Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 39 – vyšlo 2. listopadu, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

39/2018

Provrtáme kůru Země?

Petr Kulhánek

V předminulém bulletinu (AB 37) jsme popisovali novou marsovskou sondu InSightInSight – Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Americká sonda určená k výzkumu Marsu. V popředí jsou experimenty zaměřené na seismický výzkum vnitřní struktury planety. Sonda vystartovala 5. května 2018 ze základny Vandenberg, na Marsu úspěšně přistála 26. listopadu téhož roku. Mise fungovala do 15. prosince 2022, kdy byla ukončena z důvodu nedostatečného přísunu energie díky zaprášeným panelům slunečních baterií., jejímž hlavním úkolem je vrtání do povrchu MarsuMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila.. Obdobné snahy ale můžeme zaznamenat i na naší ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Od těch tragikomických, kdy se například 21. října 2018 společnost KKCK Real Estate při výstavbě pražského centra Bořislavka provrtala do tunelu metra a způsobila škodu za 10 milionů korun, až po ty vznešené. Mezi ně se řadí vědecké úsilí o proniknutí zemskou kůrou do zemského pláště. Takový vrt by se podle posledních zpráv měl uskutečnit kolem roku 2030 a přípravy na tento počin jsou v plném proudu. Cena za poznání světa pod našima nohama bude ale nemalá, náklady se vyšplhají na přibližně miliardu dolarů, tj. při současném kurzu půjde o částku kolem 20 miliard korun.

O cestě do středu Země snil i francouzský spisovatel Jules Verne. Na snímku je záběr
ze stejnojmenného filmu „Cesta do středu Země“ z roku 1959. Zdroj: HDO.

Země – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. JAMSTEC – japonská agentura určená k vědeckému výzkumu vztahu oceánů a Země (Japan's Agency for Marine-Earth Science and Technology's). Funguje jako výzkumný ústav. Založena byla v roce 1971 se sídlem v japonském městě Jokosuka. Dnes má vědecká střediska v dalších pěti městech. Chikyu – vědecká loď s vrtnou plošinou, kterou zakoupila japonská agentura JAMSTEC v roce 2005. Loď byla pro tuto vědeckou agenturu vyrobena v roce 2001. Délka lodi je 210 metrů, výtlak 57 000 tun. Vrtná věž ční 121 metrů nad mořskou hladinu. Loď je schopna dosáhnout rychlosti 22 kilometrů za hodinu. Česká transkripce názvu lodi je Čikjú. V anglických materiálech se někdy objevuje přepis Chikyū, na samotné lodi je napsáno Chikyu.

Nitro Země

Dnes dokážeme létat ke vzdáleným planetám Sluneční soustavy a skvělými přístroji pozorovat oblasti vesmíru vzdálené miliardy světelných roků. Paradoxně toho ale víme velmi málo o světě pod vlastníma nohama. Povrch Země je pokrytý zemskou kůrou, jejíž tloušťka je na souši 30 až 60 kilometrů. Pod mořským dnem je kůra v nejtenčích místech tlustá jen kolem pěti kilometrů, takže pokusy o její provrtání (zatím neúspěšné) se konají právě tam, hluboko pod mořskou hladinou. Pod zemskou kůrou se až k oblasti jádra rozprostírá zemský plášť – neprozkoumaný svět obdivuhodných vlastností. Vzhledem k vysokému tlaku a teplotě je zde hornina v plastickém až tekutém stavu. Nebojte se, že po provrtání kůry by magma z pláště začalo v podobě obřích gejzírů zaplavovat zemský povrch. Rychlost pohybu tekutých hornin v plášti je srovnatelná s rychlostí růstu lidského nehtu. V plášti probíhá konvekce a jsou zde vzestupné proudy přinášející teplo z oblasti zemského jádra k povrchu a sestupné proudy, které ochlazené magma dopravují zpět k jádru. Odhaduje se, že cesta látky od povrchu pláště k jádru a zpět trvá přibližně dvě miliardy roků.

Plášť zaujímá největší část zemského tělesa, objemově jde o 84 % a hmotnostně o 67 %. Samotné jádro zabírá „jen“ 15 % objemu naší planety. Mezi zemskou kůrou a pláštěm je diskontinuita (nespojitost), na níž se vlastnosti látky mění skokově. Nad touto oblastí (v kůře) se seismické vlny šíří rychlostí 6,9 km/s, pod touto oblastí (v plášti) rychlostí 8 km/s. Diskontinuitu objevil v roce 1909 chorvatský geofyzik a meteorolog Andria Mohorovičić (1857–1936) při sledování šíření seismických vln. Podobně, jako se světlo na rozhraní dvou prostředí láme, mění svůj směr i seismické vlny, což umožnilo objev této diskontinuity. Mohorovičić je považován za zakladatele moderní seismologie. Oblast mezi kůrou a pláštěm se dnes nazývá Mohorovičićovo rozhraní. Vzhledem k obtížné výslovnosti zkracuje název rozhraní většina vědců na pouhé „Moho“. Po Mohorovičićovi je pojmenován i kráter o průměru 51 kilometrů na odvrácené straně Měsíce a jedna z planetek. Mohorovičić studoval geofyziku a meteorologii na Záhřebské univerzitě. Není bez zajímavosti, že matematiku a fyziku studoval na Univerzitě Karlově v Praze, kde pobýval v letech 1875 až 1878. Jeho učitelem byl i slavný Ernest Mach.

