Univerzita Karlova v Praze. Matematicko-fyzikální fakulta. Martin Dlask. Katedra geofyziky

Transkript

1 Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Martin Dlask Země jako dynamické těleso Katedra geofyziky Vedoucí bakalářské práce: Studijní program: doc. RNDr. Hana Fyzika Bc. Čížková, Ph.D. Studijní obor: Fyzika zaměřená na vzdělávání Praha 2013

2 Děkuji vedoucí své bakalářské práce za její odborné vedení a pomoc. Děkuji všem přátelům, kteří měli tu sílu dočíst práci do konce, za jejich pomoc zvláště pak Magdě Fialové, Mgr. Lucii Kolářové za odbornou korekturu.

3 Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů, literatury a dalších odborných zdrojů. Beru na vědomí, že se na moji práci vztahují práva a povinnosti vyplývající ze zákona č. 121/2000 Sb., autorského zákona v platném znění, zejména skutečnost, že Univerzita Karlova v Praze má právo na uzavření licenční smlouvy o užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1, autorského zákona. V... dne... Podpis autora

4 Název práce: Země jako dynamické těleso Autor: Martin Dlask Katedra: Katedra geofyziky Vedoucí bakalářské práce: doc. RNDr. Hana Čížková, Ph.D. Abstrakt: Tato práce slouží jako učební pomůcka učitelům a žákům středních škol a gymnázií při nauce o Zemi. Účelem práce je prohloubit poznatky, které studenti mohou získat během hodin zeměpisu a propojit je s poznatky, které jsou obsaženy v osnovách fyziky pro střední školy a gymnázia. Cílem je seznámit studenty s problematikou geofyziky a názorně nastínit uplatnění fyzikálních zákonů, s nimiž se mohou setkat. Práce se zaměřuje na popis struktury Země, šíření mechanického vlnění v Zemi, způsoby přenosu tepla v Zemi a vznik vnitřního magnetického pole Země.Práce je koncipována do dvou částí, jednu část tvoří učební text, ve kterém jsou shrnuty a vysvětleny geofyzikální poznatky o Zemi. Pro pedagogické účely jsou v práci vysvětleny a zopakovány fyzikální poznatky, které jsou pro pochopení práce potřeba. Druhou část tvoří přidružená prezentace ve formátu PDF, která slouží, jako prezentační medium pro učitele, pří výkladu o Zemi. Klíčová slova: Země, Geomagnetismus, Mechanická vlna, Učební text Title: Earth as a dynamic body Author: Martin Dlask Department: Department of Geophysics Supervisor: doc. RNDr. Hana Čížková, Ph.D. Abstract: This thesis is devoted to teachers and students of high schools. Its purpose is to deepen the knowledge that students may gain during geography lessons and to relate it to the information obtained during lessons of physics taught in high schools. The aim of this thesis is to introduce the most recent problematic of geophysics to students and to briefly explain the effects of physical laws, which they may encounter. This work is mainly focused on the description of the interior structure of the Earth, the Wave propagation thru the Earth, the heat movement of heat within the Earth and the rise of the magnetic field of the Earth. This thesis is divided into two parts, the first part is composed by study scripts in which are summed up and explained the geophysical findings about the Earth. For pedagogical purposes, physical findings that are needed to understand this thesis are also repeated and explained. The second part consists of a included presentation in PDF format that serves as medium for presentations about the Earth for teachers.

5 Obsah Úvod 2 1 Vznik Země 6 2 Struktura Země Zemské jádro Zemský plášt Zemská kůra Mechanické vlnění v Zemi Mechanická vlna Mechanické vlnění uvnitř Země Mechanické vlny na povrchu Přenos tepla v Zemi Způsoby přenosu tepla Využití přenosu tepla v Zemi Magnetické pole Země Vznik magnetického pole Země Vlastnosti magnetického pole Země Užitečnost magnetického pole Země Závěr 30 Seznam použité literatury 31 1

6 Úvod Geofyzika je na dnešních středních školách a gymnáziích vedena v rámci hodin zeměpisu, nikoliv fyziky. Smyslem této práce je ukázat studentům Zemi jako těleso, které se s časem mění. Ukázat jim důvody, proč se Země mění. Cílem je doplnit informace, které studenti mají, o nové poznatky a vzbudit v nich určitý zájem o geofyziku. Středoškolské učebnice a texty se většinou zaměřují na jednotlivé části Země jako na statické objekty z pohledu středoškolských osnov, jimiž jsou vázány. Smyslem této práce je vytvořit doplňující učební text, který žákům představí Zemi jako dynamické těleso ve vesmíru z pohledu středoškolské fyziky. Práce je koncipována jako učební pomůcka, složená z učebního textu pro žáky čtyřletých gymnázií a prezentace pro jejich učitele. Specificky je práce zacílena na studenty na prvních dvou ročníků, ve kterých se Země probírá během výuky zeměpisu. Pro tyto studenty mohou být fyzikální poznatky obsažené v této práci nové. Studenti prvního ročníku většinou nemají přehled o mechanickém vlnění či přenosu tepla, protože je nemuseli probírat na hodinách fyziky. Z tohoto důvodu jsou v textu vysvětleny všechny potřebné pojmy. Při výkladu během zájmových hodin studentům třetích a čtvrtých ročníků vysvětlení slouží pro oživení látky, se kterou se studenti již setkali. Pro tyto účely bylo třeba některé složité fyzikální termíny zjednodušit na přijatelnou formu pro mladé studenty, avšak ne tolik, aby přestávaly být platné. Přechod mezi kompletním a odborným popisem vhodným pro bakalářskou práci a jednoduchou názorností vhodnou, někdy vhodnou pro didaktické účely, byl jednou ze stěžejních částí této práce. Tato práce se přímo dotýká gymnaziálních osnov zeměpisu v tématech: Země jako vesmírné těleso, Tvar a rozměry Země, Stavba Země, Zemské jádro, Zemský plášt, Litosféra, Zemská kůra, Zemětřesení. Na školách jsou výše vypsaná témata během hodin zeměpisu probírána, jako výpis pojmů. Nejsou příliš vysvětlována. Není například řečeno, proč je Země strukturována způsobem, který pozorujeme. Tato práce se snaží na témata středoškolských osnov nahlížet z fyzikálního pohledu a vysvětlovat poznatky, které se žáci dozvědí během hodin zeměpisu. 2

