Líkanið um útfellingu saltlaga

Gott nammi sem heitir kandís sykur, sjá mynd hér að neðan, er búið til úr sykurkristöllum sem uxu úr ofurmettuðu lausn vatns og sykurs. Þegar þetta ferli er skoðað, kemur maður auga á eitt af lykilatriðunum í útfellingarferlinu.

Til að byrja með, þá er sykri bætt út í vatn og hrært þar til hann leysist upp. Með því að hita vatnið upp er hægt að leysa upp meiri sykur í lausnina. Um síðir leysist enginn frekari sykur upp, vegna þess að lausnin er þá orðin ofurmettuð. Þá er hætt að hita lausnina og hún kæld. Næst er kaldri lausninni hellt í flöskur með vítt op. Því næst er pinni settur í lausnina og loftþétt lok sett á til að forðast uppgufun en síðan tekur biðin við. Að lokum byrja litlir sykurkristallar að myndast á pinnanum. Hægt er að bæta við litar- eða bragðefnum í lausnina til að fá mismunandi afbrigði í útliti og bragði kandís kristallanna.

Sykurkristallar mynduðust þegar ofurmettaða sykurlausnin kældist. Minnkun í hitastigi er aðferð til að fella út steindir, ferli sem er allt öðruvísi en uppgufun. Það að lækka hitastig lausnar er algengt verklag í tilraunastofum í eðlisfræði og efnafræði, en það sama er ekki hægt að segja um jarðfræði. Í dag fyrirfinnast engin stór ofurmettuð og kólnandi saltvötn sem myndu leiða til kílómetra þykkra saltlaga. Hins vegar var eitt sinn tími þegar stór ofurmettuð og heit höf kólnuðu og mynduðu gífurlegt magn saltlaga, eins og þau sem sjást víðsvegar um heim í dag.

Algengasta og mikilvægasta saltið, bæði í jarðfræðinni og í líffræðinni, er NaCl – venjulegt matarsalt. Þegar hitastig í vatni er aukið frá 0°C í 100°C, eykst leysnin á NaCl úr 35 g/100ml í nærri 40 g/100ml. Eins og í dæminu um sykurkristallana mun ofurmettað NaCl lausn leyfa saltkristöllum að falla út úr lausninni þegar hitastigið lækkar (þó ekki eins mikið og í sykurlausninni). Almennt séð hefur jarðfræðin ekki íhugað hinn raunverulega möguleika fyrir því að stór og heit höf hafi þakið jörðina, og þar með hefur hún ekki íhugað að stór saltlög gætu hafa vaxið úr ofurmettaðri lausn vegna lækkunar á hitastigi. Sérhvert þeirra sex salta í sjónum, sem minnst er á í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs, kristallast úr lausn við mismunandi hitastig og þrýsting. Þannig mynduðust mikil og hrein saltlög!

Svipað og með myndun kandís sykurkristallana, mynduðust leyndardómsfull saltlög, eins og þau sem fjallað er um í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs, þegar salt féll út neðansjávar. Þetta er ástæðan fyrir því að mikill meirihluti jarðfræðilegra saltlaga er ekki útfelling vegna uppgufunar. Þetta er einnig ástæðan fyrir því að rannsakendur hafa aldrei getað endurskapað eða útskýrt nægilega vel saltlög af slíkri stærðargráðu sem á að hafa myndast með uppgufun sjávar.

Falskenningin um útfellingu vegna uppgufunar

Hvaða áhrif hefur skortur á réttri skilgreiningu á útfellingu haft á vísindin? Eins og greint hefur verið frá, er hin rétta og algera skilgreining á útfellingu ekki kennd í náttúruvísindum í skólum, enda er nemendum kennt að útfelling gerist aðeins í efnahvörfum. Hins vegar á hún sér einnig stað við breytingu í hitastigi eða í þrýstingi. Þessi nánari skýring opnar algerlega ný tækifæri til uppgötvunar. Þegar við búum yfir þessari þekkingu, er hægt að meta og skilja betur nýja tækni og náttúruleg ferli.

Eitt náttúrulegt ferli útfellingar sem við öll könnumst við er uppgufun. Þegar saltlausn gufar upp, fellur saltið úr lausninni og skilur eftir sig kristallaðan massa sem kallaður er útfelling vegna uppgufunar. Þetta er það ferli sem haldið er fram að sé ábyrgt fyrir myndun á mörgum námum sem eiga að hafa myndast í náttúrunni á löngum tíma, t.d. saltnámur. Við lesum um þetta ferli í Wikipedia:

Þó svo að öll vötn á yfirborði og í veitum jarðar innihalda uppleyst salt, þá þarf vatnið að gufa upp í lofthjúpinn til þess að steindirnar geti fallið út. (Wikipedia).

