Maapallon rakenne ja kerrokset: kuori, vaippa, ulkoydin ja sisäydin

Maan rakenne on jaettu kerroksiin, jotka eroavat sekä fysikaalisilta että kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Uloin, kiinteä kerros on kuori, sen alapuolella on erittäin viskoosi ja osin plastinen vaippa, sitä syvemmällä on nestemäinen ulkoydin ja keskustassa kiinteä sisäydin. Maapallon muoto on pallomainen sfäärin muotoinen, mutta se on hieman litistynyt navoilla ja pullistunut päiväntasaajalla. Kerrosten rajat ja niiden ominaisuudet on paljastettu pääasiassa seismisten aaltojen avulla: seismografit näyttävät, miten tärinät heijastuvat ja taittuvat eri kerroksista maanjäristysten aikana. Maankuoren ja vaipan välinen raja tunnetaan yleisesti nimellä Moho (Mohorovičićin epäjatkuvuus) — tässä artikkelissa mainitaan se myös yksinkertaisesti mohoksi.

Kerrokset yksityiskohtaisemmin

Kuori
Maankuori on maapallon uloin kiinteä kerros ja koostuu pääasiassa silikaateista. Kuoren kemiallinen koostumus on raskaustasoltaan kevyempi kuin alempana olevan vaipan: se sisältää runsaasti piistä, happea ja alumiinia, minkä vuoksi sitä kutsutaan myös sialiksi (Si + Al) tai felsiseksi. Kuori esiintyy kahtena päätyyppinä:
- Mantereen kuori: paksumpi, keskimäärin noin 30–70 km (paikoin jopa yli 70 km), koostuu pääosin felsisistä kivistä.
- Valtamerikuori: ohuempi, yleensä noin 5–10 km paksu, koostuu enemmän mafisista kivistä (raskaimmat silikaatit).
Kuori ja vaipan ylimmäinen kiinteä osa muodostavat yhdessä litosfäärin (kova, direct layer), joka jakautuu manner- ja valtamerilaattoihin.
Vaippa
Maan vaippa on kuoren alapuolella oleva laaja kerros, joka ulottuu suunnilleen 35 km:n syvyydestä noin 2 890 km:iin asti. Vaipan kemia poikkeaa kuoren koostumuksesta: siinä on runsaasti happea ja piitä mutta myös raskaampia alkuaineita, kuten magnesiumia, minkä vuoksi sitä kutsutaan usein simaksi (Si + ma = magnesium) tai mafiseksi.
1. Ylävaippa
  Vaipan ylin osa on pääosin kiinteää kivipitoista ainetta, kuten peridotiittia. Tämän kerroksen ylin osa yhdistyy kuoreen muodostaen litosfäärin. Litosfäärilaatat liikkuvat hitaasti ja kelluvat niiden alapuolella olevan puoliksi sulan kerroksen päällä.
2. esthenosfääri
  Ylävaipan alapuolella on heikompi, osin plastinen alue, joka on linkitetty magmaattiseen liikkuvuuteen ja laattojen liikkeeseen. Linkin nimitys on tässä tekstissä esthenosfääri (usein kirjoitetaan myös astenosfääri). Tätä kerrosta pidetään osittain sulana tai erittäin viskoosina, mikä mahdollistaa litosfäärilaattojen liukumisen sen päällä.
3. Välivyöhyke (siirtymävyöhyke)
  Noin 410–660 km syvyyden välillä muutoksina ilmenee mineraalien kiteytymis- ja tiheysmuutoksia, jotka vaikuttavat aaltojen kulkuun ja vaipan dynamiikkaan.
4. Alempi vaippa
  Alempi vaippa ulottuu siirtymävyöhykkeestä vaipan alapintaan (noin 2 890 km syvyyteen). Se on tiheämpää ja kuumempaa, ja siellä tapahtuu hitaampaa konvektioliikettä, joka on tärkeää lämmön siirrossa kohti pintaa. Kokonaisuudessaan vaippa muodostaa suurimman osan Maapallon tilavuudesta ja massasta.
Ydin
Maapallon ydin koostuu pääasiassa raudasta ja nikkelistä. Ydinosiot voidaan jakaa kahteen pääosaan: nestemäinen ulkoydin ja kiinteä sisäydin. Koko ytimen alkukoostumus on rautapainotteinen, ja sen lämpötilaarviot ulottuvat useisiin tuhansiin asteisiin (arviolta noin 5 000–6 000 °C sisäydimessä).
1. Ulkoydin
  Ulkoydin on nestemäinen kerros, joka ulottuu noin 2 890 km:n syvyydestä noin 5 150 km:n syvyyteen. Nestemäisen raudan ja nikkelin liike ja konvektio yhdessä maan pyörimisliikkeen kanssa synnyttävät geodynamosysteemin, joka ylläpitää Maan magneettikenttää.
2. Sisäydin
  Sisäydin on Maapallon keskellä oleva kiinteä, pääosin rauta-nikkeli-seos, joka ulottuu noin 5 150 km syvyydestä keskustaan (~6 371 km). Vaikka lämpötilat ovat erittäin korkeat, paine on niin suuri, että aine pysyy kiinteässä muodossa. Sisäytimen ja ulkoytimen välinen raja näkyy selkeästi seismisissä havainnoissa.

