Föreläsning 15/4 Jorden som livsbärande planet Ulf Torkelsson 1

Föreläsning 15/4
Jorden som livsbärande planet
Ulf Torkelsson
1
Jordens berggrund och jordens ålder
1.1
Bergarter
Det finns tre typer av bergarter
• Magmatiska bergarter som bildas när smält berg, lava, stelnar, till exempel granit.
• Sedimentära bergarter bildas när lera, sand och grus packas samman och stelnar, till exempel
sandsten.
• Metamorfa bergarter uppstår när andra typer av bergarter omvandlas under högt tryck och
temperatur, till exempel gnejs.
Dessa bergarter kan omvandlas i varandra. En bergskedja kan byggas upp av magmatiska bergarter,
men sedan slits bergen ner av regn, och det strömmande vattnet transporterar ut det eroderade
materialet till havet, där det sjunker ned till havsbotten tillsammans med döda djur och växter.
Där packas sedimenten tätare och tätare tills de omvandlas till sedimentära bergarter, i vilka
man alltså kan hitta fossil av döda djur och växter, men i allmänhet så finns det väldigt lite
organiskt material kvar i fossilerna, utan de har ersatts av olika mineral. En del av de här sedimentära bergarterna kan sedan transporteras ner under havsbotten där de omvandlas till metamorfa bergarter innan de kommer upp igen. Bergarterna kan också dras ner i manteln under jordskorpan, där de smälts ner och i samband med vulkanutbrott kan materialet sedan transporteras
upp till ytan som lava, och när det stelnar blir det återigen magmatiska bergarter.
Begreppet bergart säger inget om den kemiska sammansättningen, utan stenarna är sammansatta av olika mineral, såsom silikater som består av kisel och syre, medan karbonater består av
kol och syre. De två vanligaste formerna av magmatiska bergarter är basalt och granit. Basalten är
mörk och har hög densitet. Den bildas ofta vid vulkanutbrott under vattenytan och är rik på järn
och magnesium. Praktiskt taget hela djuphavsbotten är uppbyggd av basalt, som dock kan ligga
begravd under ett lager av sedimentära bergarter. Graniten är ljusare och har en lägre densitet.
Den består av kvarts och fältspat och är vanlig i bergskedjor på land. Graniten är mer kiselrik än
basalten.
1.2
Åldersbestämning
Man kan bestämma åldern på speciellt magmatiska bergarter genom att studera förekomsten av
radioaktiva isotoper, såsom 40 K som sönderfaller till 40 Ar. När lavan stelnar är den helt fri från
Ar, som är en ädelgas, så allt Ar som man kan hitta i berget kommer från sönderfallet av 40 K. Ju
äldre en sten är desto mer kommer mängden 40 K att ha minskat medan mängden 40 Ar har ökat.
Det går också att använda 235 U och 238 U.
Man talar om en halveringstid, som är den tid under vilken hälften av en isotop sönderfaller.
Efter två halveringstiden har halten av isotopen alltså minskat till en fjärdedel. Om vi idag har N
atomer av en instabil isotop, av vilken det från början fanns N0 atomer, så gäller det att
t/t1/2
N
1
=
,
(1)
N0
2
där t1/2 är halveringstiden. Genom att ta logaritmen av ekvationen får vi
lg
N
= lg
N0
t/t1/2
1
t
t
=
(lg 1 − lg 2) = −
lg 2,
2
t1/2
t1/2
1
(2)
där vi kan lösa ut
t = t1/2
lg
N
N0
− lg 2
.
(3)
Halveringstiden för 40 K är 1.25 miljarder år, medan 235 U och 238 U har halveringstider på 704
miljoner år respektive 4.5 miljarder år. Därmed kan man använda förhållandet mellan uranisotoperna till att bestämma åldern på ett mineral.
De äldsta kända bergen på jorden är 4 miljarder år gamla, men man har hittat små zirkoner
som är 4.4 miljarder år gamla, och i solsystemet har man hittat meteoriter som är 4.57 miljarder
år gamla.
2
Jordens tidigaste historia
Jorden bildades av att mindre himlakroppar av sten och metall kolliderade och klumpade ihop
