthafsskorpunni. Kortið byggir á gögnum GOCE gervitungls ESA. Mynd: GEMMA verkefnið

Meginlandsskorpan er að meðaltali 35 til 40 km þykk – fjórum til fimm sinnum þykkari en úthafsskorpan. Þykktin er breytileg vegna áhrifa flekahreyfinga. Þar sem meginlandsskorpan hefur tognað líkt og karamella hafa myndast sigdældir og þar er skorpan ef til vill aðeins 25 km þykk. Undir fellingafjöllum eins og Himalaya er skorpan um 70 km þykk, þar sem henni hefur verið þrýst saman. Á meginlandsskorpunni eru fjölbreyttari bergtegundir en á úthafsskorpunni. Alla jafna er úthafsskorpan basískari en meginlandsskorpan. Basískt berg er oft þyngra og því vegur einn rúmmetri af meginlandsskorpu minna en samsvarandi magn úthafsskorpu.

Mestur hluti bergs í jarðskorpunni er gropinn. Í efstu hlutum skorpunnar eru þessi göt full af fljótandi vatni sem við nýtum okkur, t.d. til að vinna drykkjarvatn. Á öðrum stöðum innihalda götin olíu eða gas.

Hitastig skorpunnar hækkar með aukinni dýpt. Við Móhó-mörkin er hitastigið milli 200°C og 400°C. Hitastigið hækkar um allt að 30°C fyrir hvern kílómetra í efri hluta skorpunnar, en neðar er hitastigullinn minni.

7.3. Möttull

Undir Móhó-mörkunum tekur möttullinn við. Hann myndar 2.885 km þykkt lag milli jarðskorpunnar og kjarna jarðar. Möttullinn telur um 84% af rúmmáli jarðar og er því lang stærsti hluti hennar. Hann er að mestu úr útbasískri bergtegund sem kallast perídótít. Perídótít er því algengasta bergtegund jarðar, þótt hún sé af skornum skammti á yfirborðinu [8]. Eðlismassi möttulsins hækkar úr 3.500 kg/m3 upp í um 5.500 kg/m3 við neðri mörk hans.

Jarðvísindamenn skipta möttli jarðar í þrennt út frá þeim hraða sem jarðskjálftabylgjur berast í gegnum þau. Efri möttull nær niður á 400 km dýpi en þar, á skilunum (transition zone) eykst hraði skjálftabylgna skyndilega niður á 660 km dýpi þar sem neðri möttullinn tekur við og nær hann niður að mörkum kjarna og möttuls.

Möttullinn er að mestu úr föstu bergi en ekki bráðnu eins og margir halda. Þótt hann sé fastur er möttulbergið á 100 til 150 km dýpi svo heitt að það mýkist og linast og líkist helst vaxi sem hreyfist löturhægt, aðeins um 15 sentímetra á ári, án þess að brotna. Hafðu í huga að næstum allur möttullinn er fastur – einhverjir hlutar hans eru bráðnir í lagi á milli 100 til 200 km dýpi undir hafsbotninum. Þetta hlutbráðna lag veldur því að skjálftabylgjur hægja á sér og nefna jarðvísindamenn það lághraðalag.

Hitastig möttulsins eykst með auknu dýpi og breytist mjög milli staða, jafnvel á sama dýpi. Heitu svæðin eru þynnri og eðlisléttari en þau köldu sem eru þéttari og eðlisþyngri. Þetta bendir til þess að í möttlinum séu iðustraumar. Heitt möttulefni stígur hægt og rólega upp á við þar sem það kólnar og þéttist og sígur niður aftur.

Í efri hluta möttulsins er hitastigið milli 500-900°C en meira en 4000°C við kjarnann. Ástæða þess að bergið bráðnar ekki þrátt fyrir þetta gífurlega hitastig er sú að bræðslumark bergsins hækkar með auknum þrýstingi. Í möttlinum ber þrýstingurinn sigurorð af hitanum og heldur berginu að mestu föstu. Þrýstingurinn við neðri mörk möttulsins er um 1,4 milljón sinnum meiri en við sjávarmál.

7.4. Kjarni

Kjarna jarðar er skipt í tvennt, innri og ytri kjarna, eftir því hvernig jarðskjálftabylgjur berast í gegnum hann.

Ytri kjarninn er á milli 2.900 og 5.155 km dýpi. S-bylgjur berast ekki í gegnum hann sem sýnir að hann er úr fljótandi efni, líklega blöndu járns og nikkels auk annarra efna eins og kísil, súrefni og brennistein. Eðlismassi hans er milli 10.000-12.000 kg/m3. Hann er bráðinn vegna þess að hitastigið er svo hátt að þrýstingurinn, þótt hár sér, nægir ekki til að halda efninu föstu. Sú staðreynd að ytri kjarninn er bráðinn þýðir að hann flæðir um og myndar segulsvið jarðar.

Innri kjarninn er 1.220 km þykkur og eðlismassi hans er 13.000 kg/m3. Hann er úr blöndu járns og nikkels en fastur vegna hins gífurlega þrýstings sem ríkir þetta djúpt í iðrum jarðar. Þrýstingurinn, sem er líklega 3,6 milljón sinnum meiri en við sjávarmál, veldur því að atómin pakkast saman í mjög þétt efni. Innri kjarninn fer stækkandi vegna þess að jörðin kólnar með tímanum svo neðstu lög ytri kjarna storkna smám saman. Rannsóknir sýna að innri kjarninn snýst örlítið hraðar en afgangurinn af jörðinni vegna kraftsins sem hann verður fyrir af völdum segulsviðsins.

8. Flekahreyfingar

Sjá nánar: Flekakenningin

flekar, jarðskorpuflekar, plötur
Jarðskorpuflekarnir. Athugaðu að flekarnir á pólsvæðunum eru teygðir og gefa því ekki sanna mynd á stærð þeirra. Mynd: Bandaríska jarðvísindastofnunin og Stjörnufræðivefurinn.

Í möttlinum vex P-bylgjuhraðinn jafnt og þétt með þremur undantekningum þó. Á 60-140 km dýpi undir úthöfunum og á allt að 300 km dýpi undir meginlöndum lækkar hraðinn en hækkar síðan aftur. Þetta lághraðalag markar linhvolfið. Möttullinn ofan á því, að viðbættri jarðskorpunni, er kallaður stinnhvolf. Í linhvolfinu er möttullinn nær bræðslumarki en í lögunum ofan og neðan og seigja efnisins lægri. Stinnhvolfið er brotið upp í fleka sem skríða á linhvolfinu [5]. Þessi uppgötvun, sem er ein sú mikilvægasta í jarðvísindum á 20. öld, sýnir að jörðin er sífellt að breytast. Hreyfingar flekanna valda jarðskjálftum, eldgosum, fellingafjallamyndunum og úthafshryggjum.

Augljóst er hverjum þeim sem skoðað hefur kort af jörðinni að Suður-Ameríka og Afríka virðast smellpassa saman, ef ekki væri fyrir Atlantshafið sem skilur álfurnar að. Með örlitlum tilfæringum falla aðrar heimsálfur vel saman. Þessi athugun veitti þýska veðurfræðingnum Alfred Wegener innblástur að landrekskenningu sinni; þeirri hugmynd að meginlöndin ræki sundur. Árið 1915 birti Wegener kenningu sína um að upphaflega hefðu allar heimsálfurnar myndað eitt risameginland sem hann kallaði Pangaeu eða Alland. Fyrir um 200 milljón árum brotnaði Pangaea og einingarnar ráku í sundur.