Miten tiedämme tästä?

Kerrosten rajat ja ominaisuudet on paljastettu pääasiassa seismografien ja seismisten aaltojen (P- ja S-aaltojen) tutkimuksen avulla: aaltojen nopeudet muuttuvat eri materiaaleissa ja ne heijastuvat tai taittuvat rajapinnoissa, kuten Moho-pinnassa ja vaipan/ytimen rajalla. Lisäksi magneettikentän ominaisuudet, painovoimamittaukset, maanläheiset näytteet (kuten vulkaaniset kivet ja mantelin xenoliitit) sekä laboratoriokokeet korkeissa lämpötiloissa ja paineissa tukevat käsitystä kerroksista.

Näiden ilmiöiden täydellinen selitys ei ole vielä täysin varma. Näyttää siltä, että korkea lämpötila ja paine aiheuttavat muutoksia mineraalien kiteytymisessä, joten koostumus saattaa olla eräänlainen vaihteleva seos osittain sulasta aineesta ja kiteistä; tutkimus jatkuu jatkuvasti uusien havaintojen ja mallien myötä. Lisätutkimus auttaa ymmärtämään tarkemmin vaipan konvektiota, ytimen dynamiikkaa ja Maan pitkän aikavälin lämpökehitystä.

Maan leikkauskaavio. Mittasuhteet eivät ole tarkkoja

Moho

Moho, jota kutsutaan oikealta nimeltään Mohorovičićin epäjatkuvuuskohdaksi, on maankuoren ja vaipan välinen raja. Sen löysi kroatialainen seismologi Andrija Mohorovičić vuonna 1909. Hän havaitsi, että maanjäristysten seismogrammeissa näkyi kahdenlaisia seismisiä aaltoja. On olemassa matala hitaampi aalto, joka saapuu ensimmäisenä, ja syvä nopeampi aalto, joka saapuu toisena. Hän päätteli, että syvempi aalto muutti nopeuttaan, kun se pääsi aivan vaipan alapuolelle. Syy siihen, että se kulki nopeammin, oli se, että vaipan materiaali oli erilaista kuin kuoren materiaali.

Epäjatkuvuus sijaitsee 30-40 kilometriä mantereiden pinnan alapuolella ja vähemmän syvällä valtamerten pohjan alapuolella.

Reikien poraaminen

Geologit ovat yrittäneet päästä Mohon luo jo vuosia. Moho-hanke ei saanut 1950-luvun lopulla ja 1960-luvun alussa riittävästi tukea, ja Yhdysvaltain kongressi peruutti sen vuonna 1967. Myös Neuvostoliitto yritti. He saavuttivat 15 vuoden aikana 12 260 metrin syvyyden, maailman syvimmän reiän, ennen kuin he luopuivat yrityksestä vuonna 1989.