Er þessi yfirlýsing rétt? Er uppgufun eina leiðin fyrir sölt til að falla út sem steindir? Ekki samkvæmt Jarðfræðisamfélagi Ameríku (sjá fyrri tilvitnun). Í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs var vitnað í yfirlýsingar frá saltvísindamönnum sem sýndu að hinn raunverulegi uppruni salts er ekki til staðar í jarðfræði í dag. Enn fremur voru margar vísindalegar sannanir gefnar í kaflanum um hringrás bergs, sem sýndu að „lang stærsta jarðfræðilega set ‚útfellinga vegna uppgufunar‘ er alls ekki vegna uppgufunar“. Hvað er þá ferlið?

Útfelling skilgreind á ný

Á ensku hefur hugtakið „Precipitation“ tvenns konar merkingu, annars vegar úrkoma sem flestir hafa heyrt um þegar talað er um veður og hins vegar útfelling sem efnafræðingar og eðlisfræðingar nota gjarnan. Í íslenskri nútímamálsorðabók Árnastofnunar getum við fundið skilgreiningu á útfellingu:

Útfelling – fast efni sem fellur úr vökva. (Heimasíða Árnastofnunar).

Þessi skilgreining er hins vegar er allt of almenn í umfangi sínu. Til dæmis aðskilur sigti í eldhúsinu einnig fast efni úr vökva. Við þurfum þess vegna nákvæmari skilgreiningu fyrir okkar tilgang. Þessi fannst í The Facts on File Dictionary of Chemistry, þar sem útfelling er skilgreind þannig:

Sviflausn lítilla agna fasts efnis í vökva sem myndast í efnahvarfi. (The Facts on File Dictionary of Chemistry – þriðja útgáfa: John Daintith, Checkmark Books, 1999, bls. 199).

Útfelling er oft sýnd í verklegri efnafræðikennslu með því að blanda saman tveimur glærum lausnum og fylgjast með hvernig fast efni myndast í glærri lausninni á botninum á tilraunaglasinu. Er þetta eina leiðin fyrir agnir fasts efnis til að myndast í lausn – í efnahvarfi? Til að svara þessari spurningu skoðum við eftirfarandi skilgreiningu á útfellingu í Wikipedia:

Útfelling er myndun fasts efnis í lausn vegna efnahvarfs. Þegar efnahvarfið á sér stað, kallast fasta myndefnið útfelling. Þetta getur gerst þegar óuppleysanlega efnið, útfellingin, myndast í lausn vegna efnahvarfs eða þegar lausnin hefur verið ofurmettuð með efnasambandi. Myndun útfellinga er tákn um efnabreytingu. Í flestum tilfellum myndast („fellur út“) fasta efnið út úr uppleystu efni og fellur á botninn í lausninni (þó myndi það fljóta ef það er eðlisléttara en lausnin, eða mynda sviflausn). (Heimasíða Wikipedia).

Takið eftir feitletruðu orðin, „efnahvarf“ og „efnabreytingu“ í þessari skilgreiningu. Eftir að hafa flett upp nokkrum heimildum og talað við fjölda efnafræðiprófessora, varð niðurstaðan sú að þessi skilgreining á útfellingu er ekki alveg rétt. Ástæðan fyrir því er að kristöllun getur átt sér stað án efnahvarfs, heldur einfaldlega með eðlilsfræðilegum breytingum í lausninni.

Rannsakendur uppgötvuðu árið 1958, að lang algengasta steind á meginlöndum jarðarinnar, kísill (kvars), getur kristallast út úr lausn með því að breyta eðliseiginleikunum hitastig eða þrýsting lausnarinnar. Úr greininni The Geological Society of America:

Kristöllun í silíkat kerfum er svo nátengt hitastigi, að möguleikinn á jafnhitakristöllun er sjaldan skoðað; og þó geta heilu kristallanir, sem byrja á vökva með engum kristalli, átt sér stað með engu falli í hitastigi. Þetta er mögulegt vegna þess hátts sem vatnið hefur áhrif á vökvana og vegna þess að vatnsmagnið sem haldið er í bráðnuðu silíkatinu er fall af þrýstingi…

Hægt er að stuðla að kristöllun í þessum vatnsbundnum kerfum með lækkun í hitastigi, lækkun á þrýstingi eða hækkun á þrýstingi. (Origin of Granite in the Light of Experimental Studies in the System, O. F. Tuttle og N. L. Bowen, The Geological Society of America, 1958, bls. 67-69).

Ekki er hægt er leggja nægilega mikla áherslu á mikilvægi þessarar skýringar á skilgreiningunni „útfelling“. Þýðing þessarar breytingar gefur svigrúm fyrir gangvirki fyrir vöxt náttúrlegra steinda, gangvirki sem ekki hefur verið tekið eftir hingað til. Jafnvel þótt rannsakendur gerðu sér grein fyrir því fyrir mörgum árum síðan, að kvars kristöllun geti átt sér stað með því að breyta hitastigið eða hækka eða lækka þrýstinginn, þá hafa þeir ekki geta séð tengslin á milli þessa mikilvæga eðlisfræðilega staðreyndar og þeirrar staðreyndar að allar steindir vaxa í vatnslausnum.