Aðrir jarðfræðingar endurbættu þessa kenningu. Þeir sögðu að Pangaea hefði fyrst brotnað í tvö smærri meginlönd sem nefnd voru Lárasía og Gondwana. Milli þeirra var Teþýshafið og er Miðjarðarhafið leifar þessa forna hafs. Gondwana brotnaði síðan í Afríku og Suður-Ameríku en Lárasía í Norður-Ameríku og Evrasíu.

Hugmyndum Wegeners var tekið heldur fálega af jarðfræðingum. „Þvílíkur endemis þvættingur“, sagði þáverandi forseti bandaríska heimspekifélagsins. Flestir voru á því að meginlöndin flytu á þéttum en linum möttli en fáir sáu fyrir sér heilu meginlöndin á hreyfingu sem nam fáeinum sentímetrum á ári. Helsti veikleiki kenningarinnar var að hún útskýrði ekki hvaða kraftar voru að verki sem hreyfðu til meginlönd.

Árið 1925 uppgötvuðu þýsk rannsóknarskip gríðarlanga fjallakeðju á hafsbotni, Mið-Atlantshafshrygginn. Þegar líða tók á sjötta áratug 20. aldar áttuðu menn sig á því að hryggurinn teygir anga sína alla leið frá Íslandi suður til Suðurheimskautsins. Um svipað leyti uppgötvuðu bandarísku eðlisfræðingarnir Maurice Ewing og Bruce Heezen að um þetta hryggjarkerfi endilangt var gríðarleg neðansjávargjá sem þeir kölluðu Sigdalinn mikla.

Á sjötta ártugnum rannsökuðu Harry Hess og Robert Dietz hafsbotninn nákvæmlega og komust að þeirri niðurstöðu að ný jarðskorpa væri að myndast á úthafshryggjum. Þeir væru því ekkert annað en löng eldfjallakeðja. Á sama tíma eyddist jarðskorpan í djúpsjávarrennum.

En hvað er það sem veldur því að flekarnir hreyfast? Svarið er tvíþætt. Í fyrsta lagi streymir hiti upp frá heitum kjarna jarðar að skorpunni og í öðru lagi berst þessi hiti upp á við með iðustraumum. Myndun nýrrar jarðskorpu ýtir eldri skorpu í sundur og veldur því að hafsbotninn rekur til hliðar. Þar sem flekar mætast sekkur annar flekinn undir hinn ofan í möttulinn á sökkbeltum. Þegar fleki sekkur undir annan togar hann afganginn af flekanum með sér og hjálpar þannig til við að viðhalda hreyfingunni.

flekahreyfingar, iðustreymi, sökkbelti
Ferlin sem knýja áfram flekahreyfingar. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

8.1. Flekamörk

Til eru þrenns konar flekamörk:

  1. Hjáreksbelti eru þar sem flekar renna framhjá hvor öðrum. Dæmi um þetta er San Andreas misgengið.

  2. Fráreksbelti eru þar sem tveir flekar reka sundur. Úthafshryggir eins og Mið-Atlantshafshryggurinn, sem Ísland er á, er dæmi um þetta.

  3. Samreksbelti eru þar sem tveir flekar rekast saman.

Þegar tveir flekar rekast saman sekkur eðlisþyngri úthafsskorpan undir meginlandsskorpuna og sökkbelti verður til. Við sökkbelti myndast djúpálar og eldfjallaeygjabogar vegna hitans sem myndast við núninginn þegar úthafsskorpan sekkur ofan í jörðina. Japan myndaðist á þennan hátt. Ef tveir meginlandsflekar rekast saman sekkur hvorugur, heldur þrýstast þeir saman og mynda fellingafjöll eins og Himalaya.

flekarek, landrek, jarðskorpuflekar, samreksbelti, fráreksbelti, hjáreksbelti, benioff svæði, flekaskil, meginlandsskorpa, úthafsskorpa, eyjabogar
Þrenns konar flekamörk: Hjáreksbelti, fráreksbelti og samreksbelti. Mynd: USGS og Stjörnufræðivefurinn.

Vegna gliðnunar Mið-Atlantshafshryggsins færast Suður-Ameríka og Afríka í sundur sem nemur um 3 sentímetrum á ári. Reiknað aftur á bak kemur í ljós að meginlöndin tvö voru föst saman fyrir um 200 milljón árum.

Allir stærstu flekarnir eru hvort tveggja úr meginlandsskorpu og úthafsskorpu, nema Kyrrahafsflekinn sem er eingöngu úr úthafsskorpu. Vegna endurnýjunar er úthafsskorpan að mestu leyti innan við 100 milljón ára. Elsta úthafsskorpan er í vesturhluta Kyrrahafsins, um 200 milljón ára[13]. Til samanburðar er elsta meginlandsskorpan 4.030 milljón ára.

Aldur úthafsskorpu í mercator vörpun
Aldur jarðskorpunnar í úthöfum (í milljónum ára). Meginlöndin eru grá og eru flekaskil merkt inn á myndina (svartar línur). Sjá má að nálægt úthafshryggjum er allt yngst en svo verður jarðskorpan eldri eftir því sem lengra frá þeim dregur. Kortið sem hér um ræðir er í Mercator vörpun. Mynd úr Muller et. al.[13]. Ísl. útgáfa: Ásdís Benediktsdóttir.

Hraðskreiðasti flekinn er Kókosflekinn sem rekur um 75 mm á ári og þar á eftir Kyrrahafsflekinn sem rekur um 52-69 mm á ári. Evrasíuflekinn rekur hægast, aðeins 21 mm á ári.

Flekakenningin veitir okkur áhugaverða innsýn í hringrás risameginlanda. Talið er að Pangaea sé aðeins síðasta risameginlandið sem brotnaði upp í þessari hringrás sem endurtekur sig á um 500 milljón árum.

Risameginlönd draga úr hitauppstreymi úr iðrum jarðar svo hitinn hækkar. Við hækkandi hita bungast stinnhvolfið út og brotnar. Bráðið berg vellur upp og fyllir í brotsárin sem halda áfram að gliðna þegar hlutar af brotna risameginlandinu færast sundur.

Hiti getur verið lengi að losna undan risameginlöndum. Þótt Pangaea hafi brotnað fyrir 200 milljón ára er möttullinn undir þungamiðjunni enn mjög heitur og enn að rísa. Afleiðingin er sú að Afríka, sem er nærri þungamiðju þessa rísandi efnis, er nokkrum tugum metra hærra en önnur meginlönd.

9. Innri hiti

Þessar miklu flekahreyfingar krefjast orkuupspprettu í iðrum jarðar til að viðhaldast. Ef eina orkuuppsprettan væri afgangsvarmi frá því að jörðin varð til fyrir 4,6 milljörðum ára, væru innviðirnir þegar orðnir svo kaldir að flekahreyfingar hefðu dáið út fyrir löngu.

Talið er að um 20% af innri varma jarðar sé afgangsvarmi frá myndun hennar. Restin af varmanum myndast nær allur vegna hrörnunar geislavirkra efna. Í iðrum jarðar eru kalíum-40, úraníum-238, úraníum-235 og þóríum-232 skilvirkustu varmamyndandi samsæturnar. Allar hafa þær helmingunartíma sem mælist í milljörðum ára sem skýrir hvers vegna innviðir jarðar eru enn svo heitir. Það er einmitt þessi mikli hiti sem gerir iðustraumum í möttlinum kleift að knýja áfram hreyfingu jarðskorpuflekanna.