sig. Månen bildades för ungefär 4.5 miljarder år sedan genom att en himlakropp av Mars storlek
kolliderade med jorden. Vid denna kollision kastades material ut från Jorden och samlade sig
i en ring kring Jorden. Detta material klumpade sedan ihop sig till Månen. Kollisionen var
också tillräckligt kraftig för att smälta Jordens ytlager.
Genom att studera Månen kan vi lära oss mer också om Jordens tidiga historia, för Månens
yta är äldre än stora delar av jordytan. Månens högländer är ungefär 4.4 miljarder år gamla, och
har bevarat märkena efter många meteoritnedslag. Haven på Månen bildades för mellan 3 och 3.9
miljarder år sedan och har bara ett fåtal nedslagskratrar. Detta visar att både Jorden och Månen
utsattes för intensiva bombardemang av meteoriter i början. En meteorit som är 350 - 400 km stor
skulle värma upp hela jordytan till en temperatur på 2 000o C.
Den tidigaste atmosfären kom förmodligen från gaser som frigjordes i samband med vulkanutbrott. Dessa gaser var vatten, koldioxid, kvävgas, vätgas och gaser som innehöll svavel, såsom H2 S
och SO2 . Det kan också ha kommit ett bidrag från kometer som slog ner på Jorden. Analyser av
de äldsta zirkonerna visar att det måste ha funnits vatten på Jorden redan när de bildades för 4.4
miljarder år sedan.
3
Jordens inre struktur
Jorden består av
• En tunn skorpa som till stor del är uppbyggd av granit och basalt.
• En tjock mantel som består av kiselhaltiga mineral.
• En kärna som består av järn och nickel. Kärnan kan delas upp i en yttre del som är flytande
och en inre del som är fast.
I andra sammanhang är det bättre att slå samman skorpan med den yttre manteln till en litosfär
som är stel. Manteln under den är fortfarande fast, men den är plastisk och kan deformeras. I
denna del av manteln uppstår konvektionsströmmar i vilka varmt material stiger uppåt och kallt
material sjunker nedåt, men rörelserna är så långsamma att det tar 100 miljoner år för en bit av
stenen att röra sig från mantelns botten upp till litosfären.
Jorden delades snabbt in i olika zoner med olika sammansättning. Detta är bara möjligt om
jordens inre har varit åtminstone delvis smält. Det finns tre värmekällor som har bidragit till
att värma upp Jordens inre, nedslagen av de mindre himlakroppar som har byggt upp Jorden,
radioaktiva sönderfall i Jordens inre, och slutligen så frigörs det energi medan tyngre material
faller ner och samlas i Jordens centrum. Den viktigaste källan idag är det radioaktiva sönderfallet
av olika instabila isotoper.
2
3.1
Plattektonik
Jordens litosfär är uppdelad i ett antal kontinentalplattor som rör sig över de underliggande lagren. Plattorna drivs runt av konvektionsströmmarna i manteln. Ett bra exempel på hur plattektoniken fungerar är hur den euroasiatiska och amerikanska plattan glider isär. Mitt i Atlanten finns
den Mittatlantiska ryggen där material tränger upp från manteln och skjuter isär kontinentalplattorna. Å andra sidan kolliderar den amerikanska plattan med stillahavsplattan på den amerikanska
västkusten. Genom att materialet som bygger upp kontinenterna är lättare än det som bygger upp
havsbotten, så kommer stillahavsplattan att tryckas ner under den amerikanska plattan. Materialet smälter där och återkommer till ytan som lava i samband med vulkanutbrott. Genom sådana
här processer återskapas havsbotten på 200 miljoner år.
Om man följer plattektoniken baklänges kan man se att alla de existerande kontinenterna satt
ihop för 250 miljoner år sedan. Det är svårt att följa utvecklingen längre tillbaka i tiden, men det