7 Za účelem vysvětlení byla proto témata, zabývající se Zemí obsažená v osnovách středních škol, obohacena o základy mechanického vlnění, přenos tepla a vznik vnitřního geomagnetického pole. Autor nepopírá, že popisované jevy by si z odborného hlediska zasloužily mnohem pečlivější, přesnější a úplnější popis, zvláště po matematické a odborné stránce. Popis některých jevů balancuje nad pomyslnou propastí únosnosti. Avšak smyslem textu je vést studenty krok za krokem a názorně jim ukazovat využití poznatků středoškolské fyziky na dějích probíhajících v Zemi. Z tohoto pohledu je důležité neuchýlit se k popularizačnímu popisu jevů a zůstat učebním textem, který si student může vzít k ruce, kdykoliv mu látka není jasná, a přitom být dost čtivým na to, aby měl student chut látku prostudovat. Z výše popsaných důvodů je volen dvojí jazyk. Některé oddíly jsou popisovány pomocí odborných výrazů, které by se žáci měli naučit, a některé oddíly jsou popisovány obecnějším a volnějším jazykem, aby probíraná témata nepřišla žákům příliš vzdálená a zároveň, aby se čtenář mezi odbornějšími částmi rovněž odreagoval. Tento způsob byl zvolen na základě osobní zkušenosti autora se středoškolskými studenty. Na středních školách platí, že pokud učitel mluví čistě odborným jazykem, pak si žáci z hodin mnohdy mnoho neodnesou. Domněnka, o tom zahltit žáky pouhými vzorečky a termíny s představou, že v nich vše najdou, na středních školách neplatí a je třeba podávat odborné věci odborně, ale zároveň lidsky, aby neodradily. Obsahem práce je pět kapitol, které se zaměřují na popis a vysvětlení témat: Struktura Země, Mechanické vlnění v Zemi, Přenos tepla v zemi a Vnitřní magnetické pole Země. K těmto tématům je přidána úvodní kapitola vyprávějící o rané Zemi a jejím formování. Výše vypsaná témata byla vybrány z důvodu návaznosti na látku obsaženou v osnovách zeměpisu a fyziky pro střední školy a gymnázia společně s provázaností s obecně známými pojmy objevujícími se v mediích tak, aby bylo možné vybudovat představu o Zemi jako o tělese, které se s časem mění. Při výkladu textu se postupuje postupně od zavedení pojmů k jejich vysvětlování, doplněného o užitečné poznámky. Práce začíná s kapitolou Vznik Země, která osvětluje některé pojmy, se kterými se student může setkat, vysvětluje, jak to se Zemí bylo na počátku a odpovídá částečně na otázku tvaru Země. Vznik Země byl jako úvodní kapitola vybrán, jako úvod do textu, na kterém je zároveň čtenáři ukázán styl, kterým se práce bude ubírat. Kapitola navazující na vznik Země je nazvána Struktura Země. Věnuje se popisu dnes pozorované struktury Země, tak jak ji student může znát ze školy. Kapitola tvoří základ informací, které by student měl o Zemi vědět. Struktura této kapi- 3

8 toly je trošku nezvykle vystavěna od popisu nejhlubších vrstev Země postupně k nejvyšším vrstvám. Tento způsob strukturování byl zvolen, jako pokus o logickou výstavbu Země jako tělesa od pomyslného jádra, na které nabalujeme další vrstvy. Smyslem druhé kapitoly je sjednotit poznatky o struktuře Země dříve než je řečeno, jak Zemi zkoumat. Dalším důvodem pro prvotní souhrn struktury Země je důvod, že mladí studenti mají v hlavě základy struktury spíše než poznatky o seismologii, se kterou se na škole gymnaziálního typu nemohou příliš setkat. Po úvodních dvou kapitolách navazuje kapitola nazvaná Mechanické vlnění v Zemi, která předkládá způsoby, jakými je možné zkoumat vnitřní části Země. Využívané mechanické vlnění je z učebních důvodů znovu částečně vysvětleno, včetně vybraných základních pravidel chování mechanického vlnění. Kapitola čtvrtá nazvaná Přenos tepla v Zemi pojednává o způsobech a užití přenosu tepla v Zemi. Její umístění až za kapitolu o mechanickém vlnění bylo zvoleno z důvodu strukturovat text od věcí od poznatků, které jsou studentům nejbližší. V prvních dvou kapitolách jsou shrnuty známé poznatky o Zemi. Ve třetí kapitole je představen způsob, jakým je možno Zemi zkoumat. Teprve ve čtvrté kapitole je zmíněn přenos tepla, který je bezpochyby hlavním hybným motorem strukturování Země a dějů v Zemi probíhajících. Ve čtvrté kapitole Přenos tepla v Zemi jsou nejprve připomenuty a vysvětleny způsoby přenosu. Teprve poté je ukázána jejich důležitost v zemském tělese. Na závěr je vložena kapitola Magnetické pole Země, jejímž účelem je prezentovat, a částečně objasnit, vznik vnitřního geomagnetického pole v Zemi. Tato kapitola je dána nakonec, protože k vysvětlení vzniku vnitřního magnetického pole Země potřebujeme mít znalosti o způsobech přenosu tepla, zároveň z pohledu středoškolské látky jde o komplexnější a záhadnější téma nad rámec znalostí studentů. Vytvořená prezentace, přiložená k práci, je vhodná pro minut dlouhé zájmové hodiny, či na rozkouskování po kapitolách a doplňování hodin zájmově po částech. Členění prezentace koresponduje se strukturou učebního textu, na rozdíl od něj však obsahuje pouze heslovité údaje s obrázky, které vyžadují doplnění informací od učitele. Prezentace obsahuje jednotné členění textu, kdy nadpisy či druhotné informace mají jednotnou strukturu prolínající se celou prací. Do prezentace byly vloženy doplňující otázky, pro jejichž odpovědi je třeba si projít učební text. Formát pdf byl u prezentace zvolen, protože formáty typu ppt, pptx a jiné zobrazují prezentace na každém systému jinak. V případě formátu pdf je možné, aby při otevření prezentace na různých systémech byla struktura textu zachována. 4

9 Geofyzikální problematikou se zabírají učebnice zeměpisu či učebnice geofyziky. Jednotlivá témata geofyziky jsou dnes popisovány pomocí mnoha článku, knih a jiných prací. Na katedře geofyziky byly v uplynulém desetiletí vytvořeny dvě bakalářské práce. Práce magistra Kossa se zabývala vznikem geomagnetického pole a práce magistry Čípové pohledem na geofyziku pro studijní účely. Dále bych chtěl vyzdvihnout učebnici The Dynamic Earth [12], vytvořenou Doktorem Tor van der Valkem na univerzitě v Utrechtu, jež obsahuje průřez většinou geofyzikální látky a je určena pro semestrální výuku geofyziky v rámci přírodovědeckých škol. 5