Pod zemskou kůrou je plášť následovaný tekutým vnějším jádrem a kamenným vnitřním jádrem. Teplota na hranici kůry a pláště, kde bude probíhat vrt, je přes 500 °C a tlak je zde 200 MPa. V samotném vnitřním jádře se odhaduje teplota na 5 400 °C a tlak na 350 GPa. Zdroj: PhysOrg.

Historie vrtání

Prvním pokusem o provrtání zemské kůry byl americký projekt Mohole připravovaný od roku 1958. Jeho název v sobě obsahuje jak slovo „Moho“ reprezentující Mohorovičićovo rozhraní, tak anglické slovo „hole“, které znamená díru – v tomto případě nejhlubší díru vyvrtanou člověkem. V průběhu let 1961 až 1966 bylo vyvrtáno celkem pět děr na dně Tichého oceánu v oblasti u pobřeží Kalifornského poloostrova (Baja California, Mexiko), konkrétně východně od ostrova Guadalupe, v hloubce 3 566 metrů pod mořem. Nehlubší vrt pronikl do zemské kůry do hloubky 183 metrů. Projekt byl zrušen v roce 1966. Hlavní roli sehrály závody o dobytí Měsíce, které pohltily většinu rozpočtu věnovanému na vědecké úsilí Spojených států. Dobytí Měsíce tak v oné době mělo jasnou politickou prioritu před poznáním vlastní Země. Sověti se samozřejmě o vrty do zemské kůry pokoušeli také, ale na souši. Nejhlubším vrtem je Kola Superdeep Borehole – „díra“ na Kolském polostrově vyvrtaná do hloubky 12 262 metrů. Zemská kůra je ale na souši tlustá mnoho desítek kilometrů, takže šlo spíše jen o pokus dostat se tehdejší technikou co možná nejhlouběji.

Na projekt Mohole, který měl částečně vojenský charakter, volně navázal další americký, tentokrát čistě vědecký projekt DSDP (Deep Sea Drilling Project), do něhož se zapojilo i dalších šest zemí. Projekt probíhal v letech 1968 až 1983 a byl vystřídán navazujícím projektem ODP (Ocean Drilling Project) odstartovaným v roce 1985. Tento projekt už měl mezinárodní charakter, zúčastnily se ho Austrálie, Německo, Francie, Japonsko, Velká Británie a dalších 12 zemí sdružených do konsorcia ECOD. Při expedicích (celkem jich bylo 110) byla využívána loď Joides Resolution s vrtnou soupravou. První expedice proběhla v roce 2002 a první vzorky z kůry pod mořským dnem byly analyzovány v laboratořích v roce 2005. V roce 2004 se projekt ODP plynule transformoval na projekt IODP (Integrated Ocean Drilling Program). Na konci roku 2013 byl založen nový projekt na široké mezinárodní bázi, který navazuje na všechny předchozí projekty (Mohole, DSDP, ODP a IODP). Poněkud matoucí může být zkratka nového projektu, která je identická s projektem IODP, ale tentokrát znamená International Ocean Discovery Program. Tento program je celosvětovým pokusem o provrtání zemské kůry, k němuž by mělo dojít podle plánu v roce 2030 za pomoci japonské vrtné lodi ChikyuChikyu – vědecká loď s vrtnou plošinou, kterou zakoupila japonská agentura JAMSTEC v roce 2005. Loď byla pro tuto vědeckou agenturu vyrobena v roce 2001. Délka lodi je 210 metrů, výtlak 57 000 tun. Vrtná věž ční 121 metrů nad mořskou hladinu. Loď je schopna dosáhnout rychlosti 22 kilometrů za hodinu. Česká transkripce názvu lodi je Čikjú. V anglických materiálech se někdy objevuje přepis Chikyū, na samotné lodi je napsáno Chikyu.. Poslední větší akcí projektu byla expedice Atlantic Banks, která vrtala v letech 2015 až 2017 na dně Indického oceánu v blízkosti podmořské hory, která dala expedici jméno. Jde o oblast 1 300 kilometrů jihovýchodně od Madagaskaru, kde se nachází středooceánský hřbet, od něhož se pohybují litosférické desky a dochází zde k podmořskému výlevu magmatu. Expedice nebyla příliš úspěšná, ze čtyř vrtáků na vrtné hlavici lodi Joides Resolution se zlomily tři.