Tökum nú saman endurskilgreinda útfellingaferlið, með viðbættu gangvirkinu sem er þekkt til að vera ábyrgt fyrir myndun fastra kristalla:

Náttúrulegir flúorít kristallar myndast ekki við storknun – þeir myndast í vatni.

Kristöllunarferlið

Eftir að hafa komist að raun um að vatn finnist alls staðar í alheiminum, í vetrarbrautum, á stjörnum, á sólinni, á reikistjörnum og á tunglum, þá snúum við okkur að jörðinni. Hversu mikið vatn er hér eiginlega, innan í okkar eigin bláu plánetu? Um það bil 70% af yfirborði jarðar er þakið höfum og miklu minna hlutfall er fast í jöklum og heimskautaísum. En það er meira, miklu meira að segja frá um vatn. Jörðin, sem fylgir hinu almennu lögmáli vatns, myndaðist upprunalega úr vatni. Síðan myndaði kristöllunarferli berg og steindir sem við sjáum sem fjöll og meginlönd allt í kringum okkur. Næstu bloggfærslur setja fram í fyrsta sinn í nútíma vísindum yfirgripsmikið líkan af myndun bergs og steinda, byggt á vatni.

Hinar myrku aldir vísindanna öftruðu sönnum skilningi á alhliða hugtaki og lögmáli vatns og einnig hinu raunverulega ferli kristöllunar á náttúrulegum steindum. En steinarnir sjálfir hafa sögu að segja og næstum því allir vitna um myndun sína í vatni.

Kristöllun – að búa til steina

Til eru þrjú megin ástönd efna: gas, vökvi og fast efni. Fast efni getur kristallast úr gasi eða úr vökva, en í náttúrunni myndast mikill meirihluti steinda vegna ferla í vökva. Enn fremur eru í náttúrunni aðeins til tvö ólífræn vökvaferli sem steindir myndast úr. Þessi eru:

   1. Vatnsferli
   2. Bráðnunarferli

Næstum allar steindir jarðarinnar mynduðust í ferli sem fólu í sér vatn. Við vitum þetta vegna þess að næstum allar steindir eru kristallar, en undantekningar eru örlítill hluti steina sem hafa bráðnað, en þeir mynda glerkennda eða gler-líka steina eins og vikur, hrafntinnu eða aðra hraunsteina. Jafnvel þar spilaði einnig vatn lykilhlutverki í myndun þessara glerkenndra steina. Svona eru kristallar frábrugðnir gleri:

Í efnafræði og í steindafræði er kristall fast efni þar sem uppbygging frumeinda, sameinda eða jóna er röðun í reglulegt skipulag með endurtekið mynstur í allar þrjár rúmfræðilegar víddir. (Wikipedia).

Þetta „reglulega skipulag með endurtekið mynstur“ kristalla er einfaldur lykill til skilnings á uppruna næstum allra náttúrulegra steinda jarðarinnar. Í kviku-falskenningunni ræddum við um hvernig kvars gler og kvars kristallar hafa mjög mismunandi eðliseiginleika. Mikilvægasti munurinn er sá að gler er formlaust og hefur ekki reglulega kristalbyggingu eða formgerð. Kvars kristallar hafa mjög skipulagða formgerð.

Jafnvel þó að hreint kvars (SiO2) og gler (einnig SiO2) geta efnafræðilega verið það sama, hefur kvars rúmlega 1000 sinnum meiri varmaleiðni. Þetta er vegna þess að varmi getur auðveldlega ferðast í gegnum reglulega kristalbyggingu kvars, á meðan óregluleg formgerð glers er eins og völundarhús.

Steindir eins og kvars eru gott dæmi um hið almenna lögmál reglunnar og lögmál kristöllunar sem mun vera kynnt síðar. Kvars er dæmi um þriðja lögmál alhliða heildarhugmynd vatns, lögmál vatnsmyndunar:

Allar náttúrulegar kristallaðar steindir mynduðust í vatni

Vatn er allsherjar efni sem skaffar umhverfi þar sem náttúrulegir kristallar geta myndast í og í næstum bloggfærslum munum við skoða nokkrar vísbendingar um það. Annað almenna lögmál vatns útskýrir hvers vegna jarðfræðirannskóknir sem byggðar eru á viðmiðunarramma kviku hafa verið árangurslausar í að búa til náttúrulegar steindir úr bráðnuðum steinum án vatns. Rannsakendur hafa verið árangurslausir vegna þess að náttúran virkar ekki þannig. Af þessari ástæðu myndast stór meirihluti steinda úr vatni – vegna þess að það er einungis í umhverfi vatns sem kristalbygging steinda munu myndast.