10 Kapitola 1 Vznik Země Bůh sestoupil z nebes a dal vzniknout zemi, moři a zvěři, která by jeho svět obývala. Nakonec k obrazu svému stvořil člověka jako pána nad všemi živočichy. [Volná citace z Bible] Naše povídání o tom, co je to vlastně ta naše malá tajemná planeta započneme v době před 4,5 miliardami let. Během přibližně 100 milionů let po vzniku Slunce, se zformovala zárodeční Země. Raná Země bylo těleso velice horké (podle některých poznatků je možné, že dokonce celé tekuté) a nesourodé. V té době struktura Země, jak ji známe dnes, neexistovala. Během toku času se v Zemi začali vytvářet jednotlivé rozlišitelné vrstvy. Těžké prvky, jako například železo, klesaly ke dnu vytlačovány lehčími prvky, jako je například křemík, stoupajícími k povrchu. Časem vzniklo velice těžké zemské jádro tvořené převážně železem, na které jsou nabaleny relativně homogenní vrstvy hornin. Před 4 miliardami let se Země střetla s planetkou přibližně o velikosti Merkuru. Ze zbytků této planetky se zformoval Měsíc, který byl v době svého vzniku velice žhavé těleso s vlastní atmosférou. 1 Při této srážce již musela v Zemi existovat jistá struktura, protože chemické složení Měsíce je velice podobné chemickému složení zemského pláště.[11] Nyní, v momentě, když jsme si popsali zárodeční Zemi, která se pomalu uspořádává, by bylo dobré si říci, proč se Země uspořádala do kulového tvaru. Proč není Země placka? Pro odpověd na tuto otázku si musíme vzít na pomoc Newtonův gravitační zákon, ve tvaru v jakém ho můžeme nalézt v každé učebnici 1 Měsíc si na rozdíl od Země nedokázal udržet vlastní atmosféru, což dnes vysvětlujeme jako důsledek jeho malé hustoty, díky které měly částice, obsažené v jeho atmosféře poměrně velkou pravděpodobnost dosažení rychlosti nutné k opuštění gravitačního pole Měsíce. 6

11 fyziky pro první ročníky čtyřletých gymnázií. F g = G M 1M 2 R 2 (1.1),ve kterém F g je gravitační síla působící mezi dvěma tělesy, jejichž středy jsou ve vzdálenost R, G je gravitační konstanta a M 1, M 2 jsou hmotnosti dvou těles, která na sebe gravitačně působí. Ze vztahu vidíme, že gravitační síla je silou přitažlivou, která s rostoucí vzdáleností mezi tělesy klesá. Jelikož gravitační síla je závislá pouze na vzdálenosti mezi tělesy, a nikoliv na směru, v jakém leží. Říkáme, že jde o sílu sféricky symetrickou. 2 Proto by Země měla být kulatá, a nikoliv krychlová či placatá, protože koule je jediný trojrozměrný útvar, pro který platí, že vzdálenost ze všech bodů na povrchu do středu je pro všechny body stejná. Nejhrubším odhadem tvaru Země je koule (někdy též říkám v prvním přiblížení je Země kulatá). Při pozornějším prozkoumání Země zjistíme, že Země kulatá není. Jednak Země má pohoří tvořená a horami či prohlubně vyplněné oceány, ale hlavně je Země nehomogenní těleso, které je neustále v pohybu. Horniny v zemi proudí, pohoří zanikají a tvoří se nová. Každá část Země má jinou hustotu. Země se pohybuje a rotuje. Z tohoto důvodu je Země lehce zploštělá, její průměr na rovníku činí km, zatímco průměr přes póly Země činí km. Z těchto a mnoha dalších důvodů Země není kulatá, ale říkáme, že jde tzv. geoid, což je dle geografické definice těleso, které je definováno, jako útvar vzniklý oddělením atmosféry od střední klidové hladiny moří a oceánů. [2] 2 Pojem sféra v matematice označuje kulovou plochu. 7

12 Kapitola 2 Struktura Země K nám do hostince chodí profesor a ten vykládá o další Zemi skryté v Zemi. [Jaroslav Hašek, Příběhy dobrého vojáka Švejka za světové války] Během miliard let se Země sama zcela přirozeně uspořádala a utvořila vlastní strukturu, kterou dnes pozorujeme. Na první pohled je struktura Země tvořena homogenními pásy hornin vyskládaných na sobě. Čím hlouběji do Země jdeme, tím větší je hustota hornin, jak ukazuje obrázek 2.1 a poněkud překvapivě s hloubkou roste i teplota. Pro zemskou kůru například platí, že teplota v Zemi vzroste přibližně o 30 o C na každý kilometr. [9] Na obrázku 2.2 lze vidět předpokládaný růst teploty s hloubkou. Základní dělení Země je na těžké zemské jádro, lehčí zemský plášt a zemskou kůru, jak je možno pozorovat na obrázku 2.3. V základním rozdělení Země nám pomáhají skokové změny ve složení Země, kterým říkáme Mohorovičičova a Gutenbergova diskontinuita, a napevno nám oddělují jednu vrstvu Země od druhé. O tom, kde se nacházejí a jaké vrstvy nám oddělují, se zmíníme dále. V tento moment, si zmíníme, že kromě skoků ve složení máme v Zemi skoky i ve fázi, a to jak přechod mezi kapalnou a pevnou fází hornin, tak i přechody mezi fází ve významu struktury hornin. Obrázek 2.1: Závislost hustoty hornin na hloubce v zemi [7] 8

13 Obrázek 2.2: Závislost teploty na hloubce v zemi [9] 2.1 Zemské jádro Nejspodnější vrstvu Země nazýváme zemské jádro. Jde o těleso kulového tvaru o poloměru R = km [6], dále dělené na dvě části: jádro vnitřní a jádro vnější. Obě části jádra mají velice podobné složení a tedy i hustotu, avšak vnitřní jádro je pevné zatímco vnější jádro je tekuté. Tento rozdíl ve skupenství, způsobuje rozdílné průběhy fyzikálních dějů v jednotlivých částech zemského jádra. Vnitřní jádro je těleso přibližně o velikosti Měsíce a teplotě povrchu Slunce tvořící nejspodnější část zemské struktury. Nachází se v hloubkách od km (střed Země) do km (oblast přechodu mezi pevnou a kapalnou částí jádra) pod povrchem. Vnitřní jádro je tvořeno převážně železem (93 %) [9] s lehkou příměsí niklu (5 %). Hustota vnitřního jádra se odhaduje na ρ = kg/m 3 při teplotě přesahující K.[6] Vznik vnitřního jádra si dnes vysvětlujeme jako důsledek krystalizace původní rozžhavené látky tím, jak se Země postupně ochlazovala. Domníváme se, že tento jev probíhá i dnes, kdy zemské jádro pomalu roste tím, jak kapalná část vnějšího jádra pomalu stále krystalizuje vlivem nezvratného ochlazování Země. 9

14 Obrázek 2.3: Struktura Země Je třeba si uvědomit, že zemské jádro není pevné za běžných, pro nás snadno představitelných, podmínek. Vlivem gravitačních sil je vnitřní jádro pod enormním tlakem, který činí přibližně 1,4 milion násobek atmosférického tlaku při hladině moře.[6] Někdo by se mohl podivovat nad tím, jak je možné mít pevné těleso ze železa při teplotě K. Vždyt teplota tání železa udávaná v každých fyzikálně chemických tabulkách pro střední školy činí K, dokonce teplota varu železa je K. [9] Je nutné si však uvědomit, že o tom, jaké skupenství bude mít daná látka, nerozhoduje pouze teplota látky, nýbrž i tlak. Udávaná teplota varu železa platí pouze při atmosférickém tlaku. Pro kovy obecně platí, že teplota tání s rostoucím tlakem stoupá, což umožňuje, aby nejteplejší část Země byla pevná, protože je pod velmi velkým tlakem. Vnější jádro je kapalnou částí zemského jádra nacházející se v hloubce přibližně od km do km pod povrchem. Je tvořeno převážně železem a niklem s příměsí síry při teplotách v rozmezí K.[9] Průměrná hustota vnějšího zemského jádra přesahuje kg/m 3. [9] Přechodová oblast 10

15 od tekutého vnějšího jádra k pevnému vnitřnímu jádru má tloušt ku km, jde o fázový přechod nikoliv však ve složení, ale ve struktuře látky. Pevné železo z vnitřního jádra se mění v kapalné železo ve vnějším jádře. Díky tekutosti vnějšího jádra v něm dochází k tečení přibližně rychlostí 10 km za rok. [9] Tečení vnějšího jádra má za následek vznik magnetického pole Země, jež je životně důležité pro život na Zemi, jak si podrobněji vysvětlíme v šesté kapitole. 2.2 Zemský plášt Zemský plášt je vrstva Země navazující na zemské jádro v hloubce od km až po 30 km pod povrchem. Zemský plášt zabírá 84 % objemu Země a tvoří 64 % její hmotnosti. [4] Spodní zemský plášt je nejspodnější vrstvou zemského pláště nacházející se v hloubce od km do 660 km pod povrchem Země. Počátek zemského pláště v hloubce km je dobře určen, protože na něm dochází ke skokovému přechodu v chemickém složení hornin mezi těžkým, železem tvořeným, vnějším jádrem a relativně lehkým, silikáty tvořeným, zemským pláštěm. Při tomto přechodu se navíc mění i skupenství hornin, protože spodní plášt je pevný, zatímco vnější jádro je tekuté. Tento přechod nazýváme Gutenbergova diskontinuita. 3 Hustota spodního zemského pláště se odhaduje v rozmezí kg/m 3 až kg/m 3 [4] (Při srovnání s hustotou vnějšího zemského jádra přesahující kg/m 3 jde o významný pokles v hustotě.) Spodní zemský plášt je tvořen převážně kyslíkem (44 %), křemíkem (21 %), magnéziem (22 %) a železem (6 %) při teplotách menších než K (teplota Gutenbergovy diskontinuity) do K (teplota na rozhraní se svrchním zemským pláštěm.) Svrchní Zemský plášt je vrstvou navazující na spodní zemský plášt v hloubce 660 km pod povrchem Země, kde dochází ke změně struktury hornin bez změny geologického složení. Svrchní zemský plášt je tvořen stejnými prvky jako plášt spodní, avšak v jiných chemických variacích. Svrchní plášt je shora ohraničen zemskou kůrou, přičemž přechod mezi zemskou kůrou a svrchním pláštěm se nazývá Mohorovičičova diskontinuita (MOHO) na počest chorvatského geofyzika, který ji definoval. Na MOHO dochází ke skokové změně ve složení hornin, díky čemuž je možné 3 Diskontinuita znamená nespojitost 11

16 ji relativně snadno a přesně nalézt. Horní část svrchního pláště z geologického hlediska dělíme na astenosféru a litosféru. Astenosféra je plastická oblast v hloubkách km pod povrchem. Litosféra je km široká navazující vrstva hornin rozdělená do 19 menšími útvarů zvaných litosférické desky. Litosférické desky dále dělíme na pevninské a oceánské. Litosferické desky se navzájem nezávisle pohybují po plastické astenosféře. Při srážce dvou desek vzniká velké mechanické napětí mezi deskami, které je zdrojem některých zemětřesení. Okamžik vzniku zemětřesení v litosféře si můžeme představit následovně: Pohybují li se dvě litosférické desky proti sobě, pak se dříve či později střetnou. Při střetnutí dojde na nějakém místě mezi deskami k zaklesnutí jedné desky do druhé. Bod, ve kterém desky zaklesly, stojí na místě, zatímco zbylé části desek se pohybují. Pohyb desek způsobuje namáhání zaklesnuté části a uchovávání mechanické energie. Po čase mechanické napětí naroste do takové velikosti, při které dojde k prasknutí desek v zakleslé části a prudkému pohybu zakleslé části. Místo, ve kterém dojde k prasknutí, nazýváme hypocentrem a jde o zdroj seismických vln a zemětřesení. Místo, ve kterém zemětřesení doputuje na povrch, nazýváme epicentrum. Obrázek 2.4: Svrchní plášt Země (upraveno ze zdroje Zemská kůra Jedná se o nejsvrchnější část zemského tělesa. Je tvořena převážně žulou a čedičem. Průměrná hustota zemské kůry je určena na kg/m 3. [1] Tloušt ka zemské kůry se pohybuje v rozmezí 5-10 km pod oceány až po 70 km pod pohořími. Teplota zemské kůry se pohybuje mezi K na rozhraní zemské 12

17 kůry a litosféry po 273 K na povrchu.[1] Zemská kůra vznikla jako natavenina vyvrhnutých hornin z vnitřních částí Země. V minulosti byla zemská kůra jako jediná část Země zkoumána člověkem přímo a dnes je zdrojem všech suroviny, a to díky své snadné dosažitelnosti. Zajímavostí je, že nejhlubším vrtem na Zemi je Kolského vrt, který dosahuje hloubky m. Člověk tedy dodnes nepronikl ani za hranice zemské kůry přímo. 13

18 Kapitola 3 Mechanické vlnění v Zemi Existují dva typy vlny. Ty, které vidíme, a ty, které slyšíme. [Odpověd studenta na otázku, jaké zná druhy mechanického vlnění.] V minulé kapitole jsme se zabývali strukturou Země. Jak jsme k ní však přišli? Jak víme, že Země má tekuté jádro tvořené železem místo obřího křečka běhajícího dokola? Vždyt není známa jediná výprava do středu Země. Žádná sonda se nedostala hlouběji než na dno Kolského vrtu a i ten je pouhým škrábnutím na tváři obra, jakým Země je. Přesto tvrdíme: Víme, jak vypadá Země uvnitř. Máme dobré tušení o tom, co by v ní mohlo být. Nejde o přehnanou pýchu? Nebo máme zázračný zdroj informací? Odpovědí je mechanické vlnění v Zemi nazývané seismické vlnění. Seismické vlny nám pomáhají prozkoumávat nitro Země na podobném principu, jako tomograf prozkoumává lidské tělo. Pro představu: do Země vysíláme seismické vlny a zkoumáme způsob, jakým se vlny šíří skrze Zemi. Podle rychlosti a způsobu šíření vln je možné zpětně odhadnout složení hornin, kterými vlny prošly a podrobněji strukturovat Zemi. Seismické vlny šířící se v Zemi nejsou škodlivé a umožňují Zemi zkoumat. Pokud se však seismické vlny dostanou na povrch může mít jejich šíření katastrofické důsledky. Seismické vlny na povrchu tvoří Zemětřesení či tsunami. Zkoumání šíření seismických vlny se zabývá geofyzikální obor zvaný seismologie. Kdyby Země byla homogenním tělesem, pak by se v ní rychlost šíření vln neměnila. Toto se však nepozoruje, namísto toho byly objeveny ve specifických místech Země pevné přechody, na kterých se rychlost šíření seismických vln skokově mění. Jde například o výše zmíněné diskontinuity, které rozdělují Zemi na jednotlivé relativně homogenní pásy hmoty. K měření seismických vln se používá přístroje zvaného seismograf.. Než si uvedeme některé druhy seismického vlnění si zopakujme poznatky o me- 14

19 chanickém vlnění z hodin fyziky. 3.1 Mechanická vlna Mechanické vlnění definujeme jako děj, při kterém se deformace šíří prostředím vazebných sil mezi molekulami. Pro doplnění si uved me, že deformací nazýváme změnu tvaru tělesa působením vnější síly. K popisu šíření mechanického vlnění existují ve fyzice mnohá pravidla, my si z nich vybereme tři nejdůležitější, které nám pomohou lépe si představit pohyb mechanického vlnění v Zemi či jiných látkách. Fermatův princip: Vlny procházející prostředím se šíří po takové dráze, která odpovídá nejkratšímu možnému času průchodu vlny daným prostředím. Zde pozor. Nemusí jít vždy o přímku! Huygenesův princip: Každý bod na čele vlny lze v každém čase považovat za elementární zdroj nového vlnění. Výslednou vlnoplochou je obálka elementárních vlnoploch ve směru šíření. Princip superpozice: Jednotlivé mechanické vlny se v prostoru šíří nezávisle. Výsledná mechanická vlna je součtem dílčích vln, které se skládají. 3.2 Mechanické vlnění uvnitř Země Primární vlny, zkráceně P-vlny, jsou podélné mechanické vlnění 4 šířící se v Zemi. Podélné vlnění je tvořeno částicemi látky kmitajícími ve směru šíření vlny (přitahování a odtahování horniny k sobě a od sebe podobně ve směru pohybu) jak je možno vidět na obrázku 3.1. Podélné vlnění v Zemi se šířící je nejrychlejším druhem vlnění. Naměříme ho tedy vždy jako první. Z tohoto důvodu se pro něj vžilo označení písmenem P jako primární a první. P-vlny se mohou šířit libovolným prostředím, avšak rychlost šíření P-vln je závislá na struktuře látky, tlaku, fázi a mnoha jiných parametrech. Příkladem podélného vlnění ze světa kolem nás je zvuk. Zvuk ve vzduchu, při normálním atmosférickém tlaku, se šíří rychlostí 341 m/s. V železe se za stejných podmínek zvuk šíří rychlostí m/s. Na první pohled je vidět, že stačila změna jednoho parametru (složení látky, ve které se mechanická vlny šíří) a rychlost zvuku se změnila více než desetinásobně. 5 4 Někdy také říkáme longitudinální vlnění. 5 Ve vakuu se mechanické vlnění nešíří. Nejsou v něm částice potřebné k jeho šíření. 15

20 Obrázek 3.1: Grafické zobrazení podélné vlny Sekundární vlny zkráceně, S-vlny jsou druhé vlny šiřící se v zemském tělese. S-vlny jsou tvořeny příčným mechanický vlněním. Při průchodu S-vlny prostředím jsou částice látky rozkmitávány kolmo ke směru šíření vlny, jak je zobrazeno na obrázku 3.3. Písmeno S v názvu vln pochází od slova sekundární neboli druhotná. 6 S-vlny se šíří pomaleji než P-vlny. Srovnání rychlostí jejích šíření P a S vln v Zemi je zobrazeno na obrázku 3.2. Příčné vlnění se může šířit pouze v pevných látkách. Kapalná ani plynná fáze látek neumožňuje jejich šíření. Obrázek 3.2: Závislost rychlosti šíření P a S vln v závislosti na hloubce [7] Nyní si na příkladu ukažme užitečnost S-vln. Mějme dobře lokalizovaný zdroj (známe velice přesně polohu zdroje v čase i prostoru) mechanických vln. Například uvolnění mechanické energie při vzájemném posuvu dvou litosférických desek. V momentě, kdy dojde ke vzniku zemětřesení, se uvolní nashromážděná energie v podobě seismických vln. Vlny postupně procházejí různými vrstvami Země, které deformují. Do seismické observatoře nedaleko zdroje mechanických vln obě vlny (P a S) dojdou v určitém čase a specifickém rozložení (nejdříve P-vlna a později S-vlna). 6 Někdy označujeme také jako transversální vlnění. 16

21 Obrázek 3.3: Grafické zobrazení příčného vlny Pomocí znalosti časů, ve kterých jednotlivé seismické vlny přišly do seismické observatoře, je možné spočítat rychlosti jednotlivých vln i složení hornin, kterými vlny prošly při své cestě od zdroje do observatoře. Předpokládejme nyní, že obě mechanické vlny mají dost velkou energii na to, aby mohly projít celou Zemi bez toho, aby byly pohlceny. Seismické laboratoře, rozeseté po celé Zemi je budou registrovat průběžně, jak se k nim jednotlivé vlny budou dostávat. Pokud si naměřené údaje z jednotlivých observatoří porovnáme, zjistíme, že některé observatoře pozorovaly pouze P-vlny, a nikoliv S-vlny. Jak je to možné? Obrázek 3.4: Šíření vln v Zemi Z nauky o vlnách víme, že vlny se šíří po takových drahách, které jim umožňují do svého cíle docestovat nejrychleji. Na tomto místě zanedbejme, že na rozhraní dvou prostředí se vlny štěpí na vlny prošlé a odražené od rozhraní. Zanedbejme i nehomogenitu jednotlivých zemských vrstev. Uvažujme, aby vlna mohla projít do všech stanic na světě, pak některé vlny musí projít skrze zemské jádro. Pokud víme, že některé stanice pozorovaly pouze P-vlny, a P-vlny jako jediné se mohou 17

22 šířit kapalným prostředím, můžeme usoudit, že v Zemi je nějaká kapalina, která S-vlny pohltila. Vzhledem k tomu, že tato kapalina zabírá přibližně 15 % objemu Země [9], není příliš velký problém tuto kapalinu najít. Naše představa o tekutosti zemského jádra je takto potvrzena, aniž bychom museli sami sestoupit do hlubin. Na obrázku 3.4 je možno pozorovat jeden z možných případů šíření seismických vln P a S uvnitř Země. 3.3 Mechanické vlny na povrchu Povrch Země je tvořen rozhraním oddělujícím od sebe zemskou kůru od plynné atmosféry. V zemské kůře mluvíme o šíření seismických vln podélných i příčných, zatímco ve vzduchu se šíří pouze mechanické vlnění podélné. Když se mechanická vlna dostane na povrch, může se vzduchem šířit pouze její malá část ve formě zvukové vlny. Zbytek vlny zůstává na povrchu a šíří se po něm. Délky v zemi šířících se vln jsou však velice dlouhé. Jejich perioda je běžně v řádu minut. Takové vlny jsou pro lidi zcela neslyšitelné. Udává se, že člověk slyší mechanické vlnění o frekvencích v rozmezí od 20 Hz do 20 khz. Frekvence 20 Hz odpovídá periodě vlny dlouhé 0,05 s tedy vlně, která se v zemi prakticky nešíří. Seismické vlny na povrchu rozlišujeme na dva druhy na Loveovy a Rayleighovy. Obrázek 3.5: Povrchové vlny (převzato a upraveno ze zdroje Loveovy vlny jsou nejrychlejší mechanické vlny na povrchu Země. Jde o příčné vlnění tvořené částicemi kmitajícími kolmo na směr šíření vlny v horizontální rovině. Jejich grafické vyobrazení je možno pozorovat v horní polovině obrázku 3.5. Rayleighovy vlny jsou pomalejším druhem příčné mechanické vlnění na povrchu Země tvořené částicemi kmitajícími kolmo ke směru šíření vlny ve 18