Tři ulomené vrtáky na vrtné hlavici expedice Atlantic Banks. Přežil jediný.
Foto: William Crawford, Texas A&M University.

zkratka	projekt	období
Mohole	Mohole	1958–1966
DSDP	Deep Sea Drilling Project	1968–1983
ODP	Ocean Drilling Project	1985–2004
IODP	Integrated Ocean Drilling Program	2004–2013
IODP	International Ocean Discovery Program	2013 →

JAMSTEC a Chikyu

Klíčovou roli v mezinárodním úsilí posledních let hraje japonská vědecká agentura JAMSTECJAMSTEC – japonská agentura určená k vědeckému výzkumu vztahu oceánů a Země (Japan's Agency for Marine-Earth Science and Technology's). Funguje jako výzkumný ústav. Založena byla v roce 1971 se sídlem v japonském městě Jokosuka. Dnes má vědecká střediska v dalších pěti městech., která nechala za účelem provrtání kůry Země postavit speciální obří loď ChikyuChikyu – vědecká loď s vrtnou plošinou, kterou zakoupila japonská agentura JAMSTEC v roce 2005. Loď byla pro tuto vědeckou agenturu vyrobena v roce 2001. Délka lodi je 210 metrů, výtlak 57 000 tun. Vrtná věž ční 121 metrů nad mořskou hladinu. Loď je schopna dosáhnout rychlosti 22 kilometrů za hodinu. Česká transkripce názvu lodi je Čikjú. V anglických materiálech se někdy objevuje přepis Chikyū, na samotné lodi je napsáno Chikyu. s vrtnou soupravou. Loď postavili společnosti Mitsubishi a Mitsui Engineering & Shipbuilding v roce 2001. Na vodu byla spuštěna v roce 2002 a od roku 2005 ji vlastní CDEX (Centre for Deep Earth Research), což je oddělení agentury JAMSTEC. Loď je hlavní součástí mezinárodního programu IODP, který odstartoval v roce 2013. Vrty mořského dna se provádějí v zajímavých seismických oblastech a pro provrtání zemské kůry byly vytipovány tři oblasti v Tichém oceánu: Havaj, Kostarika a Mexiko. Na Havaji už byly provedeny první předběžné vrty.

Loď ChikyuChikyu – vědecká loď s vrtnou plošinou, kterou zakoupila japonská agentura JAMSTEC v roce 2005. Loď byla pro tuto vědeckou agenturu vyrobena v roce 2001. Délka lodi je 210 metrů, výtlak 57 000 tun. Vrtná věž ční 121 metrů nad mořskou hladinu. Loď je schopna dosáhnout rychlosti 22 kilometrů za hodinu. Česká transkripce názvu lodi je Čikjú. V anglických materiálech se někdy objevuje přepis Chikyū, na samotné lodi je napsáno Chikyu. má výtlak 57 000 tun, délku 210 metrů, šířku 38 metrů a paluba je 16 metrů nad hladinou. Vrchol vrtné věže se nachází ve výšce 121 metrů nad mořskou hladinou. Loď je poháněna počítačem řízenou šesticí motorů, z nichž každý má výkon 4,1 megawattu. To umožní pohyb s rychlostí až 22 kilometrů za hodinu a perfektní schopnost manévrování. GPS navigace je samozřejmostí, a tak může loď udržovat přesnou polohu nad vrtem, aniž by byla snášena mořskými proudy.

Stěžejním nástrojem programu IODP, jehož cílem je provrtání kůry Země,
je japonská loď Chikyu s vrtnou plošinou. Zdroj: USGS.

Základní charakteristiky připravovaného vrtu. Zdroj: JAMSTEC.

Smělé plány

Obří mezinárodní projekt IODP (International Ocean Discovery Program) s výchozím rozpočtem někde mezi polovinou a jednou miliardou dolarů budí zaslouženou pozornost. Finanční částka se zdá obrovská, ale musíme si uvědomit, že vynaložené peníze jsou jen nepatrným zlomkem prostředků, které lidstvo vydává na zbrojení a další nesmyslné aktivity. V současnosti probíhá příprava nových technologií, jejich testy a menší průzkumné vrty. Připravit projekt, který bude vrtat v extrémních podmínkách za teploty převyšujících 500 °C a tlaku několika set megapascalů, není vůbec jednoduché. Vyžaduje to koordinované mezinárodní úsilí a financování mnoha zeměmi světa. K finálnímu vrtu skrze zemskou kůru by mělo dojít nejpozději v roce 2030. Výsledek by ale mohl stát za to. O prostředí zemského pláště toho totiž víme jen velmi málo. Vědci tak doufají, že nejenom získají vzorky z okolí Mohorovičićova rozhraní, ale i odpovědi na některé z mnoha otázek: Jak vznikala kůra Země? Existuje v extrémních podmínkách na hranici zemské kůry a pláště mikrobiální život (tzv. extremofily)? Jaké je chemické složení pláště? Jak vypadají zblízka pohyby tektonických desek? A jak tyto pohyby detailně souvisí se vznikem zemětřesení? Výzkum hranice mezi kůrou a pláštěm je stejně dobrodružný jako poznávání hlubin vesmíru. Svět „tam dole“ jsme doposud opomíjeli, ale v posledních letech se zdá, že se blýská na lepší časy.

Dobývání nitra Země. Zdroj: Science Nature/YT.

Odkazy