Leiða má líkum að því að varmamyndun í iðrum jarðar hafi verið mun meiri áður fyrr en í dag. Ástæðan er sú að samsætur með skemmri helmingunartíma hafa nú þegar hrörnað umtalsvert. Varmamyndunin er talin hafa verið tvöfalt meiri fyrir 3 milljörðum ára en í dag. Það hefur ugglaust valdið auknu iðustreymi í möttlinum, hraðari flekahreyfingum og stórum flæðibasaltgosum.

Jörðin geislar frá um 0,08 wöttum á fermetra. Þetta er aðeins sex þúsundasti hluti þeirrar orku sem jörðinni berst frá sólinni. Þótt orkan sé lítil hefur hún samt haft djúpstæð áhrif á yfirborð reikistjörnunnar okkar. Hluti varmaorkunnar berst upp í átt að jarðskorpunni með möttulstrókum. Þessir möttulstrókar geta myndað heita reiti eins og Ísland og Hawaii eru dæmi um. Varmi berst líka með varmaleiðni í gegnum linhvolfið á hafsbotni, þar sem skorpan þar er mun þynnri en á meginlandi.

Jörðin kólnar hægt og rólega með tímanum. Talið er að möttullinn kólni um 0,035-0,07°C á hverjum milljón árum.

10. Eldvirkni

Sjá nánar: Eldgos

Gígurinn í Holuhrauni
Eldgos í Holuhrauni í desember 2014. Mynd: Jón Örn Guðbjartsson/Háskóli Íslands

Jörðin er næst eldvirkasti hnöttur sólkerfisins á eftir Íó, tungli Júpíters. Bráðin bergkvika er venjulega á bilinu 1000-1200°C heit. Hún þrýstist upp á við vegna þess að hún er heit og eðlisléttari en fasta bergið sem umlykur hana. Þegar kvikan brýst upp á yfirborð jarðar verða eldgos og er eldstöð sá staður þar sem kvikan kemur upp. 

Ef einu sinni gýs í gosrás verða til eldvörp, en við endurtekin gos eldfjöll. Á Íslandi er að finna nær allar gerðir eldvarpa og eldfjalla sem þekkjast á jörðinni.

Eldvirkni er ekki jafndreifð um jörðina. Flest eldfjöll eru á fráreksbeltum (úthafshryggirnir) og samreksbeltum, t.d. umhverfis Kyrrahaf og við Miðjarðarhaf, og á heitum reitum. Eldfjöll er líka að finna í sigdölum, t.d. í Sigdalnum mikla í Austur-Afríku. Undir Íslandi er heitur reitur og landið liggur á fráreksbelti sem veldur því að hvergi í heiminum kemur meiri kvika upp til yfirborðs en hér á landi [12]. Um 75% af öllum eldgosum á jörðinni verða neðansjávar.

Glóandi hraun í Holuhrauni
Glóandi hraun í Holuhraunsgosinu í desember 2014. Mynd: Jón Örn Guðbjartsson/Háskóli Íslands

Í eldgosum kemur ýmist upp hraun eða gjóska, oft hvort tveggja. Eldsumbrot eru einkum þríþætt:

  • Flæðigos, þar sem upp kemur nær eingöngu hraun, eins og í Skaftáreldum 1783-84, sem var mjög stórt. Holuhraunsgosið 2014-2015 var flæðigos.

  • Þeyti- og sprengigos, þar sem myndast nær eingöngu gjóska, eins og í eldgosinu í Öræfajökli 1362 þegar komu upp um 10 km3 af gjósku sem lagði Litla-Hérað í eyði. Gosið í Eyjafjallajökli árið 2010 var sprengigos.

  • Blönduð gos, þar sem upp kemur hvort tveggja hraun og gjóska, eins og gjarnan er með Heklugos.

Fyrir um 250 milljónum ára, á mörkum Perm og Trías, urðu feykileg eldgos þar sem nú er Síbería og myndaði Síberíuþrepin; risavaxnar hraunbreiður úr flæðibasalti. Talið er að við eldgosahrinuna, sem stóð yfir í um milljón ár, hafi losnað milli 13-43 þúsund gígatonn af koldíoxíði út í andrúmsloftið sem olli því að 90% af öllum dýrategundum dóu út (sjá Loftslag.is). Áætlað er að í gosunum hafi komið upp 3 milljónir km3 af kviku, en til samanburðar komu aðeins upp 13 km3 af kviku í Skaftáreldum, einu stærsta hraungosi á jörðinni á sögulegum tíma.

Eldgos eru stöðugt í gangi einhvers staðar á jörðinni. Á Íslandi verða gos á um 5 ára fresti eða sem næst 20 eldgos á öld.

Eyjafjallajökull, eldgos, eldkeila
Sprengigos í Eyjafjallajökli, næst stærstu eldkeilu Íslands (Öræfajökull er stærri), í maí 2010. Mynd: Sævar Helgi Bragason

11. Hringrás vatns

Sjá nánar: Hafið
Sjá nánar: Uppruni vatns á Jörðinni

vatn, jörðin, ferskt vatn
Vatn er takmörkuð auðlind á jörðinni þótt svo virðist ekki vera við fyrstu sýn. Væri því vatni jarðar  safnað saman í hnött mældist hann aðeins tæplega 1.400 km í þvermál eða helmingi minni en tunglið. Ferskt vatn (litli hnötturinn) er aðeins brot af þessu og væri um 280 km í þvermál. Mynd: © Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institute, Howard Perlman, USGS

Utan úr geimnum að sjá er Jörðin sannkölluð vatnaveröld. Hafið er langstærsta vatnsforðabúr heims; um 97,5% vatns á jörðinni er saltur sjór. Afgangurinn er ferskvatn, að mestu bundið í jökulís (2,1%), grunnvatn (0,6%), vötnum og ám (0,009%) og vatnsgufu í lofthjúpnum (0,001%) [12]. Saman myndar allt þetta vatn vatnshvel jarðar.

Hafið er grundvöllur lífs á jörðinni. Það temprar loftslag, ræður heilmiklu um veðurfar og leikur lykilhlutverk í hringrás vatns. Sjór er að meðaltali 96,5% hreint vatn og 3,5% önnur uppleyst efni eða sölt [9]. Það þýðir að í hverju kílógrammi af sjó eru 35 grömm af salti. Mestur hluti saltsins (um 78%) er matarsalt (NaCl), en restin mestmegnis magnesíum-, kalsíum- og kalísölt. Önnur efni eru í minna magni en þó mjög mikilvæg sjávarlífi. Sjórinn er saltur vegna þess að í tímans rás hefur árvatn borið sölt til sjávar. Seltan veldur því að sjór frýs ekki fyrr en við -2°C [12].

Vatnið er á stöðugri hringrás sem knúin er áfram af yl sólar. Á hringrásinni tekur vatn á sig allar myndir; það er allt í senn fast, fljótandi og gas. Fyrir tilstilli sólarorkunnar gufar vatn upp úr hafinu og vötnum og af gróðri og lífverum. Vatnsgufa stígur til himins þar sem hún myndar ský. Þegar skýin færast milli landsvæða og kólna þéttist vatnsgufan og fellur á land eða í hafið sem úrkoma, annað hvort regn eða snjór [8].

Vatn sem fellur á land getur varðveist sem jökulís. Í Vatnajökli getur ísinn geymst í þúsund ár en í milljónir ára í gaddjökli Suðurskautsins. Á yfirborðinu safnast vatn fyrir í stöðuvötn, ár og læki sem streyma undan bratta til sjávar. Vatn getur líka sokkið djúpt ofan í jörðina, fyllt holur og glufur í berg- og setlögum og myndað grunnvatn [8]. Þar sem grunnvatnsflötur sker yfirborðið koma fram lindir og jafnvel afrennslislaus stöðuvötn eins og Kleifarvatn og Öskjuvatn eru dæmi um [12].