23 vertikální rovině po eliptické trajektorii. Grafické vyobrazení Rayleighovy vln je možno vidět ve spodní polovině obrázku

24 Kapitola 4 Přenos tepla v Zemi Chladnější těleso nemůže ohřívat těleso teplejší bez konání práce. [Druhý termodynamický zákon] V tomto textu již bylo zmíněno, že teplota se v různých částech Země různí. Doposud jsme se však nezabývali tím, proč tomu tak je. Přitom přenos tepla je pro nás samozřejmou věcí a je pouze logické očekávat, že by v Zemi mohl probíhat. Jak však funguje? Jak lze v Zemi přenášet teplo? Má přenos tepla v Zemi nějaké důsledky? Na výše zmíněné otázky se v této kapitole pokusíme nalézt odpovědi. Nejprve si ale připomeneme, co je to teplo a teplota a jaké druhy přenosu tepla známe ze světa kolem nás. Teplotou budeme rozumět fyzikální veličinu charakterizující stav látky. Její velikost závisí na kinetické energii neuspořádaného pohybu částic v látce. (V případě plynů je teplota přímo kinetická energie neuspořádaného pohybu částic v látce.) [3] Teplem budeme nazývat část vnitřní energie systému, kterou si systém vymění s jiným systémem bez konání práce. [5] 4.1 Způsoby přenosu tepla Přenos tepla vedením (tzv. kondukce) je nejběžnější způsob přenosu tepla v pevných materiálech. V pevných látkách jsou částice většinou pevně drženy na svých místech (středních polohách) a nemohou se volně pohybovat látkou. Jediný pohyb, který vykonávají, je neuspořádané tepelné kmitání kolem svých středních poloh. Velikost kmitání kolem střední polohy určuje teplotu částice. 7 7 Velikost kinetické energie definuje teplotu přesně pouze v plynech. V případě pevných látek jde pouze o velkou část. Teplotu jedné částice nemá smysl definovat, protože je nejasné, k čemu ji vztahovat. Fyzici se dodnes přou, pro jak malé systémy má smysl teplotu definovat. 20

25 Pokud budeme např. zahřívat kousek kovu například, pak částice v zahřívané části obsažené budou kmitat rychleji a více kolem svých středních poloh na rozdíl od částice v nezahřívané části vzorku kovu. Pravděpodobnost toho, že by se mohla střetnout rychle kmitající částice ze zahřáté části s okolními částicemi, bude větší čím rychlejší částice bude. V momentě, kdy rychleji kmitající částice narazí do pomaleji kmitající částice, dojde k nepružné srážce. Rychleji kmitající částice předá část své kinetické energie částici pomalejší. V důsledku toho se rychleji kmitající částice zpomalí (její kinetická energie klesne) a částice pomaleji kmitající se urychlí (její kinetická energie vzroste). Jelikož změna kinetické energie znamená změnu teploty, dojde k ochlazení části kovu, ve které jsou rychlejší částice a k ohřátí části kovu, ve které jsou pomalejší částice. To už skoro začíná vypadat jako přenos tepla. Změna kinetické energie se pomalu šíří, což znamená postupnou změnu teploty vzorku, která představuje přenos tepla. Vedení tepla je přenos kinetické energie na mikroskopické úrovni. Pomocí částic, které jsou pevně vázány na svých místech (středních polohách) a srážejí se pouze s částicemi kolem nich. Přenos tepla probíhá po jednotlivých molekulových vrstvách. Vedení tepla je běžný jev, se kterým se setkáváme denně. Uved me si proto názorný příklad, který nám osvětlí vedení tepla v drátu. Položíme-li chladný kovový drát do hrnku s teplou vodou, brzy pozorujeme, že dojde ke znatelnému ohřátí konce drátu, který není ponořen ve vodě. Proč tomu tak je? Představme si, že ve vodě, která je ohřátá jsou rychlé molekuly vody, které narážejí do drátu po celé jeho ponořené ploše. S tím, jak molekuly vody narážejí do atomů kovu, dochází k částečnému předání mechanické pohybové energie od molekul vody atomům kovu. Atomy kovu, které tvoří drát, se začínají rychleji pohybovat kolem svých středních poloh. Díky vedení tepla se od povrchu drátu směrem do jeho útrob šíří zvýšení teploty. Urychlování částic a zvýšení teploty probíhá postupně v celém drátu nehledě na to, že část drátu není ponořena. Proto dojde k ohřátí i té části drátu, která ponořena není. Na obrázku 4.1 je možné nalézt grafické vyobrazení přenosu tepla v drátu. Výše popsané vedení tepla je možné najít v učebnicích fyziky pro střední školy. Jeho uplatnění v Zemi je velice podobné tomu z příkladu. Teplo se přenáší uvnitř pevných materiálů bez toho, aby se pohybovaly, přičemž se teplo postupně šíří z teplejších míst do míst studenějších. Toho se uplatňuje 21

26 Obrázek 4.1: Vedení tepla ve ve drátu (Q značí teplo) například při přenosu tepla v litosféře. Přenos tepla prouděním (tzv. konvekce) je dominantním způsobem přenosu tepla v kapalinách a plynech, kde částice nejsou pevně vázány v žádné struktuře a pohybují se volně. Na začátku kapitoly jsme si zavedli teplotu vzorku pomocí rychlosti neuspořádaného pohybu jejích částic. V kapalinách jsou však částice volné. Pokud je jedna částice najednou urychlena v jednom specifickém směru, tak ji nic nebrání. S největší pravděpodobností se však ve směru, ve kterém je urychlena, střetne s jinou pomalejší částicí. Při střetu dvou částic dojde ke srážce, po které bude pomalejší částice urychlena a rychlejší zpomalena. Tentokrát však dojde k urychlení částice v jednom privilegovaném směru. Přesně v tom směru, ve kterém rychlejší částice do pomalejší částice narazila. V látkách ovšem nejsou jednotky částice, ale miliony a mnohem více částic. (V jednom molu látky je přibližně 6,02 * atomů [9]). Nedojde ke srážce jedné částice, ale nepředstavitelně mnoha částic, což vyvolá vznik tzv. tepelného proudu. Při proudění se částice fyzicky pohybují ve vybraném směru a urychlují všechny, do kterých narazí, na rozdíl od vedení, kdy částice zůstávají po celou dobu, na místě. Při proudění v Zemi tedy dochází k pohybu jednotlivých hornin ve směru proudění. Rychlost proudění závisí na tekutosti horniny na její teplotě a jiných parametrech. V Zemi ho není zcela snadné pozorovat protože probíhá na poměrně velké časové škále vzhledem k délce lidského života. Rychlost tepelného proudění v plášti může totiž například činit jednotky milimetrů za rok.[11] Na závěr povídáni si o přenosu tepla proudění si uved me příklad, na kterém demonstrujeme proudění tepla v praxi. Představme si, že jsme doma. Je nám zima, a tak se rozhodneme pustit si topení. Topení je zařízení, které má povrchovou teplotu větší než je teplota okolí. V našem případě bude topením radiátor z železných plechů rozpálený na teplotu 30 o C. Okolní prostředí mějme homogenně vyplněno vzduchem o konstantní teplotě 20 o C. Molekuly vzduchu, které budou narážet do stěn radiátoru, budou díky 22

27 vzájemným srážkám urychlovány. S tím, jak budou molekuly vzduchu urychlovány, budou v prostoru i více kmitat a budou potřebovat více místa kolem sebe. Ohřátý vzduch tedy bude vyžadovat více prostoru a jeho hustota klesne oproti hustotě vzduchu studenému. Z nauky o kapalinách a plynech víme, že velikost vztlakové síly působící na těleso ponořené do kapaliny či plynu je přímo úměrná hustotě látky, ve které se těleso nachází, a objemu ponořeného tělesa. Vztlaková síla působící na teplý vzduch ponořený ve studeném vzduchu proto vzroste a teplý vzduch začne stoupat vzhůru. Díky roztažnosti plynů a jejich snaze vždy vyplňovat celý prostor bude prázdné místo uvolněné po odletu teplého vzduchu rychle vyplněno novým studeným vzduchem. Nový studený vzduch je opět ohřán a stoupá vzhůru. Stoupající vzduch bude reagovat s molekulami vzduchu po své cestě, bude do nich narážet a ohřívat je, důsledkem čehož bude stoupající teplý vzduch ochlazován. Velikost vztlakové síly působící na stoupající teplý vzduch bude proto klesat a teplý vzduch bude postupně přestávat stoupat, až se teplota teplého vzduchu srovná s teplotou okolního prostředí a teplý vzduch se na malý moment ustálí. Teplý vzduch proudí směrem vzhůru, zatímco studený padá směrem dolů. Přenos tepla zářením byl objeven teprve na počátku 20. století, když Max Planck zformuloval svoji hypotézu o šíření energie. Dle jeho teorie každé těleso při každé teplotě do okolí vyzařuje část své tepelné energie ve formě elektromagnetického záření. Tato energie se šíří ve formě kvant. (Kvantum je nejmenší dále nedělitelný dílek. 8 My si představu o kvantech nyní zjednodušíme. Kvantum elektromagnetické energie budeme nazývat fotonem. Foton si budeme představovat jako kuličku energie, která bude tím větší, čím bude záření obsahovat více energie. Každý povrch při každé teplotě spontánně vypuzuje do okolí fotony, které jsou tím větší, čím teplejší je povrch daného tělesa. Když kulička vypuzená jedním tělesem narazí do jiného tělesa, předá mu svoji kinetickou energii - ho zahřeje. Dnes víme, že energie mezi tělesy není přenášena pouze pomocí fotonů, ale i pomocí jiných částic. Například radioaktivního Alpha záření, které je tvořeno heliovými jádry, vzniklé při radioaktivním Alpha rozpadu (například Uranu 235). Toto záření přenáší značnou kinetickou energii, která je téměř ihned pohlcena svým okolím. Alpha částice se zpomalí a urychlí okolní částice, jež jej zpomalily. Opět jde o přenos kinetické energie pomocí srážek částic. Avšak tentokrát nejsou částice vázány k žádné látce ani skupenství, 8 Přesněji je tepelné vyzařování popsáno tzv. Planckovým vyzařovacím zákonem. 23

28 ale volně se pohybují prostorem, dokud se s něčím nestřetnou a nepředají část své pohybové energie. Obrázek 4.2: Tepelné záření tělesa 4.2 Využití přenosu tepla v Zemi Od okamžiku, kdy byla Země stvořena, postupně chladne. Toto postupné chladnutí Země je základní hybnou silou dějů v Zemi probíhajících. Chladnutí Země je zodpovědné za její strukturování. Teplejší materiály mají menší hustotu a stoupají nad materiály studenější, které mají hustotu větší (vznik proudění). Na obrázku 4.3 je možno vidět ukázku proudění tepla v zemském plášti. Proudění materiálů uvnitř Země způsobuje přesuny hornin, které vytvořili například zemskou kůru, jež vznikla jako natavenina vyvrhnutých hornin z nitra Země, které na povrchu chladly a opět se zanořovaly do Země. Chladnutí povrchu Země je způsobeno například ohřevem atmosféry, ohřevem vody či tepelným vyzařováním do okolí. Na druhou stranu Slunce ohřívá Zemi díky tepelnému záření, které vyzařuje. Obrázek 4.3: Proudění v zemském plášti (upraveno ze zdroje: 24

29 Je nutné si uvědomit, že Země ač převážně pevná se vlivem přenosu tepla (hlavně proudění) chová jako tekuté a velice dynamické těleso. Pohyb hornin v Zemi je však velice pomalý a trvá miliony let. Pohyb litosférických desek je způsoben přenosu tepla. Teplo unikající z nitra Země zahřívá všechny zemské vrstvy. Díky tomuto unikání tepla je astenosféra elastická a litosférické desky se po ní pohybují tlačeny změnami teplot a prouděním tepla z nitra Země. Hotspoty neboli horké skvrny jsou výtrysky hornin proudící ze zemského pláště na povrch Země. Díky tomu, že hotspoty mají svůj počátek v zemském plášti, se nepohybují společně s litosférickými deskami, ale v podstatě se jimi prořezávají, protože jejich základ v zemském plášti se nepohybuje. Typickým příkladem hotspotu jsou Havajské ostrovy, které vznikly posuvem zemské kůry přes jeden takový výtrysk, který se prořezával skrze pohyblivou zemskou kůru během mnoha milionů let. Grafické vyobrazení hotspotů je možné vidět na obrázku 4.4 Obrázek 4.4: Ilustrace hotspotů v Zemi 25

30 Kapitola 5 Magnetické pole Země Podle mě je to k ničemu je, ale zajímavé to studovat. [Odpověd Heinricha Hertze na otázku užitečnosti elektromagnetického vlnění] Kolem Země existuje magnetické pole. Tento netriviální fakt znali již starověcí Číňané, kteří konstruovali první kompasy. William Gilbert zaváděl první teorie vzniku magnetického pole na Zemi již v 16. století a pokoušel se vysvětlit geomagnetické pole dříve nežli byl vysvětlen vznik samotného magnetického pole v 19. století. V následující kapitole se budeme zabývat, tím jak vzniká magnetické pole Země a jak se chová. Přičemž vynecháme paleomagnetické pole, které vzniká v důsledku zbytkové magnetizace v některých horninách, které byly zmagnetovány a dokázali si své magnetické pole udržet, i když magnetické pole, které je vytvořilo, již zaniklo. Studiem paleomagnetického pole je možné studovat změny magnetického pole v dávných dobách. Jeden z velkých výdobytků studia paleomagnetického pole je například zjištění, že dochází k otáčení magnetického pole Země, jak si povíme později. 5.1 Vznik magnetického pole Země Magnetické pole vzniká v důsledku pohybu nosičů náboje. 9 Uspořádaný pohyb nábojů v čase nazýváme proudem. Z pohledu Ampérova zákona jsou proudy důvodem vzniku magnetických polí.[10] Magnetické pole Země, někdy nazývané také geomagnetické pole, dělíme na vnitřní a vnější geomagnetické pole. Vnější geomagnetické pole je tvořeno vznikem proudů v atmosféře, hlavně v její 9 Magnetické pole je ve své podstatě pohled na pole nábojů jako na pohybující se celky, elektrické pole je pohled na pole nábojů jako na statické celky. 26

31 části zvané ionosféra. Vnitřní geomagnetické pole je tvořeno převážně tzv. dynamo efektem probíhajícím ve vnějším jádře Země. Pod pojmem dynamo si obecně představujeme kus drátu otáčející se v magnetickém poli. Vlivem otáčení drátu v magnetickém poli dochází v drátu ke vzniku elektrického proudu. Podobný jev lze pozorovat i v Zemi. Kde se však stará o vytvoření magnetického pole, a nikoliv proudu. Vnitřní geomagnetické pole tvoří většinovou část magnetického pole Země. Jde o přibližně 99 % z celkového pole. Vnější jádro Země, tvořené hlavně železem a niklem, je velice dobře vodivé, zároveň ve vnější jádře dochází k tepelnému proudění od teplého vnitřního jádra směrem k zemskému plášti. Tepelné proudění, tvořeno velkým množstvím vysoce vodivé kapaliny, ve vnějším zemském jádře cirkuluje v podobě šroubovic procházejících skrze celé vnější jádro. Proudy vzniklé tímto způsobem mají velikost desetitisíců ampér [12] a jsou zdrojem vnitřního geomagnetického pole. Podle Ampérova zákona všude, kde jsou proudy jsou i magnetická pole jimi vyvolaná. Proudy ve tvaru spirál jsou udržovány v jednotném směru vlivem rotace Země kolem vlastní osy, která způsobuje vznik tzv. Coriolisovy síly, jež nutí spirály existovat ve specifických polohách, jako je načrtnuto na obrázku 5.1 Obrázek 5.1: Magnetické pole Země (převzato z Vlastnosti magnetického pole Země Geomagnetické pole je tvořeno z 90 % [9] dipólovým polem, které vykazuje podobné chování, jako magnetické pole tyčového magnetu. Proto velice často geomagnetické pole nahrazujeme, při výkladu, polem tyčového magnetu umístěného 27

32 ve středu Země, podobně jako je možno vidět na obrázku 5.2. Dipólové chování geomagnetického pole způsobuje vznik dvou hlavních magnetických pólů - severního a jižního. Poloha magnetických pólů je na Zemi umístěna nedaleko geografických pólů Země, což je důsledkem působení Coriolisovy síly, která nutí magnetické pole být orientováno s osou rotace Země. Pro zajímavost můžeme uvést, že odchylka osy spojující magnetické póly od rotační osy Země tvoří přibližně pouhých 11 o C na povrchu Země. Geomagnetické pole je v čase proměnlivé. Jeho velikost se na Zemi pohybuje v rozmezí µt. Na různých časových škálách dochází k pohybu magnetických pólů. Studiem remanentní magnetizace (zbytkové magnetizace vtisknuté do některých hornin) jsme zjistili, že jednou za několik stovek tisíc let dochází k převrácení magnetického pole Země, jinak řečeno dochází k záměně magnetického jihu s magnetickým severem. Toto prohození není časově pravidelné a dodnes nebylo kompletně objasněno. Z počítačových simulací bylo však zjištěno, že proces nepravidelných změn polarity magnetického pole je závislý na řadě fyzikálních parametrů, například na způsobu toku tepla z vnějšího zemského jádra do zemského pláště. 5.3 Užitečnost magnetického pole Země Magnetické pole Země vytváří štít proti nabitým částicím a nebezpečnému mikrovlnnému záření ze Slunce. Sluneční erupce mohou způsobit vyvržení velkého množství plasmatu směrem k Zemi. Plasma je stav látky vzniklý při vysokých teplotách, ve kterém existují volně se pohybující elektrony a ionty. Plasma je tedy tvořeno nabitými částicemi, které je možné ovlivňovat pomocí elektromagnetických polí, jako je třeba geomagnetické pole. Pokud se plasma ze Slunce střetne s magnetickým polem Země, je jím zachyceno a nuceno se pohybovat dle jeho tvaru. Nabité částice se rozprostřou v magnetickém poli a cirkulují podle jeho siločár. Někdy dochází k tomu, že nabité částice v plasmy ze slunce se dostávají až k magnetickým pólům Země, na kterých vyvolávají vznik takzvaných. polárních září. Kdyby magnetické pole nebylo, plasma ze Slunce by způsobovalo likvidaci elektroniky indukovanými elektrickými proudy. 28

33 Obrázek 5.2: Magnetické pole Země jako pole dipólového magnetu 29

34 Závěr V tomto textu byl nabídnut jeden z možných pohledů na to, jak podat základní geofyzikální poznatky studentům středních škol a gymnázií a propojit je se středoškolskou fyzikální látkou. Struktura uspořádání textu a způsoby podání geofyzikální problematiky představené v této práci jsou pouze jedny z mnoha a ač je práce cílena na studenty čtyřletých gymnázií je třeba, aby učitel rozhodl sám zda je práce pro jeho žáky vhodná či nikoliv. Každý student je jiný při výuce je třeba přistupovat ke studentům co nejindividuálněji. Je prací učitele rozhodnout, který přístup je pro jeho žáky vhodný a odpovídajícím způsobem uspořádat a propojit látku, aby bylo možné ji studentům podat. O geofyzikální problematice, stejně jako o učitelství obecně platí, že se vyvíjí a v jednotlivých dobách je třeba, aby látka i postupy jejího výkladu byly upraveny dle potřeb žáků a stavu společnosti. Geofyzikální poznatky se v čase mění, stejně jako potřeby studentů, a způsoby výkladu látky. Při vypracování byly předběžné formy textu i prezentace konzultovány se středoškolskými učiteli zeměpisu a některými studenty, kteří navrhovali zjednodušení textu a jeho větší otevřenost ve smyslu používání méně odborných výrazů a větší názornosti. Autor práce věří, že právě toto se mu podařilo naplnit a reflektovat požadavky těch, na které je text zaměřen tak, aby studijní text i prezentace dostály jejich potřebám. Jednotlivé kapitoly jsou psány, na jednu stranu, dost nezávisle na to, aby bylo možné je probírat nezávisle a na stranu druhou tak, aby jako celek dávaly dohromady komplexní představu o Zemi jako dynamickém tělese, které se v čase mění. Navzdory tomu, že práce nebyla v praxi uvedena, se autor domnívá, že jde o kompletní a pěkně napsaný text, který by mohl být užitečný, jak pro učitele, tak pro žáky a je možné jeho šíření a využití při zájmových hodinách či jako doplnění hodin zeměpisu. 30