Het inwendige van de aarde

De binnenkant van de aarde is voor directe waarnemingen maar nauwelijks toegankelijk.
Terwijl de straal van de aarde 6,3 Mm is, is de diepste schacht die men ooit gegraven heeft
nog geen vijf km diep. Overigens: 1 Mm = 1 megameter = 1 000 000 m.
Bovendien is het aantal diepe schachten op één hand te tellen.
De diepste troggen steken zo'n elf km onder het oceaanoppervlak uit.
Langzaam maar zeker wordt informatie over het inwendige van de aarde met fysische middelen bekend.

1. Dichtheid
De omtrek van de vrijwel bolvormige aarde is bekend.
De straal en het volume van de massieve bol dan ook.
De massa van de aarde kunnen we natuurlijk niet met een balans of unster bepalen
maar wel met behulp van de beweging van de maan.
(Voor een niet ingewijde zal dat vreemd overkomen.)

We leerden dat massa gelijk is aan dichtheid maal volume of m = ρ • V.
In dit geval moeten we spreken over de gemiddelde dichtheid van de aarde,
omdat we niet van homogeniteit mogen uitgaan.

2. Beetje rekenen
De omtrek van de aarde is per verouderde definitie 40 000 km precies.
De massa van de aarde is zes kwadriljoen kg.
In deze schrijfwijze is die waarde gemakkelijk te onthouden.
Nauwkeuriger is die massa 5,976 × 1024 kg.
We berekenen uit deze twee gegevens, dat de gemiddelde dichtheid van de aarde 5,520 ton/m3 is.
We gebruiken daarbij
--Een ton is 1000 kg.
--omtrek = 2πr en Vbol = (4:3)πr3 en m = ρ • V.
Hierin is ρ de gemiddelde dichtheid van de aarde.

De dichtheid van het oceaanwater is circa 1,03 ton/m3. Dat varieert met de temperatuur,
de diepte en het zoutgehalte. De soortelijke massa van de verschillende gesteentes
varieert van 2 à 5 ton/m3. Om op een gemiddelde van 5,520 ton/m3 uit te komen,
moet de dichtheid van dieper gelegen delen in de buurt van zo'n 8 ton/m3 zijn.
Als we ons in gedachte zouden verplaatsen van het aardoppervlak naar het middelpunt van de aarde
dan zal onderweg de dichtheid gemiddeld
toenemen van 1 (water) tot 17 ton/m33 (middelpunt).

3. Magnetisme
De aarde gedraagt zich als een reusachtige staafvormige magneet.
Dat blijkt uit het gedrag van een kompasnaald.
In de aarde zit dan òf een reusachtige elektromagneet,
òf een permanente magneet, gemaakt van een magnetiseerbare stof.
De eerste keus ligt niet erg voor de hand. Dus denken we aan
gemagnetiseerd ijzer, nikkel of een ander natuurlijk en magnetisch materiaal.
Er zijn weinig andere in de natuur voorkomende magnetiseerbare stoffen!

De magnetische noord- en zuidpool bewegen langzaam en grillig over het aardoppervlak.
Dat maakt het aannemelijk, dat het magnetische materiaal vloeibaar is en wervelt.

4. Combineren
De dichtheden van zuiver nikkel en ijzer zijn respectievelijk 8,90 en 7,87 ton/m3.
Die komen dicht in de buurt van de berekende waarde van de dichtheid van het inwendige van de aarde.
Daarmee is het aannemelijk gemaakt, dat het inwendige van de aarde uit nikkel en/of ijzer bestaat.
Door de hge temperatuur zijn die metalen gesmolten.

5. Golven
Een golf beweegt door een bepaalde soort stof heen.
Als er een grenslaag met een andere stof niet-loodrecht wordt bereikt,
dan kan de golf in twee delen splitsen:
een deel van de golf wordt weerkaatst tegen de grenslaag en
het andere deel passeert de grenslaag waarbij breking optreedt.
De golflengte en de golfsnelheid zijn veranderd; de frequentie blijft behouden.

6. Aardbevingen
Met aardbevingsgolven kunnen we de aarde "doorlichten" en
daarmee kunnen we meer te weten komen over het inwendige van de aarde.