Norðurheimskaut Jarðar í júní 2010
Vatn á fljótandi formi, sem gas og ís á norðurheimskauti Jarðar. Mynd: NASA/MODIS

Útreikningar vísindamanna benda til að í vatnshvolfi jarðar séu 1,6 x 1021 kg af vatni eða um 1.600.000.000.000.000.000.000 lítrar. Þetta hljómar vissulega mikið en er samt örsmár hluti af jörðinni í heild. Væri öllu þessu vatni safnað saman yrði til 1.385 km breiður hnöttur, helmingi minni en tunglið eða um 1.386 milljónir km3. Samkvæmt þessu telur vatn aðeins 0,027% af massa jarðar! Því mætti í raun segja að vatnsreikistjarnan jörðin sé skraufþurr.

Ekki er nákvæmlega vitað hvernig allt þetta vatn barst til jarðar. Líklega hefur jörðin að einhverju leyti myndast úr efnum sem innihéldu vatn sem svo losnuðu síðar út við eldgos, en líka þegar vatnsríkum hnöttum eins og loftsteinum og halastjörnum rigndi yfir jörðina í árdaga sólkerfisins.

12. Lofthjúpur

Sjá nánar: Lofthjúpur jarðar

Lofthjúpur jarðar er þunnt gaslag sem umlykur reikistjörnuna. Hann er að mestu úr nitri (78%) og súrefni (21%) en inniheldur líka aðrar gastegundir eins og argon (0,9%), koldíoxíð (0,039%) og vatnsgufu. Í daglegu tali nefnist þessi gasblanda andrúmsloft. Lofthjúpurinn er viðkvæmasti en um leið mikilvægasti hluti jarðar. Hann ver lífið fyrir orkuríku og skaðlegu ljósi frá sólinni og heldur hitastigi nokkuð jöfnu. Án lofthjúpsins væri lífið óhugsandi.

lofthjúpur jarðar, lagskipting, hvolf
Lofthjúpur jarðar er lagskiptur og þynnist eftir því sem ofar dregur. Hér sést einnig hvernig hitastigið hækkar og lækkar til skiptis með hæð.

Lofthjúpurinn varð líklegast til fyrir tilstilli eldfjallagufa mjög snemma í sögu jarðar, en tók miklum breytingum fyrir um 2,7 milljörðum ára þegar plöntur hófu að ljóstillífa og gefa frá sér súrefni. 

Lofthjúpurinn er þykkastur næst jörðinni en þynnist eftir því sem ofar dregur. Engin föst mörk eru á því hvar hann endar og hvar geimurinn tekur. Alla jafna er þó miðað við að geimurinn byrji í 100 km hæð en þar undir eru 99,99997% lofthjúpsins. Loftþrýstingur er mældur í loftþyngdum (atm) þar sem ein loftþyngd er meðalloftþrýstingur við sjávarmál.

Lofthjúpur jarðar skiptist í fjögur lög og hvörf á milli þeirra:

  • Veðrahvolf (e. troposphere) er næst yfirborðinu og nær 9 km hæð við pólsvæðin en 12 km hæð yfir miðbaugnum. Í veðrahvolfinu lækkar hitastig jafnt og þétt samfara aukinni hæð. Við efri mörk þess er meðalhitinn í kringum -55°C. Innan veðrahvolfsins verða flestöll veðrabrigði jarðar og dregur hvolfið nafn sitt af því.

  • Heiðhvolf (e. stratosphere) tekur við af veðrahvolfinu og teygir sig úr 10 km hæð upp í tæplega 50 km hæð. Í heiðhvolfinu hækkar hitastigið og nær mest 0°C við heiðhvörfin. Í heiðhvolfinu er mestur hluti ósons í lofthjúpnum að finna í 15 til 30 km hæð. Hækkandi hitastig heiðhvolfsins má rekja til þess að óson gleypir í sig geislun sólar.

  • Miðhvolf (e. mesosphere) teygir sig úr 50 km hæð upp í 85 km hæð. Í þessu hvolfi lækkar hitastigið úr frostmarki niður í -85°C við miðhvörfin. Flestir loftsteinar brenna upp í þessu hvolfi.

  • Hitahvolf (e. thermosphere) tekur við af miðhvolfinu og nær upp í 640 km hæð. Hér hækkar hitastigið á ný þegar gastegundirnar gleypa í sig sólarorku.

Auk þessara hvolfa eru jónahvolf og úthvolf. Í jónahvolfinu (milli 60 og 400 km hæð) rífur sólarorkan rafeindir af nitur- og súrefnisatómum svo eftir standa jákvætt hlaðnar jónir (katjónir). Þegar hlaðnar agnir úr sólvindinum rekast á jónir jónahvolfsins myndast orka. Orkuna sjáum við sem eina stórkostlegustu ljósasýningu náttúrunnar: Norðurljósin. Jónahvolfið verkar ennfremur sem spegill sem endurvarpar útvarpssendingum og gerir mönnum kleift að tala saman yfir langar vegalengdir. Í úthvolfinu (milli 500 og 10.000 km hæð) losna atóm frá lofthjúpnum og streyma út í geiminn. Úthvolfið er seinasta lag lofthjúpsins áður en geimurinn tekur raunverulega við.

12.1. Gróðurhúsaáhrif

Gróðurhúsaáhrif, hlýnun jarðar
Gróðurhúsaáhrif. Sólarljós hitar yfirborð jarðar svo það hlýnar og gefur frá sér innrauða geislun. Gastegundir eins og vatnsgufa og koldíoxíð draga innrauðu geislunina í sig og hækka við það meðalhitastig lofthjúpsins og yfirborðsins. Hluti innrauðu geislunarinnar berst aftur út í geiminn. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn.

Yfirborðshitastig jarðar veltur nær eingöngu á orkunni sem berst frá sólinni með rafsegulgeislun. Ef jörðin hefði engan lofthjúp væri hún gaddfreðinn íshnöttur, en glóandi heit drægi hún alla orkuna í sig. Sem betur fer gerist þetta ekki vegna þess að jörðin endurvarpar um 31% sólarljóssins aftur út í geiminn, dregur aðeins 69% orkunnar í sig og geislar frá sér innrauðu ljósi.

Með grundvallareðlisfræði er hægt að reikna út að ef lofthjúpsins nyti ekki við væri 17 stiga frost á yfirborði jarðar. Samt er að meðaltali 15 stiga hiti á jörðinni eða eins og á ágætum íslenskum sumardegi. Þar að auki sýna jarðsöguleg sönnunargögn að jörðin var enn hlýrri á köflum í fjarlægri fortíð. Hvers vegna?

