Bijace serce Gei

Nasza droga planeta posiada dwa podstawowe systemy ogrzewcze, ktorych obecnosc jest niezbedna dla utrzymania zycia. Jednym z nich i to takim, ktory znany jest kazdemu, jest nasz Slonce. Drugim, mniej powszechnie docenianym ale nie mniej waznym jest energia termiczna generowana wewnatrz Ziemi. Klasyczna geofizyka laczyla niegdys to zrodlo energii cieplnej z efektem niecalkowitego wystudzenia jadra Ziemi. Jak oceniaja geolodzy Ziemia liczy sobie okolo 4-5 miliardow (10^9) lat. Mechanizm jej powstania nie jest znany ale przypuszcza sie, ze planety ukladu slonecznego powstaly albo w wyniku wyrwania czesci materii slonecznej w wyniku bliskiego przejscia badz kolizji ze Sloncem innego ciala niebieskiego (Nemesis ?) albo w wyniku kondensacji okolo-slonecznego pylu kosmicznego. Powstale planety posiadaly poczatkowo wysoka temperature, ktora nota bene powodowale tez calkowita sterylizacja tych  planetarnych obiektow, ale ktora z biegiem owych 4-5 miliardow lat ulegla obnizeniu przez promieniowanie energii w Kosmos. W mysl tego pogladu wnetrze Ziemi nie zdazylo sie jeszcze wychlodzic calkowicie i dlatego obserwujemy gradient temperatury w skorupie.  Szacunkowe obliczenia wykonane przez Wiliama Thomsona (lord Kelvin) wykazaly jednak, ze Ziemia powinna byla byc juz dawno schlodzona kompletnie gdyby energia cieplna w niej zawarta miala byc usuwana przez przewodnictwo do powierzchni a jej czas "zycia" byl zgodny z oszacowaniem geologow.  Stad wniosek, ze albo geolodzy przeceniaja czas istnienia Ziemi albo tez wewnatrz globu musi istniec aktywne zrodlo generacji ciepla. Tym zrodlem ma byc wedlug geologow cieplo generowane w wyniku radioaktywnego rozpadu naturalnych pierwiastkow promienitworczych. Istotnie, Ziemia posiada cztery szeregi naturalnych  pierwiastkow promieniotworczych, na czele ktorych stoja izotopy uranu U-238, U-235 , izotop toru Th-232 oraz izotop plutonu Pu-241. Istnieje tez siedem innych pierwiastkow promieniotworczych nie nalezacych do powyzszych szeregow.  Wszystkie te pierwiastki maja okresy polowicznego zaniku znacznie dluzsze niz oszacowany czas istnienia Ziemi a wiec moga byc zrodlem energii termicznej powstajacej w wyniku hamowania produktow rozpadu wewnatrz materii globu. Ta "radioaktywna" hipoteza zrodla energii wewnatrz-ziemskiej.jest tez uzywana dla wyjasnienia efektow wulkaniczno-geotermicznych takich jak gejzery, cieple zrodla czy wyplyw magmy. Czy jest to jednak jedyne zrodlo energii jakim dysponuje Nasza Droga Planeta? Jesli spojrzymy na wyniki badan glacjologicznych, o ktorych pisalem uprzednio to widzimy, ze Ziemia przynajmniej  w ciagu ostatnich 500 000 lat przejawiala regularne wzrosty sredniej temperatury przedzielane dlugimi,(okolo 100 000 lat ) okresami oziebienia. Tego typu zachowanie nie moze byc wyjasnione efektami rozpadu radioaktywnych pierwiastkow wewnatrz Ziemi. Rozpad radioaktywny przebiega monotonicznie w czasie  i wobec tego powinnismy obserwowac co najwyzej stopniowe i systematyczne obnizanie sie temperatury sredniej globu w miare jak zmniejsza sie ilosc materialu radioaktywnego.  Nie ma mowy o tym aby sam rozpad naturalnych pierwiastkow promieniotworczych mogl posluzyc do wyjasnienia obserwowanych oscylacji temperatury. Oszacowana na podstawie rozpadu naturalnego ilosc energii generowanej we wnetrzu Ziemi jest zreszta znaczna. Moc ziemskiego systemu ogrzewczego szacowana jest na okolo 4.44x10^4 GW (G= 10^9) czyli  sto razy wiecej niz moc najpotezniejszej silowni elektrycznej jaka istnieje obecnie na Ziemi. Nie jest to jednak moc wystarczajaca aby zapewnic plynnosc jadra Ziemi. Ponadto, jak wspomnialem, jest to moc z grubsza rzecz biorac generowana monotonicznie na przestrzeni wiekow a wiec nie wyjasniajaca okresowosci przyplywow i malen energii cieplnej Ziemi. Spojrzmy na rysunek przedstawiajacy schematycznie budowe wewnetrzna Ziemi. W zasadzie ludzkosc jest troche podobna do insekta jadacego na skorze slonia. I mniej wiecej wiemy tez tyle samo co on  o budowie i energetyce obiektu, na ktorym sie znajdujemy. Wiemy, ze Ziemia pokryta jest skorupa, o grubosci okolo 30 km, skladajacej sie z odpadkow organizmow zywych oraz produktow erozji skal, osadzonych na podlozu skaly granitowej lub bazaltowej. Obecnie najglebsze kopalnie nie przekraczaja 3500 metrow glebokosci a wiec jak dotad nie przekroczylismy grubosci skorupy. Skorupa ziemska jest jednak ciensza pod powierzchnia oceanow i tam wlasnie probujemy przekroczyc granice pomiedzy skorupa a plaszczem Ziemi (granica Moho)  aby sprawdzic jaki jest wlasciwie sklad nastepnej warstwy Ziemi. Jak dotad usilowania te nie zakonczyly sie sukcesem i mozemy tylko przypuszczac, ze plaszcz Ziemi, czyli warstwa lezaca ponizej skorupy i majaca grubosc okolo 3000 km  jest zbudowana ze szkla (oliwinu) bedacego glownie roztworem stalym tlenku zelaza w krzemianie magnezu. Wewnatrz tej "szklanej  kuli" znajduje sie najciekawsza czesc Ziemi czyli jej jadro. Cokolwiek wiemy o budowie jadra pochodzi ze zrodel nie-bezposrednich. Glownie z danych dotyczacych rozchodzenia sie fal sejsmicznych. Jak mozna ocenic, jadro sklada sie z warstwy plynnej (jadro zewnetrzne) o grubosci okolo 2000 km oraz ze stalego, kulistego jadra wewnetrznego o promieniu okolo 1300 km.  Nie jest wykluczone, ze w jadrze  mamy do czynienia  z rownowaga fazy cieklej i stalej  bedacych w trakcie przemiany fazowej pierwszego rodzaju. Istotna jest tutaj wzglednie duza gestosc jadra w porownaniu z gestoscia skorupy i plaszcza. Tak wiec gestosc jadra wewnetrznego szacowana jest na okolo 17 g/cm^3 a gestosc plynnego jadra zewnetrznego na okolo 12 g/cm^3. Dla porownania gestosc plaszcza wynosi okolo 7 g/cm^3 a skorupy jest rzedu  3 g/cm^3.  Sugeruje to naturalnie, ze wnetrze Ziemi zawiera pierwiastki najciezsze. Geolodzy i geofizycy sa sklonni podejrzewac, ze sklada sie ono z zelaza i niklu. Jesli jednak porownamy gestosci (naziemne) na przyklad olowiu - 11.3 g/cm^3, srebra - 10.5 g/cm^3 , miedzi - 8.92 g/cm^3  czy zelaza 7.86 g/cm^3 to trzeba dojsc do wniosku, ze bardziej prawdopodobnymi pierwiastkami wchodzacymi w sklad jadra sa:  zloto- 17 g/cm^3 (stan ciekly) czy 19.3 g/cm^3 (stan staly), platynowce 21.5 g/ cm^3 czy uran 18.7 g/cm^3. Oczywiscie powinnismy wziasc pod uwage poprawki na temperature ( w jadrze rzedu 4000-6000 stop. Celsjusza) i cisnienie ale wzrost temperatury powoduje na ogol zmniejszenie gestosci zas scisliwosc metali cieklych nie jest duza. To zas wskazuje, ze to raczej nie zelazo czy nikiel sa glownymi skladnikami jadra. Zawiera ono w pierwszym rzedzie uran , zapewne takze pluton i byc moze zloto. Taki zas sklad otwiera nowa mozliwosc energetyki wewnatrz-ziemskiej a mianowicie reakcje rozszczepienia podobne do tych jakie zachodza w reaktorach  i bombach jadrowych. Inaczej mowiac, nalezy rozpatrzec takze mozliwosc tego, ze w jadrze Ziemi zachodza procesy podobne do tych, ktore przebiegaja w bombie atomowej oraz w reaktorach energetycznych. To, ze reakcje lancuchowego rozszczepiania moga zaistniec bez pomocy ludzkiej