Kristöllunarferlið er ekki takmarkað við einungis lítinn hluta af steindum jarðarinnar. Þetta er hægt að skilja betur þegar við skoðum eftirfarandi tilvitnun úr vinsælli bók, Crystals and Crystal Growing. Þessi yfirlýsing er tekin úr þeirri bók í hlutanum The Genesis of Minerals (Upphaf steinda):

Ef einhver segir skyndilega við þig: „Finndu kristal og flýttu þér“, myndir þú líklega gleyma sykrinum í skálinni og saltinu í bauknum en stökkva frekar út um dyrnar til að eltast við glitrandi stein. Steindirnar sem steinar eru gerðir úr eru algengustu dæmin um kristalla – öllum er kunnugt um kvars, gimsteina og hálfdýrmætu steina sem kristalla. En það er ekki eins þekkt að öll jarðskorpan er kristölluð, með lítilli undantekningu. Vissulega er það þetta sem mest öll jarðskorpan sýnir skörpu auga, með hjálp stækkunarglers hér og þar. (Crystals and Crystal Growing: Alan Holden & Phylis Morrison, MIT Press edition 1982, bls. 46).

Að gera sér grein fyrir þessu er fyrsta skrefið í að afla sér vísdóm um hvernig jörðin myndaðist – það er að segja, með lítilli undantekningu er jörðin kristall. Nútíma jarðfræði mistókst að skilja hvernig jörðin myndaðist vegna þess að þau hafa ekki viðurkennt þá staðreynd að náttúrulegir kristallar myndast úr vatni. Höfundar Crystals and Crystal Growing halda áfram og gefa þessa skýru yfirlýsingu:

Nákvæmlega hvernig jörðin komst í þá lögun sem við þekkjum í dag er spurning sem er langt frá því að vera svarað. (Crystals and Crystal Growing: Alan Holden & Phylis Morrison, MIT Press edition 1982, bls. 46).

Hvers vegna er þessari spurningu langt frá því að vera svarað? Við komum auga á margar ástæður í kaflanum um falskenninguna um hringrás bergs – jarðfræðin er bókstaflega full að leyndardómum sem aldrei munu fást svör við í viðmiðunarramma kvikunnar. Það er kominn tími fyrir vísindin að viðurkenna opinskátt þessa staðreynd og horfa í átt að nýju líkani, í nýjum viðmiðunarramma sem er réttur og sem getur leyst þessa leyndardóma.

Með skilninginn um að stór meirihluti steina á jörðinni séu byggðir á kristöllum og að náttúrulegir kristallar myndast einungis í vatni, getum við byrjað að uppgötva hvernig steinar og steindir koma fram úr vatni í kristallað ásigkomulag. Til að skilja þetta, verðum við rifja upp og útskýra þýðinguna á orðinu útfelling.

Ótvíræð vísbending á Íó

Við höfum skoðað vísbendingar um uppruna hrauns með því að skoða 13 vísbendingar á tunglinu og á jörðinni. Ef þeir gerast á þessum stöðum, þá ættu þeir einnig að gerast á öðrum stöðum og við munum sjá vísbendingar um einmitt þetta. Fjórtánda vísbendingin sem fjallað verður um hér er ótvíræða vísbendingin um uppruna jarðskjálfta. Við finnum þessa vísbendingu um uppruna hrauns þegar við lítum yfir sólkerfið til að sjá eitt af merkilegustu dæmum um hraun-núnings líkanið að verki. Þessi ótrúlegi staður sem er eldvirkasti hnöttur sólkerfis okkar er tungl Júpiters, Íó. Íó er innsta tunglið af fjórum Galíleótunglum og hefur það stærsta og umfangsmesta eldvirkni sem þekkt er í sólkerfinu. Hver er leyndardómurinn af því að eldvirknin sé svona gríðarleg á Íó?

100 metra háar jarðfallabungur!

Eins og NASA orðaði það:

Massívar sjávarfallabungur á Íó eru um það bil 100 m háar, hærri en 40 hæða bygging! (Heimasíða NASA)

Yfirborð Íó rís og sígur um 100 metra – sem samsvarar lengd fótboltavallar – daglega, sem er um það bil 42 klukkutímar á Íó. Mynd hér að neðan sýnir kraftana að verki á Íó sem geta komið úr mismunandi áttum, allt eftir afstöðu Júpiters og hinna Galíleutunglanna. Vísindamenn vita að núningshiti vegna flóðkrafta gerast daglega á þessu tungli Júpiters vegna þess að þeir sjá það gerast. Hvaðan kemur sá kraftur sem orsakar slíkar hreyfingar á yfirborðinu?

Eftirfarandi tilvitnun um Íó er tekið úr einum af kennsluvefum NASA. Takið eftir orsökinni fyrir 100 metra jarðfallabungunum:

Hér eru þyngdarkraftar Júpiters og stóra tunglsins Ganýmedesar (með aðstoð frá tunglunum Evrópu og Kallistó) að leika sér í reipitogi, með Íó í hlutverki kaðalsins! Íó bungar út á tveimur stöðum líkt og [amerískur] fótbolti. (Heimasíða NASA).

Það sem er að gerast á Íó er mjög gott dæmi um þyngdarafls-núningslögmálið að verki. Hraunfamleiðsla þar er ekki vegna fræðilegarar kviku; hún er bein afleiðing núningshita. Flóðkraftar frá öðrum hnöttum valda þessum hita. Rannsakendur greina frá áhrifunum úr hnoðinu á Íó vegna togs þyngdarkrafta:

Á þessar mundir toga Júpiter og öll hin þrjú stóru tunglin á sömu hlið Íó. Braut hans beygir til að toga hann nær Júpiter. Íó aftur á móti er afmyndaður eins og [amerískur] fótbolti. (Heimasíða NASA).

Hvað hefur ‚afmyndun‘ í för með sér?

Öll þessi svignun orsakar uppsöfnun hita innan í Íó. Íó verður svo heitur að innan, að eitthvað af efninu í innviðunum bráðnar og sýður og reynir að sleppa út eins og það getur. Þannig að það sprengir holur á yfirborðinu! Þetta er það sem eldfjöll eru. Sumir þeirra á Íó hafa skotið heitum gasstróki 300 kílómetra upp í geim! (Heimasíða NASA).

Hversu mikinn hita losar Íó raunverulega? Hann kann að vera eldvirkasti hnötturinn í sólkerfinu, en hversu mikil bráðnun á sér raunverulega stað á yfirborði Íó? Rannsakendur sem rýndu í gögn frá Galileó geimfarinu sögðu árið 2004:

Það er líklegt að Íó sé að gefa af sér svo mikinn heildarhita, að besta útskýringin væri sú að eiginlega er allur hnötturinn þakinn hrauni sem er svo nýlegt, að það er enn að kólna, samkvæmt nýjum útreikningum. (Heimasíða Space Daily).

Í stuttu máli, núnings-hitalögmálið útvegar okkur uppruna hitans og þyngdarafls-núningslögmálið útvegar okkur gangverkið, eða uppruna hreyfinganna innan jarðskorpunnar sem knýja varmavél núningsins. Við tókum einnig tillit til niðurstaðnanna þessara tveggja lögmála, þar með talið hinna 13 sannanlegra vísbendinga. Þessar þrjár grundvallar hugmyndir eru það sem hraun-núnings líkanið samanstendur af, líkan sem útskýrir hvaðan hraunið á jörðinni raunverulega kemur og sem fjórtánda vísbending, tungl Júpiters, útvegar Íó ótvíræða vísbendingu um hraun-núnings líkanið.

Þyngdarafls-núningslögmálið

Núnings-hitalögmálið skilgreindi uppruna jarðhitans og útskýrði hvernig hraun myndast úr hita í gegnum núning. Þyngdarafls-núningslögmálið skilgreinir hins vegar uppruna hreyfinganna sem mynda núning.

Hin stöðuga daglega hreyfing jarðskorpunnar orsakast af jarðföllum. Þetta gefur mikið til kynna. Þyngdarafls-núningslögmálið sem myndskreytt er í mynd hér að neðan sýnir hvernig núningur á milli fleka framleiðir hraun í eldfjöllum. Daglegar hreyfingar upp og niður kílómetralangra sprungna í jarðskorpunni byggja upp gríðalega spennu. Við beinlínuröðun sólar og tungls í fullu eða nýju tungli eru hreyfingarnar stærstar og þegar sólin eða tunglið er í jarðnánd eða jarðfirrð, geta hreyfingarnar verið enn stærri og hugsanlega losað orku úr uppsafnaðri spennu í formi stærri jarðskjálfta. Jarðföll gefa vísbendingar um hvernig aukinn þrýstingur og núningur getur framkallað hita í jarðskorpunni.

Er það er tilviljun að í lok 2004 gusu St. Helen fjallið, eldfjöll á Havaí eyjum, Etna og önnur eldfjöll kröftuglegra en venjulega og síðan þann 26. desember 2004 hafi 9,1 jarðskjálfti, sá stærsti í áratugi, riðið yfir við vesturströnd Súmatra sem olli tortímandi skjálftaflóðbylgju? Það eru til lotur í allri náttúrunni og þær eru tengdar jarðskjálftum og eldvirkni í gegnum stjarnfræðilegar lotur. Við munum ræða fleiri vísbendingar úr stjarnfræðilegum lotum í kaflanum um veðurlíkanið, þar sem við ræðum einnig um eldgos og jarðskjálfta um víðan heim undir lok ársins 2004, auk aukningu á fellibyljum í kjölfarið, á árinu 2005. Voru þessir viðburðir einnig tilviljun? Fyrst þegar við skiljum tengslin á milli stjarnfræðilegra lota, jarðskjálfta og núningshita, getum við byrjað að spá fyrir um, að minnsta kosti á almennan hátt, hvenær og hvar þessir viðburðir munu eiga sér stað. Ef við þekkjum uppruna hreyfingarinnar, þá getum við skilið hvers vegna hreyfingar eiga sér stað og við getum einnig byrjað að spá fyrir um afleiðingar þessara hreyfinga.