Epäjatkuvuuden saavuttaminen on edelleen tärkeä tieteellinen tavoite. Tuoreempi ehdotus koskee itsestään laskeutuvaa volframikapselia. Ajatuksena on, että kapseli täytettäisiin radioaktiivisella aineella. Tämä luovuttaisi riittävästi lämpöä sulattaakseen ympäröivän kallion, ja kapselia vetäisi alas painovoima.

Japanilaisessa Chikyū Hakken -hankkeessa ("Maan löytäminen") suunnitellaan porauskauppaa, jolla porataan ohuemman valtameren kuoren läpi. Tieteellinen syvänmeren porausalus Chikyu teki 6. syyskuuta 2012 uuden maailmanennätyksen poraamalla ja ottamalla kallionäytteitä syvemmältä kuin 2 111 metrin syvyydestä merenpohjan alapuolelta Shimokitan niemimaan edustalla Japanissa Luoteis-Tyynellämerellä.

Macquarien saari

Macquarien saari Tasmanian edustalla on kahden valtavan valtamerilaatan, Tyynenmeren laattojen ja Indo-Australian laattojen, yhtymäkohdassa. Saari on muodostunut syvältä maan vaipasta ylös työntyneestä materiaalista. Vihreän ophioliitti-kiven uskotaan muodostuneen mohossa, ja sen on tuonut ylös valtameren keskiosien harju. Nyt se nousee pintaan, koska kaksi mannerlaattaa puristuu yhteen. Se on ainoa paikka maapallolla, jossa näin tapahtuu tällä hetkellä. Ofioliittia on muissakin paikoissa, mutta ne ovat nousseet ylös useita miljoonia vuosia sitten. Ofioliitteja esiintyy kaikissa maailman suurimmissa vuoristovyöhykkeissä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitkä ovat maapallon kerrokset?

V: Maan rakenne on jaettu neljään kerrokseen. Näihin kuuluvat uloin kiinteä kerros, jota kutsutaan kuoreksi, erittäin viskoosi kerros, jota kutsutaan vaipaksi, nestemäinen kerros, joka on ytimen uloin osa, jota kutsutaan ulkoytimeksi, ja kiinteä keskus, jota kutsutaan sisäytimeksi.

K: Miten Maan muotoa kuvataan?

V: Maan muotoa kuvataan lappeenmuotoisena sfäärinä, mikä tarkoittaa, että se on hieman litistynyt navoilta ja pullistunut päiväntasaajalta.

K: Mitä havaittiin Maan kuoren ja vaipan välissä?

V: Maan kuoren ja vaipan välissä havaittiin Moho-niminen raja. Tämä löytö osoitti, että rakenne muuttuu huomattavasti syvemmälle mentäessä.

K: Mistä alkuaineista suurin osa Maan kuoresta koostuu?

V: Suurin osa maankuoresta koostuu pääasiassa kevyemmistä alkuaineista, kuten piistä, hapesta ja alumiinista. Tämän vuoksi sitä kutsutaan siaaliseksi (pii = Si; alumiini = Al) tai felsiseksi.

K: Mistä suurin osa Maan vaipasta koostuu?

V: Suurin osa maapallon vaipasta koostuu pääasiassa hapesta, piistä ja raskaammasta magnesiumista, minkä vuoksi se tunnetaan nimellä sima (Si = pii + ma = magnesium) tai mafinen.

K:Minkä tyyppinen kivi muodostaa vaipan ylimmän osan?

V: Mantelin ylin osa muodostaa kuoren perustan, ja se on tehty raskaasta peridotiittikivestä. Se muodostaa yhdessä manner- ja valtamerilaattojen kanssa litosfäärin.

K:Mitkä ovat maan ytimen ominaisuudet ja koostumus? V: Maan ydin koostuu pääasiassa raudasta ja nikkelistä, ja sen lämpötila on noin 5000-6000 °C. Se on samanlainen kuin auringon fotosfääri. Sen koostumus saattaa muuttua nestemäisten ja kiteisten seosten sekoitukseksi korkean paineen ja lämpötilan vuoksi.