tycks vara så att kontinenterna vid flera tillfällen har suttit samman och sedan brutits upp.
3.2
Jordens magnetfält
Rörelser i Jordens yttre mantel skapar elektriska strömmar genom att materialet rör sig i Jordens
magnetfält, men det är just dessa elektriska strömmar som bygger upp Jordens magnetfält. Vi har
en dynamo som består av konvektionsrörelserna och rotationen i manteln, och vilken bygger upp
magnetfältet.
Magnetfältet i sin tur sträcker sig ut från Jorden och skapar en omgivande magnetosfär. Denna
magnetosfär skyddar Jorden från solvinden. Venus och Mars saknar sådana magnetosfärer, och
därför kommer deras atmosfärer att direkt växelverka med solvinden, vilket är ett av skälen till
att deras atmosfärer har förlorat lättflyktiga gaser.
4
4.1
Jordens atmosfär och klimatet
Växthuseffekten
En förutsättning för att det skall finnas liv på Jorden är att det finns flytande vatten här, men
egentligen är det förvånande att det har kunnat finnas flytande vatten på Jorden under den större
delen av Jordens historia. För det första så var Solen betydligt svagare när den var ung. Man
räknar med att Solens luminositet har ökat med 30% sedan den blev en huvudseriestjärna. För
det andra om man beräknar vad temperaturen borde vara på Jorden idag baserat på hur mycket
solstrålning vi tar emot så kommer man fram till att Jordens medeltemperatur borde vara −1o C,
medan den ligger på ungefär 15o C. Detta beror på växthuseffekten. Jordens atmosfär är relativt
genomskinlig för solljuset. När ljuset träffar jordytan värms den upp till en temperatur vid vilken
den börjar sända ut infrarött ljus, men jordatmosfären är inte alls lika genomskinlig för infrarött
ljus, vilket absorberas av vatten, koldioxid och metan i atmosfären. Dessa gaser verkar därmed
isolerande och höjer Jordens temperatur.
4.2
Koldioxidcykeln
En del av koldioxiden i atmosfären löses upp i regnvatten och följer med ned till jordytan som
kolsyra. Kolsyran löser upp mineralerna i jordens berggrund, och de följer med regnvattnet ut i
havet. Kalcium i dessa mineraler bildar sedan kalksten tillsammans med koldioxiden, och denna
kalksten lagras i berggrunden på havsbotten. Den här berggrunden transporteras ned till manteln
i djuphavsgravarna, där stenen smälter igen, och koldioxiden frigörs. Koldioxiden återförs sedan
till atmosfären genom vulkanerna.
Den här koldioxidcykeln är i viss utsträckning självreglerande. Om temperaturen stiger så avdunstar mer vatten från haven och det blir mer regn, som drar med sig koldioxid från atmosfären,
och över tiden kommer denna koldioxid att bindas upp i kalksten.
Balansen är dock inte perfekt, utan det tar ca 400 000 år för cykeln att kompensera för
förändringar i koldioxidhalten. Vi har också sett att det under de sista 35 miljonerna år har
3
förekommit en följd av istider. Det finns också bevis för att det tidigare under jordens historia har
förekommit mycket utdragna och omfattande istider för mellan 750 och 580 miljoner år sedan och
mellan 2.4 och 2.2 miljarder år sedan. Under dessa perioder har jordens medeltemperatur sjunkit
till −50o C, och det har bildats kilometertjocka istäcken på världshaven. Isen i sig har bidragit till
att hålla temperaturen nere genom att den är bra på att reflektera solljus. Dessa utdragna istider
har till slut avslutats genom att vulkanutbrott har byggt upp så höga koldioxidhalter i atmosfären
att växthuseffekten har tagit över och värmt upp Jorden igen.
4

Föreläsning 15/4 Jorden som livsbärande planet Ulf Torkelsson 1

Related documents

Products

Support

Föreläsning 15/4 Jorden som livsbärande planet Ulf Torkelsson 1

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib