Maapallo/Maapallon rakenne ja ilmakehä

Maapallon koko verrattuna Mars planeettaan, jonka uskottiin olevan maan kaltainen.

Maa on ainoa Aurinkokunnan planeetta, jonka pinnalla on nestemäistä vettä; se peittää noin 70 % koko pallon pinnasta. Tästä se onkin saanut kutsumanimen "sininen planeetta". Maapallon kuivan maan pinta-ala onkin lähes täsmälleen sama kuin puolet pienemmän Marsin koko ala.

Maan kiertoaika Auringon ympäri on 365 vuorokautta 6 tuntia ja pyörähdysaika oman akselinsa ympäri on noin yksi vuorokausi eli 23 tuntia 56 minuuttia ja 4,10 sekuntia.

Maa on nykytietämyksen mukaan maailmankaikkeuden ainoa planeetta, jolla varmasti on elämää. Tämänkaltaisen elämän esiintymisen mahdollistavat mm. nestemäinen vesi ja Auringon jatkuva valoenergiavirta. Ilmakehässä oleva suurehko happimäärä sen sijaan on Maan kasviston aikaansaama ja on taas eläinten, myös ihmisten, elinehto.

Ilmakehä

Ilmakehä ja sen suotuisa koostumus on edellytys elämän syntymiselle. Maan ilmakehä koostuu pääasiassa typestä (78 %) ja hapesta (21 %) argonista (0,93 %), hiilidioksidista (0,04 %) sekä muista kaasuista. Edellä esitetyt pitoisuudet koskevat kuivaa ilmaa, mutta ilma sisältää myös vesihöyryä (0-5 %) ja kiinteitä hiukkasia. (Ihmiselämän kannalta tärkeää on, että hiilidioksidia ilmassa on alle prosentti.) Planeetan ja ilmakehän paksuuksien suhde on samaa luokkaa kuin omenan ja sen kuoren. Pinnalta katsottuna ilmakehän näkyvin ominaisuus on sen sinisyys, joka syntyy, kun valo siroaa kaasumolekyyleistä (Rayleigh-sironta). Valon spektrin sinisen pään aallonpituudet siroavat eniten. Ilman sirontaa taivas näyttäisi mustalta. Samasta ilmiöstä johtuen Aurinko näyttää keltaiselta tai punaiselta riippuen valon ilmakehässä kulkeman matkan pituudesta. Ilmakehä päästää lävitseen vain osan Auringon säteilystä, ja esimerkiksi haitallinen ultravioletti(UV-B)säteily absorboituu suurelta osin monen kymmenen kilometrin korkeudella sijaitsevaan otsonikerrokseen.

Ilmakehä voidaan jakaa kerroksiin joko lämpötilan, kemiallisen koostumuksen tai kemiallisten ja sähköisten ominaisuuksien mukaan. Ilman koostumus muuttuu korkeuden mukana. Alemmassa ilmakehässä, troposfäärissä, tapahtuvat sääilmiöt, ja sen yläpuolella olevassa stratosfäärissä on otsonikerros. Troposfäärissä lämpötila yleensä laskee ylöspäin mentäessä, minkä takia ilmakerros sekoituu pystysuunnassa. Tropopaussissa lämpötila ei enää muutu ja straosfäärissä se nousee ylöspäin mentäessä, minkä takia kaasujen sekoittuminen tropopausiin läpi on vähäistä ja ukkospilvienkin kohoaminen pysähtyy tropopaussiin. Kohoava lämpötila tekee staraosfäärin kuivaksi. Stratosfäärin yläpuolella, mesosfäärissä, lämpötila taas laskee ylöspäin mentäessä. Lämpötilarakenteen takia mesosfäärissä voi muodostua pilviä, jotka näkyvät mm. kesäisin valaisevia yöpilviä. Ionosfäärissä on radioaaltoja heijastavia kerroksia, jotka ovat eri vahvuisia eri vuorokauden-ja vuodenaikoina.

Rakenne

Maapallon poikkileikkaus

Maa on elävä planeetta, jonka sisällä tapahtuu koko ajan muutoksia. Nämä muutokset aiheuttavat erinäisiä maan pinnallakin havaittavia ilmiöitä, tärkeimpinä tulivuoritoiminta ja maanjäristykset.

Maapallo koostuu kolmesta rakenteellisesta kokonaisuudesta. Lähinnä maanpintaa on maan kuori, joka ulottuu enimmillään 50 kilometriä alaspäin. Merien kohdalla maan kuoren paksuus on kuitenkin vain 10 kilometriä.

Seuraava osa vaippa, on noin 3000 kilometriä paksu. Vaipan ainesosia ei tarkalleen tiedetä, mutta sen arvellaan olevan pääosin kovaa, kiinteätä ainetta.

Keskellä on maan ydin, jonka säde on noin puolet Maapallon säteestä, eli 3300 kilometriä. Se on jaettavissa kahteen osaan, sulaan ja jähmeään ytimeen.

Maan sisäinen koostumus on meille elintärkeä. Planeetalla on nimittäin jatkuvan radioaktiivisen hajoamisen ansiosta sula rauta-nikkeli-ydin, joka saa aikaan voimakkaan magneettikentän, mikä suojaa elämää vaaralliselta säteilyltä sekä Auringosta tulevalta suurienergiseltä hiukkaspommitukselta. Lähellä napa-alueita hiukkaspommitus voidaan nähdä paljain silmin öiseen aikaan värikkäinä revontulina. Magneettikentän vangitsemat Auringosta tulevat hiukkaset koostavat van Allenin vyöhykkeet.

Kuori

Maan kiinteä kuorikerros koostuu paristakymmenestä mannerlaatasta, jotka kelluvat vaippaa raskaamman kiviaineksen päällä. Laatat liikkuvat alituisesti toistensa suhteen, aiheuttaen maanjäristyksiä ja tulivuoritoimintaa, lähinnä laattojen reunoilla, jossa ne törmäävät tai työntyvät toisensa alle. Toisaalta uutta laattamateriaalia eli merenpohjaa muodostuu valtamerten keskellä, kuten Islannissa, jossa kiviainesta työntyy esiin Maan vaipasta. Laattaliikkeen energianlähde on radioaktiivinen hajoaminen.

Maankuorella on taipumus isostaattiseen tasapainoon Isostaattinen tasapaino tarkoittaa sitä, että korkeiden vuorten kohdalla mannerlaatta on hyvin paksu, sillä mannerlaatat kelluvat alla olevassa vaipassa kuin jäävuoret vedessä: korkein ulottuu syvimmälle pinnan alle.

Merikuori - SIMA

Merikuoren paksuus on 5 - 10 km. Merikuori on raskasta basalttikiveä, jossa on suuria pitoisuuksia piitä ja magnesiumia (Si ja Ma). SIMA-kuoren tiheys on 2,8 - 3,3 g/cm³. Basaltti on emäksistä eli maafista, joten sen kvartsipitoisuus on 44 % - 52 %. SIMA-kuori on harvoin yli 200 miljoonan vuoden ikäistä.

Mantereinen kuori - SIAL

Mantereisen kuoren paksuus on 20 - 70 km. Kuori koostuu monista kivilajeista, myös basaltista; graniitti on yleisin kivilaji. Kevyttä kiveä, jossa on suuria pitoisuuksia piitä ja alumiinia (Si ja Al). Tiheys on 2,7 - 2,8 g/cm³. SIAL-kuori on paksuinta vuorijonojen kohdalla.

Nykyisen mannerkuoren ikä on yleensä 2,4 - 3,4 miljardia vuotta, joillain alueilla jopa melkein 4 miljardia vuotta. Noin 40 % Maan kuoresta on mannerkuorta, joka tarkoittaa sitä, että laajat alueet mannerkuorta ovat ns. mannerjaluistoissa meren alla. Maankuorella on taipumus isostaattiseen tasapainoon eli jos esim. jäätikkö painaa maan kuorta, jäätikön hävittyä maankuori palautuu takaisin.

Vaippa

1 Mantereinen kuori 2 Valtameren keskiselänne 3 Subduktiovyöhyke 4 Ylempi vaippa 5 Tulivuori 6 Alempi vaippa 7 Pluumi 8 Ulkoinen ydin 9 Sisempi ydin 10 Konvektiosolu 11 Litosfääri 12 Astenosfääri 13 Gutenberg-pinta 14 Moho-pinta

Vaippaa on pinnalta keskipisteeseen syvyydestä, Maan säteestä, noin 50 %, noin 2900 km, Maan tilavuudesta noin 80 %, ja Maan massasta noin 60 %.

Vaipassa alaspäin siirryttäessä paine ja lämpötila lisääntyvät huomattavasti, lämpötila 1600° - 4000°. Vaipan yläpinnan määrittää Mohorovicic-pinta (Moho) ja alapinnan Gutenberg-pinta. Vaippaa ja ydintä tutkitaan mm. analysoimalla maanjäristysaaltoja (seismisiä aaltoja), joiden nopeus muuttuu riippuen aineen ominaisuuksista.

Kuori-, vaippa- ja ydinkerrokset eroavat kemialliselta koostumukseltaan. Vaipassa arvellaan olevan mm. peridotiittia ja granaattia. Siirtymäkerroksessa (vaihettumiskerroksessa) ylemmästä vaipasta alempaan vaippaan kivimateriaalin koostumus muuttuu vähitellen.

Vaipasta voidaan mekaanisten ominaisuuksien erojen (kerroksissa tapahtuva toiminta, kiven olomuoto) takia erottaa litosfääri, hyvin hitaasti virtaava astenosfääri (lähde: Divisions based on mechanical properties Massachusetts Institute of Technology), ja sen alla oleva kiinteämpi vaippa, ns. mesosfääri, jota ei saa sekoittaa ilmakehän mesosfääriin. Mesosfäärin paksuus on noin 2000 km, [3] noin 70 % vaipan paksuudesta.

Mesosfäärin läpi ulottuu Maan rautaytimen ulkorajoilta ns. vaipan pluumeja (engl. mantle plume), kohtia joissa tapahtuu nousevaa virtausta.

Ydin

Planeetalla uskotaan olevan jatkuvan radioaktiivisen hajoamisen ansiosta sula rauta-nikkeli-ydin, joka saa aikaan voimakkaan magneettikentän. Maan ydin on Maan osa joka sijaitsee syvällä sen keskipisteen ympärillä: Maan pinnan ja keskipisteen välisestä pallon säteestä on ydintä noin 55 %.

Ytimen aine uskotaan olevan pääasiassa rautaa. Ydin on kaksikerroksinen: ulkoydin on nestemäisessä olomuodossa ja sisäydin (30 %...40 % ydinpallon säteestä) on kiinteää. Ytimen lämpötila on sisäytimen ulkopinnalla noin 4300 °C astetta. Ulkoytimen nestemäisen raudan virtaus aiheuttaa Maan magneettikentän.

Maankamaran tutkiminen

Porauksilla on päästy 15 kilometrin syvyyteen maankuoren sisälle, mutta Maan vaippa kuoren alla on yhä koskematon. Epäsuoraa tietoa Maan sisäosista saadaan tutkimalla maanjäristysten ja ydinräjäytysten yhteydessä syntyviä seismisiä aaltoja. Uusimpana keinoina ovat nousseet esiin maan sisällä olevien uraanin, toriumin ja kalium-40:n radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvien neutriinojen havaitseminen ja keinotekoisella neutriinosuihkulla luotaaminen.