7. Aardbevingsbronnen
De lokatie van de bron van een aardbeving, het hypocentrum,
ligt vrijwel altijd dicht onder het aardoppervlak,
recht onder het epicentrum aan het aardoppervlak.
Gigantische hoeveelheden bewegingsenergie van de continentale platen
worden geleidelijk omgezet in veerenergie ten gevolge van uitsteeksels
die aan elkaar haken. De bewegingsenergie is behoorlijk groot ondanks de snelheid van centimeters per jaar
maar dankzij de onvoorstelbaar grote massa van de continentale platen.
Als de uitsteeksels van die platen van elkaar losschieten,
dan wordt de langzaam opgebouwde veerenergie plotseling omgezet in bewegingsenergie:
een aardbevingsbron.
Het langs elkaar schuiven kan zowel horizontaal als verticaal.
In het laatste geval perst de ene schol zich onder de andere.
De meeste aardbevingen ontstaan door het hiervoor beschreven proces.
Ook instortende grotten, vulkaanuitbarstingen, kunstmatige, ondergrondse explosies en
neerstortende meteoren kunnen aardbevingen veroorzaken.

8. Soorten aardbevingsgolven
Twee soorten aardbevingsgolven komen van het hypocentrum en gaan door het inwendige van de aarde heen.
De ene soort is een transversale of elastische lopende golf die alleen door vaste stof heen kan.
De tweede soort is een longitudinale lopende golf of een drukgolf die ook door vloeistof heen kan.
De ene golfsnelheid is ruwweg twee maal zo groot als de andere.
De derde soort is een golf, die zich over het oppervlak van de aarde heen beweegt.
De stenen bovengrond beweegt dan ongeveer als een watergolf. Die golf heeft weer een andere snelheid.
Slachtoffers
Veel overlevenden van aardbevingen hebben hevige trauma's aan zo'n natuurramp overgehouden.
Het is goed om daar even bij stil te staan.

De seismometers registreren het verloop van een aardbeving
Het gebeuren wordt vastgelegd op papier of als data in een computer.
Later kan men in alle rust nauwkeurig de metingen verwerken.
Ook wordt secuur de datum en de exacte tijdstippen vastgelegd.

Eén plotselinge, kort durende trilling van de aardbevingsbron
geeft altijd minstens drie registraties bij een seismometer:
elk van de drie genoemde aarbevingsgolven heeft zijn eigen snelheid.
Ze komen daardoor elk op hun eigen tijdstip aan.
Waarom er meer dan drie trillingen worden waargenomen wordt uitgelegd in het volgende model.

9. Een eenvoudig model
We nemen aan, dat de aarde een homogene stenen bolschil is. Bovendien veronderstellen we,
dat de snelheid van elk van de golven onafhankelijk is van de richting van de golf door het gesteente.
Dat laatste is niet vanzelfsprekend! (anisotropie.)
In de overblijvende holle, bolvormige ruimte, de kern, zit een homogene vloeistof.
Bekijk de schematische tekening van dit model van de aarde.

1 is de directe golf van het hypocentrum naar de seismometer.
2 en 3 zijn golven, die elk éénmaal weerkaatsen.
4 ondergaat onderweg twee brekingen.
5 vertoont vier brekingen en één reflectie.


Seismometers
Het ene plaatje stelt een seismometer voor die verticale trillingen registreert.
De andere registreert horizontale trillingen.

De golven 1, 2 en 3 komen elk in tweevoud voor, omdat beide transversaal en longitudinaal optreden.
De golven 4 en 5 komen slechts longitudinaal voor.
Bij de seismometer kunnen we ten gevolge van één beving van het hypocentrum
minstens acht maal een trilling registreren.
Er zijn ook nog de oppervlaktegolven.

10. De realiteit
In werkelijkheid is het gebeuren nog veel ingewikkelder:
in het vaste deel van de aarde zijn veel grensvlakken van de ene soort gesteente naar de andere.
Die grensvlakken zijn bovendien niet allemaal bolvormig.
Ook het hypocentrum geeft niet één duidelijk gedefinieerd "signaal" af.
Een serie schokken is heel normaal.
De analyse van alle ontvangen trillingen bij S, die elkaar ook nog gedeeltelijk overlappen
is bepaald geen eenvoudige job.

11. Wereldwijde samenwerking
Door de waarnemingen van alle samenwerkende seismologische stations met elkaar te vergelijken
weten we langzamerhand de opbouw van de aarde in haar lagen steeds nauwkeuriger aan te geven.
De aarde wordt in feite met behulp van aardbevingsgolven gescand.

Samenvatting
De beschouwingen over de dichtheid, de magnetische en seismische eigenschappen
geven een redelijk gedetailleerd beeld van het inwendige van de aarde.


Aarde
Wetenschappen