inzynierii dowodzi przyklad reakcji, ktora zaszla w zlozach rudy uranowej w Oklo w Gabonie okolo 2 miliardy lat temu a wiec wczesniej niz pojawily sie na Ziemi pierwsze zywe organizmy. Trzeba wiec  dopuscic  mozliwosc wystapienia cyklicznej reakcji rozszczepienia w jadrze Ziemi, ktora to cyklicznosc moglaby wyjasnic periodycznosc obserwowanych wzrostow sredniej temperatury globu. Reakcja rozszczepienia jest reakcja autokatalityczna gdyz powstale w procesie neutrony powoduja podtrzymanie sekwencji reakcji oraz wzrost ilosci materialu rozszczepialnego. Jesli przyjmiemy, ze wnetrze jadra Ziemi stanowi mieszanina metali ciezkich z przewaga izotopow uranu : U-238 i U-235 to musimy sie liczyc z zachodzeniem procesow naturalnego rozszczepienia, w ktorych atomy uranu samorzutnie rozpadaja sie na dwa lzejsze pierwiastki  oraz 2 do 3 wolnych neutronow. U-235 ma okres pol-rozszczepienia  wynoszacy 1.8x10^17 lat a U-238 okres pol-rozszczepienia rzedu 8x10^15 lat. Podobnemu procesowi spontanicznego rozpadu ulegaja takze izotop U-234 i Pu-239. Produkty rozpadu maja sklad podobny do tego jaki obserwujemy przy rozszczepieniu neutronami gdyz te ostatnie wlasciwie tylko katalizuja reakcje rozszczepienia, ktora bez nich przebiegalaby wolniej. Spontaniczne rozszczepienia dostarcza wiec tylko neutronow inicjujacych, ktore dalej juz umozliwiaja powstanie reakcji lancuchowej. Dla uproszczenia przyjmijmy, ze mamy do czynienia z nastepujaca sekwencja wydarzen: Powstale w wyniku spontanicznego rozszczepienia neutrony dziela sie rolami. Jeden z nich zostaje pochloniety przez bedacy w nadmiarze izotop U-238. W wyniku powstaje izotop nietrwaly U-239, ktory rozpada sie szybko do neptunu, Np-239 ten zas do Pu-239. Powstajace jadro plutonu Pu-239 chwyta pozostaly (badz inny) neutron i ulega rozszczepieniu indukowanemu neutronem. W wyniku powstaja znowu dwa lzejsze jadra, sporo enargii kinetycznej fragmentow oraz dwa lub trzy wolne neutrony a caly proces sie powtarza. Faktycznie mamy wiec do czynienia z dwoma reagentami: neutronami i jadrami Pu-239. Neutrony maja skonczony czas polrozpadu beta (na proton, elektron i antyneutrino) wynoszacy okolo 9 minut. To zas oznacza, ze stezenie U-238 lub Pu-239 musi byc wystarczajace aby zdazyly one uczynic cos uzytecznego z punktu widzenia produkcji energii droga rozszczepiania. Jesli oznaczymy przez P(t) stezenie Pu-239 w jadrze Ziemi a przez N (t) stezenie neutronow w chwili t, to mozemy ulozyc bilans materialowy tych skladnikow. Bilans ow przedstawiony jest na planszy. Wiemy, ze neutrony ubywaja z przestrzeni reakcji w wyniku rozpadu beta a przybywaja w wyniku reakcji rozszczepienia Pu-239. Ten ostatni czynnik jest proporcjonalny do liczby par neutron-pluton jakie mozna utworzyc w reaktorze. Mamy wiec do czynienia z reakcja rzedu drugiego. Jesli chodzi o jadra plutonu to przybywa ich w wyniku pochloniecia neutronu przez jadra U-238, ktore sa w nadmiarze (i ktorych ubytek mozemy pominac) a ich ilosc maleje w wyniku reakcji rozszczepienia neutronami. Jest to bilans uproszczony ale w tej chwili wystarczajacy dla ocenienia mozliwosci pojawienia sie reakcji oscylacyjnej w reaktorze. Przy dokladniejszej analizie musimy wziasc takze pod uwage dwa dodatkowe a wazne fakty. Po pierwsze w trakcie rozszepienia powstaja produkty o duzym przekroju czynnym na wychwyt neutronow (Xenon i Samar). To zas zmniejsza stezenie "wolnych" neutronow i powoduje spowolnienie lub zatrzymanie procesu. Po drugie , przekroj czynny na wychwyt neutronu maleje ze wzrostem temperatury ukladu czyli generacja energii takze prowadzi do spowolnienia reakcji lancuchowej. Oba te czynniki moga czasowo zastopowac bieg reakcji rozszczepienia. Z biegiem czasu produkty "zatruwajace" reaktor zostana usuniete ze srodowiska reakcji w drodze dyfuzji (do plaszcza Ziemi) a temperatura spadnie co pozwoli na wznowienie calego procesu. Nie jest wykluczone, ze to wlasnie te zjawiska powoduja okresowe oziebienia. Nie chce nudzic Szanownych Czytelnikow detalami analizy matematycznej problemu i ta przedstawie potem w uzupelnieniu. Chwilowo zas chce tylko powiedziec, ze rownania kinetyki takiego ukladu opisuja system dynamiczny, konserwatywny i wykazujacy ze zarowno liczba neutronow jak i jader Pu-239 oscyluje  w sposob zblizony do tego jaki obserwujemy w ukladach biologicznych typu lowca-ofiara (tzw problem Lotka-Volterra) . Podobnie wiec oscyluje takze ilosc energii wytwarzanej w jadrze gdyz jest ona proporcjonalna do iloczynu stezen obu tych skladnikow. Jest to pierwszy znany mi przypadek, w ktorym wskazano na mozliwosc wystapienia oscylacji w trakcie reakcji jadrowej w reaktorze powielajacym  a takze wysunieto hipoteze, ze takie zjawisko jest odpowiedzialne za periodycznosc obserwowana w pomiarach sredniej temperatury powierzchni Naszej Umeczonej Planety.  Jest to oczywiscie analiza niepelna gdyz nie wykazalem jeszcze w jaki sposob obserwowane oscylacje nabieraja ksztaltu "zebow pily". Byc moze mamy do czynienia z "zatruwaniem" biegu reakcji przez powstale produkty rozpadu badz tez z jej hamowaniem przy nadmiernym wzroscie temperatury. Tak czy inaczej wyglada na to, ze Wielki Inzynier zaopatrzyl nasza planete w system ogrzewczy dzialajacy periodycznie. Obecnie zas znajdujemy sie w momencie "kary bozej" kiedy to ogrzewanie wewnatrz-globowe ulega redukcji badz wylaczeniu i znajdujemy sie w przededniu nowego okresu zlodowacenia. Jak to bedzie wygladalo? Ogolnie biorac bedziemy odczuwac podobne sensacje jaki sa udzialem turystow spedzajacych czas w wysokich elewacjach gorskich. Na przyklad na plaskowyzach andyjskich czy himalajskich. W czasie dnia Slonce dostarczy tam sporo energii i zycie bedzie znosne. Jednak w nocy, i bez ogniska nasi podroznicy doswiadcza wyjatkowego zimna. W skali globalnej bedziemy uzaleznieni od Slonca a zycie zacznie sie przesuwac w okolice zwrotnikow. Skroceniu ulegna okresy wegetacji roslin co spowoduje klopoty zywnosciowe. Ze wzgledu na to, ze pod oceanami skorupa ziemska jest ciensza, woda oceanow bedzie wzglednie cieplejsza od ladow. To spowoduje topnienie pokrywy lodowej w okolicach biegunow oraz wzrost parowania, ktory zaowocuje obfitszymi opadami sniegu i deszczu oraz katastrofalnymi wiatrami na ladach. Odbuduja sie lodowce gorskie w Himalajach, Alpach i Andach czy Gorach Skalistych.  Sa to zreszta objawy, ktore widzimy nawet w formie poczatkowej obecnie. Ze wzgledu na przedluzenie okresu nizszych temperatur na wiosne, ze wzgledu na schlodzenie ladu,  bedziemy tez obserwowac masowe wiosenne powodzie. Lagodzacy wplyw na bieg tych wydarzen moga miec gazy cieplarniane, z ktorymi teraz tak niepotrzebnie i kosztownie wojujemy. Ale ogolnie rzecz biorac rokowanie dla ludnosci ziemskiej jest niepomyslne i jest tylko kwestia czasu (byc moze jakis 50 do1000 lat) aby wiekszosc obecnej biosfery ulegla calkowitemu zniszczeniu. Byc moze, ze Pismo Swiete ma racje przewidujac, ze zyjemy w okresie Dni Koncowych (End of Days, Rapture) i ze od zaglady ocaleje tylko 144 tys osob w wyniku osobistej interwencji Najwyzszego.