Í andrúmsloftinu eru lofttegundir á borð við koldíoxíð (CO2), vatnsgufu (H2O(g)) og metan (CH4) sem gleypa í sig innrautt ljós. Þessar lofttegundir eru nefndar gróðurhúsalofttegundir og valda þær gróðurhúsaáhrifum. Þegar gróðurhúsalofttegund gleypir innrauða ljóseind byrjar hún að snúast og titra og gefur aftur frá sér innrauða ljóseind. Fljótlega gleypir önnur gróðurhúsalofttegund þessa innrauðu ljóseind og byrjar líka að snúast og titra. Hreyfing sameindanna veldur því að hitastigið í lofthjúpnum hækkar. Því meira magn gróðurhúsalofttegunda í lofthjúpnum, því meiri er gróðurhúsahlýnunin. Án gróðurhúsaáhrifa væri fimbulkuldi á jörðinni og lífið því sem næst ómögulegt. Gróðurhúsaáhrif jarðar hækka hitastigið um 33 gráður og gera jörðina lífvænlega.

gróðurhúsaáhrif, gróðurhúsalofttegundir, koldíoxíð, hlýnun jarðar
Graf sem sýnir styrk gróðurhúsalofttegunda í lofthjúpi jarðar síðastliðin 2000 ár eða svo. Aukningin sem hefst í kringum 1750 er rakin til iðnbyltingarinnar þegar menn hófu að brenna jarðefnaeldsneyti í miklum mæli. Mælikvarðinn sýnir hlutfall lofttegundanna af milljón sameindum (CO2) eða milljarði sameinda (CH4 og N2O) í lofthjúpnum. Mynd: IPCC og Stjörnufræðivefurinn

Talið er að í árdaga hafi gróðurhúsáahrifin verið mun meiri á jörðinni. Rannsóknir benda til þess að snemma í sögunni hafi nægt koldíoxíð og vatnsgufa verið í lofthjúpnum til að hækka hitastigið upp í 85°C. Í dag inniheldur lofthjúpurinn aðeins brot af því koldíoxíði sem komið hefur upp úr jörðinni með afgösun í gegnum tíðina. Í hafinu er 60 sinnum meira koldíoxíð uppleyst en í lofthjúpnum. Enn meira koldíoxíð er bundið í bergi á jörðinni. Koldíoxíð leysist upp í regni og fellur í hafið þar sem það myndar steindir sem kallast karbónöt. Á hafsbotni mynda karbónötin setberg eins og kalkstein.

Á þennan hátt hvarf stærstur hluti koldíoxíðs úr lofthjúpnum á fyrsta ármilljarðinum í sögu jarðar. Heildarmagn koldíoxíðs í hafinu og berginu er 170.000 sinnum meira en í lofthjúpnum í dag. Væri allt þetta koldíoxíð enn í lofthjúpnum væri jörðin svo heit í dag að hafið hefði gufað upp og jörðin væri lífsnauð reikistjarna. Þetta virðist samt hafa gerst á alla vega einum stað í sólkerfinu: Venusi.

Í dag sýna nákvæmar mælingar vísindamanna að styrkur gróðurhúsalofttegunda eins og koldíoxíðs er að aukast. Raunar hefur hann aukist statt og stöðugt frá iðnbyltingunni á 18. öld og næstum tvöfaldast. Ár hvert dæla menn 100 sinnum meira koldíoxíði í andrúmsloftið en eldfjöll á ári.[14]

12.2. Veður og loftslag

Veður og loftslag eru nátengd fyrirbæri en alls ekki það sama. Veður er breytilegt frá degi til dags en loftslag breytist á löngum tíma. Veður lýsir síbreytilegum veðrabrigðum eins og vindi, skýjafari, hitastigi og loftþrýstingi sem valda því að suma daga er hlýtt, heiðskírt og lyngt, en aðra daga kalt, skýjað og hvasst. Á Suðurskautslandinu er loftslag kalt og þurrt, en í regnskógum er það hlýtt og rakt. Setlög sýna að lofslag getur breyst, en breytingarnar eiga sér stað yfir áratugi, aldir og árþúsundir.

13. Jöklar

Sjá nánar: Jöklar

jöklar, Íslands, Vatnajökull
Íslenskir jöklar á mynd MODIS sem tekin var 9. september 2002. Mynd: MODIS Rapid Response Team / GSFC / NASA.

Jöklar og ísbreiður þekja um 10% af yfirborði jarðar. Jöklar finnast í öllum heimsálfum að Eyjaálfu undanskildri en sá stærsti er ísbreiða Suðurheimskautsins. Jöklar eru stærstu forðabúr ferskvatns á jörðinni. Ef allir jöklar jarðar bráðnuðu, myndi sjávarborð hækka um 70 metra (án þess að tillit sé tekið til landris af völdum fargbreytingarinnar) [1].

Áður fyrr voru jöklar mun stærri en þeir eru nú. Á kuldaskeiðum kvartertímabilsins – ísöldum – huldu jöklar um þriðjung af yfirborði jarðar en rýrnuðu töluvert á hlýskeiðum. Jöklar svara hratt loftslagsbreytingum. Á hlýindatímum hopa þeir hratt en skríða að sama skapi fram á kuldatímum.

Jöklar eru með áhrifamestu roföflum náttúrunnar. Við hop og framrás marka þeir spor sín í landslagið sem hægt er að lesa úr sögu loftslagsbreytinga, jafnvel löngu eftir að þeir eru horfnir. Á Íslandi og víðar um heim hafa jöklar ísaldar grafið djúpa firði, sorfið dalbotna, myndað djúpar lægðir sem nú eru stöðuvötn, slípað hvassa fjallstinda og mótað fjöll. Jöklarnir mynda líka fjötra um eldstöðvar. Þegar gýs undir jökli hlaðast upp móbergshryggir eða stapar eins og Herðubreið, eitt fegursta dæmið þar um. Við sporð jökla hlaðast upp jökulgarðar og marka þeir ystu mestu útbreiðslu jökulsins [2].

Frá jöklum streymir bræðsluvatn í beljandi jökulár sem myndað hafa gljúfur og sanda eins og Skeiðarársand og Mýrdalssand. Í jökulhlaupum berst feykilegt magn af vatni og seti til sjávar. Í sumum tilvikum, eins og Kötluhlaupum, verða jökulhlaup um tíma mestu vatnsföll jarðar, stærra en Amazonfljótið.

suðurheimskautið, suðurskautið, antarctica, suðurpóllinn
Samsett mynd frá MODIS myndavélinni í Aqua gervitungli NASA af Suðurheimskautinu. Myndin var tekin 27. janúar 2009. Suðurheimskautið er stærsta ísbreiða heims. Mynd: MODIS Rapid Response Team / GSFC / NASA.

14. Veðrun og rof

Sjá nánar: Veðrun og rof

Jörðin er síbreytileg, ekki aðeins af völdum eldgosa og flekahreyfinga heldur líka vegna veðrunar og rofs. Veðrun er það ferli sem brýtur upp, tærir og umbreytir föstu bergi í set. Öll fjöll og annað landslag á jörðinni veðrast með mismunandi hætti með tímanum.

Við veðrun og rof verður til jarðvegur sem myndast hefur við afl- og efnaveðrun, vatni sem seytlar niður í gegnum efnið, leysist upp og flytur jónir, efni og efnasambönd niður á við. Þar safnast þau fyrir og verða að næringarefnum fyrir lífverur sem síðan breyta gerð og samsetningu jarðvegsins með tíð og tíma. Jarðvegur er ein mikilvægasta og viðkvæmasta auðlind jarðar. Án hans væru engir skógar, enginn landbúnaður og engin menning.

15. Jarðsagan

Jörðin varð til á sama tíma og sólkerfið, fyrir um 4,56 milljörðum ára. Reikistjörnurnar mynduðust líklega í skrefum í stað þess að vaxa jafnt og þétt samfara aukinni efnissöfnun. Það tók jörðina sennilega ekki nema 30 til 50 milljón ár að myndast með þessum hætti.

Rannsóknir á tunglgrjóti sem geimfarar Apollo leiðangranna fluttu heim til jarðar, styður þá mynd að tunglið hafi orðið til eftir risaárekstur hnattar á stærð við Mars við hina ungu jörð, innan við 50 til 100 milljón árum eftir myndun hennar. Við áreksturinn runnu efnin í hnöttunum að einhverju leyti saman en hluti varpaðist út í geiminn og varð tunglið til úr því efni. Sennilega hefur tunglið myndast á innan við öld eftir áreksturinn. Árekstrarkenningin skýrir meðal annars möndulhalla jarðar og hvers vegna sólarhringurinn var styttri fyrir milljörðum ára.

Fyrst um sinn var jörðin bráðin en með tímanum kólnaði ysta lag hennar og föst skorpa tók á sig mynd. Við útgösun og eldvirkni myndaðist lofthjúpur. Í lofthjúpnum þéttist vatnsgufa sem rigndi niður á yfirborðið, en utan úr geimnum rigndi halastjörnum og loftsteinum sem báru með sér mikið vatn. Öll þessi ferli áttu sinn þátt í tilurð hafsins. Svo snemma í sögu sólkerfisins var birta sólar aðeins 70% af birtu hennar í dag. Engu að síður var fljótandi vatn á jörðinni sem bendir til þess að gróðurhúsaáhrif hafi komið í veg fyrir að höfin frysu [7].

Í sögu jarðar hafa jarðlög sífellt verið að myndast eða eyðast. Ný jarðlög verða til ofan á öðrum eldri. Af því dró Daninn Nikulás Stenó aðra meginreglu jarðfræðinnar, regluna um afstöðu jarðlaga: Efra lagið er ávalt yngra en það sem undir liggur. Í jarðfræði er nútíminn lykillinn að fortíðinni, eins og Bretarnir James Hutton og Charles Lyell bentu á. Það þýðir að sömu ferli hafa verið að verki á jörðinni frá því hún varð til og skilja þau eftir sig sömu verksummerki og þau gera enn í dag. Sjálfsævisaga jarðar er rituð í þessi jarðlög, en þótt hún liggi hvergi sem ein heild geta jarðvísindamenn beitt aðferðum sínum til að lesa hana býsna nákvæmlega.

Í jarðlögum er víða að finna steingerðar leifar dýra og plantna. Steingervingarnir dreifast ekki jafnt um jarðlögin heldur koma fyrir í einu lagi á eftir öðru. Dýr og plöntur lifa í mjög skamman tíma jarðsögulega séð og finnast þess vegna aðeins í ákveðnum jarðlögum en ekki mörgum misgömlum.

Jarðsögunni er skipt aldir (e. eon) sem er stærsta eining jarðsögutímans. Öldunum er skipt í tímabil (e. era), tímabilunum í tíma (e. periods) og tímunum í skeið (e. epochs). Samkvæmt gamalli hefð eru fyrstu tvær aldirnar, upphafsöld og frumlífsöld, nefndar einu nafni forkambríum en þær taka yfir 90% jarðsögunnar [12]. Fyrir um 545 milljón árum hefst fornlífsöld og miðlífsöld, öld risaeðla, fyrir 251 milljón árum. Í lok aldauðaatburðarins fyrir um 65 milljónum ára, þegar rúmlega 80% af lífi á jörðinni deyr út, hófst nýlífsöld, öld spendýra, yngsta jarðsöguöldin og sú sem nú stendur yfir. Yfirstandandi tímabil nefnist kvarter og lifum við á nútíma sem hófst fyrir um 10.000 árum eða í lok síðasta jökulskeiðs ísaldar. Á Íslandi eru elstu jarðlög frá síðtertíer eða fyrir um 15 milljónum ára.

Jarðsögutímabil. Mynd: Emil Hannes Valgeirsson
Jarðsögutímabilin. Mynd: Emil Hannes Valgeirsson

16. Lífið

Jörðin er eina reikistjarnan sem við vitum um í alheiminum að hefur getið af sér líf. Það gerir hana einstaka. Allt líf á jörðinni þrífst í þunnu lagi sem kallast lífhvolf. Lífhvolfið teygir sig um 3 km niður í skorpuna, þar sem bakteríulíf þrífst, og fáeina km upp í veðrahvolfið. Lífhvolfið hefur þróast í milljarða ára og er sérlega viðkvæmt og flókið kerfi þar sem plöntur og dýr þurfa að reiða sig á hvort annað til að lifa af.

Á jörðinni þrífast milljónir lífvera á ótrúlegustu stöðum, allt frá dýpstu gljúfrum hafsbotnsins til hæstu fjallstinda, frá hverum til jökulíss og frá nöprum heimskautasvæðum til funheitra eyðimarka.

Steingervingar geyma mikla sögu lífsins á jörðinni, en þeir segja okkur ekki nákvæmlega hvenær eða hvar lífið kviknaði og enn síður hvernig. Jörðin var ekki beinlínis lífvænlegur staður fljótlega eftir myndun hennar. Á jörðinni dundi stöðugt regn loftsteina, smástirna og halastjarna sem gerði hana óbyggilega. Rannsóknir á gígum á tunglinum benda til þess að síðustu stóru árekstrarnir hafi orðið fyrir 4,2 til 3,9 milljörðum ára og í lok þess tíma varð síðbúna risaárekstrahrinan..

Rannsóknir líffræðinga og jarðfræðinga benda til þess að líf hafi þrifist á jörðinni fyrir um 3,85 milljörðum ára. Sé það rétt hefur líf kviknað á jörðinni á augabragði, jarðfræðilega séð, um leið og regningu slotaði og aðstæður leyfðu.

Erfitt er að finna steingervinga frá þessum tíma, einfaldlega vegna þess að svo gamalt berg er fágætt. Það hefur að miklu leyti endurnýjast eða myndbreyst svo mikið að öll ummerki steingervinga hafa afmást. Þar að auki var allt líf á þessum tíma örsmátt og það er mjög erfitt að greina, jafnvel í heimsins bestu smásjám.

Jarðfræðingar hafa þrátt fyrir allt fundið berg sem bendir til þess að líf hafi þrifist á jörðinni fyrir 3,5 milljörðum ára og hugsanlega nokkur hundruð milljón árum áður. Ítarlegar rannsóknir á steingerðum leifum strómatólíta benda til þess að sumir þeirra hafi verið uppi fyrir 3,5 milljörðum ára. Ef svo er er nokkuð ljóst að enn frumstæðari lífverur voru upp nokkru fyrr. Til þess benda sönnunargögn einmitt. Þótt eldra berg hafi breyst mikið geymir það samt sem áður kolefni sem eitt sinn var hluti af lífverum.

Kolefni hefur tvær stöðugar samsætu: kolefni-12, sem hefur 6 róteindir og 6 nifteindir í kjarnanum, og kolefni-13 sem hefur eina auka róteind. Lífverur eiga auðveldara með að taka við kolefni-12 og þess vegna er alltaf örlítið minna af kolefni-13 í steingervingum en í því bergi sem ekki inniheldur steingervinga. Allt líf og allir steingervingar sem hafa verið rannsakaðir sýna sama hlutfall milli þessara kolefnissamsæta. Í sumu bergi sem er meira en 3,85 milljarða ára eru sömu hlutföll kolefnis-12 og kolefnis-13. Það bendir til þess að í berginu séu leifar lífs.

Steingervingar sýna sem sagt að líf þreifst á jörðinni fyrir 3,5 milljörðum ára og kolefnissamsætur benda til þess að líf hafi verið á jörðinni fyrir meira en 3,85 milljörðum ára. Þess vegna er ekki annað hægt en að álykta sem svo að lífið á jörðinni hafi kviknað aðeins nokkur hundruð milljón árum eftir að hún varð til.

17. Segulsvið

segulsvið, norðurljós, kórónuskvettur, sólblossar, sólgos
Samspil sólar og segulsviðs jarðar. Hér sést þegar kórónuskvetta sendir frá sér mikið magn agna sem svo rekast á segulsvið jarðar og mynda norðurljós. Mynd: Steele Hill/NASA og Stjörnufræðivefurinn.

Jörðin hefur segulsvið sem talið er myndað af rafstraumum í ytri kjarnanum. Þar sem ytri kjarninn er að mestu úr bráðnu járni mynda iðustraumar og hræring í honum segulsviðið. Rannsóknir á gömlu bergi styðja þessa hugmynd því þegar járnrík kvika kólnar og storknar verður hraunið segulmagnað. Segulmögnunarstefnan vísar í sömu átt og segulsvið jarðar á þeim tíma þegar bergið myndaðist; það er eins og segulsviðið frjósi fast í berginu. Með segulmælingum bergs á mismunandi aldri hafa jarðfræðingar komist að því að segulsviðið hefur snýst við á nokkur þúsund til hundruð þúsund ára fresti. Seinast urðu segulpólskipti fyrir um það bil 700.000 árum.

Segulsviðið er tvípólsvið. Á yfirborði jarðar eru þess vegna tveir segulpólar á sitt hvoru heimskautinu. Segulpólarnir eru nú norðvestan við Grænland og á Suðurskautslandinu, um 11,5° frá hinum eiginlegu norður- og suðurpólum.

Skipta má segulsviðinu í tvo hluta, annars vegar innra sviðið og hins vegar ytra sviðið. Innra sviðið á upptök sín í kjarna jarðar og að litlu leyti í segulmögnun efstu jarðlaga. Ytra sviðið á aftur á móti upptök sín í sólvindinum og er það mun veikara en mjög breytilegt.

Segulsviðið nær langt út fyrir lofthjúp jarðar þar sem það verkar við hlaðnar agnir sólvindsins; straumi róteinda og rafeinda frá sólinni sem ferðast næstum 450 km hraða á sekúndu við jörðina. Það svæði í geimnum þar sem hreyfingar agnanna sem mótast fyrst og fremst af segulsviði jarðar nefnist segulhvolf. Þegar agnirnar rekast fyrst á segulsviðið hægja þær mjög skyndilega á sér. Á sólarhliðinni þjappa þær segulhvolfinu saman en á næturhliðinni dregst það út í nokkurs konar hala.

Agnir sólvindsins leka stundum í gegnum segulhvolfið. Þegar það gerist festast þær í segulsviðinu í tveimur stórum og þéttum kleinuhringslaga geislabeltum sem nefnd eru Van Allen belti. Van Allen beltin uppgötvuðust árið 1958 þegar Bandaríkjamenn skutu fyrsta gervitunglinu sínu út í geiminn. Beltin eru nefnd eftir eðlisfræðingnum James Van Allen sem krafðist þess að í gervitunglinu yrðu Geigerteljarnar til að greina hlaðnar agnir. Innra beltið er þéttast í um 3.000 km hæð yfir jörðu og að mestu úr róteindum. Ytra beltið er þéttast í um 16.000 km hæð og inniheldur að mestu rafeindir. Innra beltið er mjög stöðugt en það ytra er mjög háð sólvindinum.

Segulsviðið getur veikst og færst mikið og óreglulega til. Þetta gerist þegar hreyfingar í ytri kjarnanum verða of flóknar eða einfaldar til að viðhalda rafstraumum. Dofnunin stendur yfir í fáein þúsund ár en nær sér svo aftur á strik.

Segulsviðið er lífinu lífsnauðsynlegt. Það ver okkur fyrir ágangi sólvindsins og geimgeisla sem annars dynja á jörðinni alla daga. Segulsviðið bægir ögnunum frá okkur eins og regnhlíf.

Þegar segulsviðið er veikt eiga geimgeislar greiðari leið inn í lofthjúp jarðar. Menn hafa lengi velt fyrir sér hugsanlegum áhrifum þess á veður, t.d. aukna skýjamyndun, og lífverur. Ekki hefur tekist að sýna fram á nokkuð sem styður þær hugmyndir hingað til. Þó er vitað að geimgeislar valda aukinni framleiðslu geislavirkra samsæta í háloftunum eins og C14.

Styrkur segulsviðsins er á flestum stöðum við yfirborð jarðar milli 35.000 til 65.000 nanótesla (35-65 míkrótesla). Á Íslandi hefur segulsviðsstyrkurinn verðið mældur frá 1958 í Leirvogi í Mosfellsbæ. Hann reynist vera um 50.000 nanótesla (50 míkrótesla).

17.1 Norðurljós

Sjá nánar: Norðurljós

Suðurljós úr geimnum
Suðurljósin séð úr Alþjóðlegu geimstöðinni þann 17. september 2011. Stjörnufræðivefurinn valdi þessa mynd bestu stjörnuljósmynd ársins 2011. Mynd: Image & Science Laboratory, NASA Johnson Space Center

Norðurljós verða til þegar hraðfara agnir sólvindsins leka í gegnum segulsviðið og rekast á lofthjúp jarðar. Við árekstrana örva sólvindsagnirnar atómin í lofthjúpnum á hærra orkustig og þegar þau falla aftur niður í grunnástand sitt gefa þau frá sér ljós.

Norðurljósin eru venjulega í um 100 km hæð. Algengasta lit þeirra, grænann, má rekja til súrefnis í lofthjúpnum. Norðurljós eru sem sagt óháð veðurfari, þvert á það sem margir halda.

Norðurljós eru tíðust í svonefndu norðurljósabelti eða norðurljósakraga sem liggur umhverfis norðurskautið í 2 til 3 þúsund km fjarlægð frá segulskautinu. Ísland liggur undir norðurljósabeltinu og sjást þess vegna norðurljós svo til alltaf, af því gefnu að heiðskírt er. Samsvarandi belti er á suðurhveli jarðar, yfir suðurskautinu, þar sem myndast hliðstæð suðurljós.

Í kjölfar öflugra sólblossa eða kórónuskvetta geta norðurljósin orðið sérstaklega öflug og sést langt suður á bóginn. Slíkir atburðið geta leitt af sér segulstorma. 

18. Tunglið

Sjá nánar: Tunglið

jarðarupprás, tunglið, apollo 8
Tunglið er eini náttúrulegi fylgihnöttur jarðar. Hér sést jarðarupprás frá tunglinu. Myndina tóku geimfarar um borð í Apollo 8 sem hringsólaði um tunglið jólin 1968. Mynd: NASA.

Tunglið (máninn) er eini náttúrulegi fylgihnöttur jarðar. Tunglið er fimmta stærsta tungl sólkerfisins á eftir Ganýmedesi, Títan, Kallistó og Íó. Það er nokkuð stórt miðað við jörðina eða tæplega fjórðungur af þvermáli jarðar. Tunglið er þannig stærsti fylgitungl sólkerfisins miðað við stærð móðurreikistjörnunnar.

Augljóstustu og áþreiðanlegustu áhrif tunglsins á jörðin eru sjávarvöll. Þau verða vegna þyngdartogs milli jarðar og tunglsins. Þessir sömu flóðkraftar hafa orðið til þess að tunglið snýr alltaf sömu hliðinni að jörðinni. Tunglið snýst einn hring umhverfis jörðina á sama tíma og það snýst einn hring um möndul sinn. Þegar tunglið snýst einn hring umhverfis jörðina eru mismunandi hlutar þess upplýstir frá jörðu séð sem leiðir til kvartilaskipta.

Frá jörðu séð er tunglið rétt nógu langt í burtu til að sýnast álíka stórt á himninum og sólin. Hornstærð beggja hnatta á himninum er hálf gráða eða svo vegna þess að sólin er 400 sinnum stærri að þvermáli en tunglið en líka 400 sinnum lengra í burtu.

Sönnunargögn, sem meðal annars var aflað í tunglferðunum, benda til þess að tunglið hafi myndast eftir árekstur hnattar á stærð við Mars við jörðina í árdaga sólkerfisins. Við áreksturinn þeyttist efni út í geiminn sem að lokum myndaði tunglið.

Myndir af jörðinni

 Jörðin, blái hnötturinn  

Blái hnötturinn í háskerpu

Þessi glæsilega mynd af jörðinni er sett saman úr myndum sem teknar voru 4. janúar 2012 með Suomi NPP gervitungli NASA. Á henni sést meginland Norður Ameríku, mið Ameríka og hluti Suður Ameríku. Í Mexíkóflóa sést grænleitur þörungarblómi. Mynd: NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring

jörðin, MESSENGER  

Jörðin frá MESSENGER

Ljósmynd sem MESSENGER geimfarið tók 2. ágúst 2005 úr 2348 km fjarlægð á leið sinni til Merkúríusar. Myndin er tekin yfir miðju Kyrrahafi og sjá má Suður-Ameríku til hægri Norður-Ameríku til vinstri. Ef nánar er að gáð sést reykur frá skógareldum í Amazon regnskóginum. Mynd: NASA/JHUAPL

aurkeila, Íran  

Aurkeila í suður Íran

Þessi ljósmynd sýnir aurkeilu í Fars héraði í suður Íran. Aurkeilan verður til þegar vatn flytur set úr Zagros fjöllunum og dreifir úr sér yfir stærra svæði. Íbúar héraðsins nýta vatnið til að yrkja jörðina. Aurkeilur sem þessar eru t.d. mjög algengar í eyðimörkum á jörðinni. Myndin var tekin með Terra gervitungli NASA þann 12. október 2004. Mynd: NASA - Terra

vorblómi, þörungablómi, svif, Ísland  

Vorblómi við Íslandsstrendur

Á vorin vaknar gróður af dvala og grænn litur verður áberandi. Þetta gerist líka í hafinu. Á vorin myndast lagskipting í yfirborði sjávar vegna hækkandi hita og vorbráðnunar sem veldur því að ferskvatnsstreymi til sjávar eykst við strandsvæði. Yfir vetrartímann hafa næringarefni (nitur, fosfór og kísill) blandast upp til yfirborðsin. Það er grundvöllur þess að vorblómi þörunga geti átt sér stað. Vorblómi þörunganna byrjar fyrst á vorin við strendurnar en færist svo utar eftir því sem á líður. Vorblóminn er mikilvægur liður í að tryggja að sjávarlífverur hafi nóg af æti. Mynd: NASA/MODIS

eldgos, Fimmvörðuháls, Eyjafjallajökull  

Eldgos á Fimmvörðuhálsi

Þann 20. mars 2010 opnaðist 500 metra löng gossprunga á Fimmvörðuhálsi milli Eyjafjallajökuls og Mýrdalsjökuls. Voru þá 189 ár liðin frá seinasta gosi í Eyjafjallajökli. Gosstrókar náðu tugi metra upp í loftið og hraun rann í tignarlegum fossum niður í Hraunagil og Hvannárgil. Ný sprunga opnaðist 31. mars norðvestan við eldri sprunguna. Gosinu á Fimmvörðuhálsi lauk þann 13. apríl. (Sjá nánar á vef Jarðvísindastofnunar Háskóla Íslands og Veðurstofu Íslands. Fleiri myndir á vef NASA.)

gosmökkur, aska, Eyjafjallajökull, eldgos  

Gosmökkurinn frá Eyjafjallajökli 17. apríl 2010

Aðfaranótt 14. apríl hófst mun stærra gos undir sjálfum Eyjafjallajökli sem hafði mikil áhrif á flugsamgöngur í Evrópu. Hér sést gosmökkurinn frá eldstöðinni berast yfir Atlantshafið á þessari mynd sem tekin var kl. 13:20 þann 17. apríl 2010. Mynd: NASA/MODIS

 Grímsvötn, eldgos, 2011, aska, gosmökkur  

Gosmökkur frá Grímsvötnum 22. maí 2011

Laugardaginn 21. maí 2011 hófst eldgos í Grímsvötnum, virkustu eldstöð Íslands, eftir sjö ára hlé. Gosmökkurinn náði upp í 20 km hæð. Ekki hefur orðið jafn öflugt gos í Grímsvötnum í meira en öld. Hér sést gosmökkurinn yfir Vatnajökli og hvernig askan berst suður yfir landið út í Atlantshafið.

Efsti hluti gosmakkarins er svo til hringlaga og nefnist regnhlífarsvæðið. Það verður til þegar þéttleiki gosmakkarins er orðinn jafn mikill og þéttleiki lofthjúpsins í kring. Mökkurinn dreifir þá úr sér og myndar sveppalaga eða regnhlífarlaga ský. Skýið er ekki alveg hringlaga vegna háloftavinda í heiðhvolfinu.

Myndin var tekin með Terra gervitungli NASA þann 22. maí 2011 kl. 13:00 að íslenskum tíma. Mynd: NASA/MODIS.

Tengt efni

Heimildir

  1. Douglas Benn og David Evans. 1998. Glaciers & Glaciations. Arnold Publishing, London.
  2. Helgi Björnsson. 2009. Jöklar á Íslandi. Bókaútgáfan Opna, Reykjavík.
  3. Jeffrey Bennett, Megan Donahue, Nicholas Schneider og Mark Voit. 2010. The Cosmic Perspective. Addison-Wesley, San Francisco.
  4. James B. Kaler. 1996. The Ever-Changing Sky: A Guide to the Celestial Sphere. Cambridge University Press, London.
  5. Magnús Tumi Guðmundsson. Glósur í Almennri jarðeðlisfræði við Háskóla Íslands.
  6. Páll Einarsson, 1991. "Jarðskjálftabylgjur." Náttúrufræðingurinn, 61 (1), bls. 57-69.
  7. Roger Freedman og William Kaufmann. 2008. Universe, 8. útgáfa. W. H. Freeman & Company, New York.
  8. Stephen Marshak. 2005. Earth: Portrait of a Planet, 2. útgáfa. W. W. Norton & Company, New York.
  9. Unnsteinn Stefánsson. 1991. Haffræði I. Háskólaútgáfan, Reykjavík
  10. Unnsteinn Stefánsson. 1994. Haffræði II. Háskólaútgáfan, Reykjavík.
  11. Þorsteinn Sæmundsson. 1972. Stjörnufræði – Rímfræði. Bókaútgáfa Menningarsjóðs og Þjóðvinafélagsins, Reykjavík.
  12. Þorleifur Einarsson. 1991. Myndun og mótun lands. Mál og menning, Reykjavík.
  13. Muller, R.D., M. Sdrolias, C. Gaina, og W.R. Roest 2008. Age, spreading rates and spreading symmetry of the world's ocean crust, Geochem. Geophys. Geosyst., 9, Q04006, doi:10.1029/2007GC001743.
  14. Gerlach, T. M. 2011. Volcanic versus anthropogenic carbon dioxide. EOS, Trans. AGU, 92(24), 201-202.

Hvernig vitna skal í þessa grein

  • Sævar Helgi Bragason (2010). Jörðin. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornufraedi.is/jordin (sótt: DAGSETNING).