Vísbendingin um jarðföll tunglskjálfta

Jarðfræðingar reiða sig á kvikukenninguna til að útskýra uppruna jarðskjálfta og gera þeir ráð fyrir að hægfara hreyfing í kviku inni í jörðinni valdi þessum jarðskjálftum. Krafturinn á bak við þessa hreyfingu er sagður vera uppstreymi kviku. Tunglið hefur einnig skjálfta, en ólíkt jörðinni, þá telja vísindamenn að tunglið eigi engan innra hita eftir:

Tunglið, hnöttur sem er miklu minni en jörðin, glataði innri hitanum sínum hlutfallslega snemma í sögu sinni. Það leiddi til þess að innri virkni þess hnattar hætti um það bil fyrir einum milljarð ára eða lengra síðan.  (The Age of the Earth: G. Brent Dalrymple, Stanford University Press, 1991, bls. 193).

Það eru engin eldfjöll eða virk hraunflæði á tunglinu – en þar eru tunglskjálftar. Maður spyr sig þá, ef tunglið hefur enga innri heita kviku til að valda skjálftum, hvers vegna eru þeir þá til? Úr bókinni Melting the Earth, lýsir höfundurinn því yfir að tunglið sé „dautt“ að innan og að „flóðkraftar frá jörðinni“ valdi lotum í tunglskjálftum:

Þegar skjálftamælar Apollo 12 mældu fyrstu tunglskjálftana í nóvember 1969, fengu vísindamenn beina staðfestingu á því að tunglið sé ‚dautt‘ að innan, að það eigi enga orku fyrir eldvirkni. Menn komust að því að tunglskjálftar eiga uppruna sinn um það bil 600 til 800 km undir yfirborðinu, eru mjög staðbundnir og eiga sér stað á um fjórtán daga millibili. Þeir eru greinilega hrintir af stað af flóðkröftum frá jörðinni. (Melting the Earth, The History of Ideas on Volcanic Eruptions: Haraldur Sigurðsson, Oxford University Press, 1999)

Þessir rannsakendur sögðu að flóðkraftar valdi „greinilega“ djúpum tunglskjálftum. Þúsundir tunglskjálftar sem mældir hafa verið í fleiri ár sanna á efa að djúpir tunglskjálftar eiga sér stað og að þeir hljóta að vera afleiðing flóðkrafta vegna þess að þeir gerast í lotubundnum hringrásum. Úr fjórðu Lunar Science ráðstefnunni:

Samanburður hefur leitt í ljós að margir langtíma skjálftakippir á tunglinu passa saman við hvort annað í nánast hverju smáatriði í gegnum alla bylgjuröðina. Borið hefur verið kennsl á fjörtíu og eina samstæðu af tilsvarandi viðburðum hingað til. Tilsvarandi skjálftamerki úr hverri samstæðu eru framleidd af endurteknum tunglskjálftum sem eiga sér stað á eins mánaðar fresti í einum af fjörtíu og einum upptakastað tunglskjálfta…

Sérhver upptakastaður skjálfta er virkur í aðeins fáeina daga á mánuði á einkennandi stigi í kvartalalotunni. Fjöldi tunglskjálfta sem mældir eru á virku tímabili eru á bilinu engum til fjóra. Nokkurn veginn jafn margir upptakastaðir skjálfta eru virkir á nánast gagnstæðum fasa í mánaðarlegu kvartalalotunni, sem er þá ábyrgt fyrir hinum mældu toppum tvisvar á mánuði í tunglskjálftavirkninni. (Moonquakes, meteroids, and the state of the lunar interior, G. Latham, J. Dorman, F. Duennebier, M. Ewing, D. Lammlein, Y. Nakamura, Proceedings of the Fourth Lunar Science Conference ,1973, Vol. 3, bls. 2521-2522).

Rannsakendur lýstu öðrum lotum flóðkrafta sem tengdar eru braut tunglsins með því að lýsa yfir að „ríkjandi upptök orku sem leysist úr læðingi sem tunglskjálftar“ samanstendur af „sjávarfallaorku“:

Þessi langvarandi minnkun í virkni virðist samsvara 6 ára sveiflu í álagi á sjávarföllum sem er afleiðing fráviks í hlutfallslegum fasatengslum á meðal nokkurra af kennistærðum á braut tunglsins. Hin sterku samsvörun á milli tímasetningu tunglskjálfta og orkulosun og sveifluvídd og lotur sjávarfalla tungls benda til þess að sjávarfallaorka er mikilvæg, ef ekki ríkjandi upptök orku sem leysist úr læðingi sem tunglskjálftar. (Moonquakes, meteroids, and the state of the lunar interior, G. Latham, J. Dorman, F. Duennebier, M. Ewing, D. Lammlein, Y. Nakamura, Proceedings of the Fourth Lunar Science Conference ,1973, Vol. 3, bls. 2521-2522).

Þess vegna eru skjálftar á tunglinu, sem eru svipaðir skjálftum á jörðinni, ekki orsakaðir af kviku innan í tunglinu, heldur af „sjávarfallaorku“ sem myndast vegna hringdans tunglsins í kringum jörðina.

Ef til vill ertu að furða þig á því hvers vegna tunglskjálftar valdi ekki eldgosum á tunglinu. Miðað við jörðina eru tunglskjálftar óvenju fátíðir samkvæmt skjálftagögnum sem mælar á tunglinu hafa safnað, en Apollo geimfarar settu þessa mæla þangað á milli 1969 og 1972. Af fjórum gerðum tunglskjálftum virtust aðeins grunnir skjálftar þýðingarmiklir, eða þeir sem eru innan 20-30 km dýpi. Skjálftamælarnir töldu 28 skjálfta á fimm ára tímabili, frá 1972 til 1977, með stærstu mælinguna sem 5,5 á Richterskvarðanum, samkvæmt NASA. Þó að þetta sé ekki tæmandi talning, þá sýnir hún, sem er takmörkuð við þau svæði sem Apollo geimförin staðsettu mælana, töluvert færri tunglskjálfta í samanburði við jarðskjálfta sem eiga sér stað á stærðargráðunni nokkrar milljónir daglega, samkvæmt jarðfræðimælingum Bandaríkjanna (USGS). Orka úr svo miklu minna magni af skjálftum kallar greinilega ekki fram sjáanlega eldvirkni á tunglinu í dag. Ein ástæðan fyrir því er að gagnheili jarðfræðilegu innviðirnir eru frábrugðnir þeim á jörðinni sem er með meiri vökvakennda innviði. Þar að auki snýst jörðin um sjálfa sig einu sinni á dag, en sama hlið tunglsins snýr alltaf að jörðinni. Þetta umfjöllunarefni, ásamt fleirum tengda tunglinu munu verða útskýrð bráðlega.

Vísbendingin um öndun jarðarinnar

Er jörðin að anda? Í jarðfræðilegum skilningi – já:

Nú, sumum grunar að jörðin sé einnig að ‚anda‘, þ.e. að þrýsta saman jarðskorpunni og þenja hana út einu sinni á ári. Þessi lota er augljósust í Japan, sögðu jarðeðlisfræðingar á fundinum, þar sem hún gæti verið ábyrg fyrir ‚jarðskjálftatímabil‘ landsins. Annars staðar gæti hún leitt til þess að sum eldfjöll fari að gjósa næstum einungis á milli september og desember. (Earthly Circuitry, Breathing, and Shakes, Richard A. Kerr, Science, 26. janúar 2001, Vol. 291, bls. 584).

Þessi grein úr tímaritinu Science, sýnir bara hversu sterk lotubundna samsvörunin getur verið. Í tilfellinu Pavlof, eldfjalli í Alaska, er 99% samsvörun:

GPS og spennumælar eru ekki einu hlutirnir sem virðast geta mælt öndun í plánetu. McNutt greindi frá því að hafa borið kennsl á fjögur eldfjöll – Pavlof í Alaska, Oshima og Miyake-jima í Japan og Villarica í Síle – sem greinilega gjósa aðallega á milli september og desember, með hærri líkur á gosi þá en 99% þrepið í Pavlof tilfellinu. (Earthly Circuitry, Breathing, and Shakes, Richard A. Kerr, Science, 26. janúar 2001, Vol. 291, bls. 584).

Vegna þess að jarðeðlisfræðingar sem eru fastir í hugmyndafræði kvikunnar, halda að jarðskjálftar koma úr kviku, virðast þeir vera tregir til að taka tillit til jarðskjálfta-þyngdarafls tengslanna, sem gerir það erfitt fyrir þá til að vera móttækilegir fyrir þýðingu lotubundinna viðburða:

Jarðeðlisfræðingar hafa venjulega forðast að tengja slíkt. ‚Hingað til höfum við hneigst að því að hafna hlutum án augljósra og sýnilegra gagnverka‘, sagði eldfjalla- og jarðskjálftafræðingurinn David Hill frá U.S. Geological Survey í Menlo Park, Kaliforníu. En eftir að Landers jarðskjálftinn 1992 í Kaliforníu náði að hrinda af stað skjálftum í hunduði kílómetra fjarlægð á enn leyndardómsfullan hátt, varð a.m.k. einn, Hill, móttækilegri og opnari. Hann sagði á fundinum, ‚Það sló að mér að það gæti verið eitthvað‘ við öndun jarðar og eldgos eða jarðskjálfta. (Earthly Circuitry, Breathing, and Shakes, Richard A. Kerr, Science, 26. janúar 2001, Vol. 291, bls. 584).

Jörðin er ekki eini hnötturinn sem er þekktur fyrir skjálfta. Apollo geimfarar skildu fjóra jarðskjálftamæli eftir á tunglinu, sem mældu um það bil 12.500 ‚tunglskjálfta‘ eða skjálftavirkni á 8. áratugnum. Hvaða vísbendingar eru til um tengsl þyngdarafls við tunglið?

Vísbendingin um afstöðu tungls í jarðskjálftum og eldgosum

Ef braut tunglsins um jörðina hefur áhrif á hreyfingu í jarðskorpunni, þá ættu að finnast tengsl á milli daglegrar snúning jarðarinnar, umferð tunglsins og jarðskjálfta. Við sjáum vísbendingar um þessi tengsl við virkasta eldfjall heimsins sem er á Havaí. Vísindamenn tilkynntu árið 1988 í Journal of Geophysical Research:

Á milli 1967 og 1983 riðu fjórar jarðskjálftahrinur yfir eldfjallið Kilauea, Havaí, sem stóðu yfir í 68 til 156 klukkutíma. Ferilskráning á fjölda viðburða á klukkutíma sýnir merkilega mótun sem endurtekur sig daglega eða tvisvar á dag… áhrif flóðkrafta virðist vera besta útskýringin fyrir þessari mótunarvirkni. (Tidal Triggering of Earthquake Swarms at Kilauea Volcano, Hawaii, Rydelek, Davis, Koyanagi, Journal of Geophysical Research, Vol. 93, NO B5, bls. 4401, 10. maí 1988).

Í apríl 2003 útgáfunni af Scientific American var grein um annað af einu virkasta og tilkomumesta eldfjalli heims, Etnu. Þetta eldfjall sem er þekkt í mannkynssögunni vegna eyðileggingar sem það hefur orsakað í aldarraðir, er staðsett á eynni Sikiley á Ítalíu. Þetta er það sem rannsakendur höfðu að segja um losun gufu úr Etnu:

Fyrir utan hraunflæði, framkallar Etna næstum stöðuga, taktbundna losun gufu, ösku og bráðnuðu bergi. (Mount Etna´s Ferocious Future, Tom Pfeiffer, Scientific American, apríl 2003, bls. 63).

Gæti verið til hulin hringrás í eldvirkni Etnu sem tengist snúningslotu jarðarinnar eða braut tunglsins?

Í febrúar 2000 áttu heiftarleg gos sér stað í suðausturhluta gígs Etnu á 12 eða 24 klukkustunda millibili. (Mount Etna´s Ferocious Future, Tom Pfeiffer, Scientific American, apríl 2003, bls. 63).

Þetta er sterk vísbending um að lotubundinn þáttur þyngdarafls hefur bein áhrif á hraunflæði og jarðskjálfta. Lotur jarðskjálfta og hraungosa gerir rannsakendur ráðþrota vegna þess að þeir hugsa í hugmyndafræði kvikuplánetunnar. Lotur eldgosa Etnu eru ekkert annað en ‚tilviljun‘ vegna þess að svipaðar lotur finnast einnig annars staðar, eins og í Merapi, eldfjalli í Java. Úr bókinni Volcanic Seismology skrifar höfundur eftirfarandi athugun varðandi gosið í Merapi í október 1986:

Fyrir myndun hraungúlsins, átti þýðingarmikil og reglubundin endurtekning sér stað á 24 og 12 klukkutíma fresti á kippunum. Þetta fyrirbæri minnkaði stórlega með uppsöfnun kviku [hrauns] upp á yfirborðið. (Volcanic Seismology, P. Gasparini, R. Scarpa, K. Aki, 1992, bls. 62).

Kvikuplánetukenningin getur ekki útskýrt ‚lotur‘ og vissulega getur hún það ekki vegna þess að ekkert gangverk er til sem getur útskýrt lotubundnar hreyfingar efnis djúpt í jörðinni, sérstaklega þegar hreyfingin gerist líklega mjög hægt – aðeins sentimetra á ári. Þetta er ástæðan fyrir því að jarðskjálftar halda áfram að vera leyndardómsfull ráðgáta fyrir marga rannsakendur. Árið 2002 ætluðu hjón sem rannsóknarteymi að finna tengsl milli tunglsins og eldvirkni:

Ef spár um eldgos eru ruglandi ráðgáta, þá trúa eldgosaaðdáendurnir Steve og Donna O‘Meara að þau gætu hafa komið auga á lykilatriði. Hjónarannsóknarteymið eru að rannsaka tengsl sem sumir eldfjallafræðingar hafa tekið eftir fyrir löngu síðan en enginn hafði rannsakað nægilega – hlutverk tunglsins í að hafa áhrif á eldvirkni…

Verkefni teymisins var að ákvarða hvenær mesta hámark í eldvirkni eigi sér stað og hvernig aukin virkni gæti tengst togi vegna þyngdarafls tunglsins. Með því að fylgja því mynstri sem þau höfðu séð áður, spáðu O‘Meara hjónin því að á meðan eldgosin eru í gangi, þá myndu vera hámark í eldvirkni í jarðnánd tunglsins og í fullu tungli. Í þessu tilfelli studdu viðburðir þessa kenningu og reyndar átti hæsti toppur eldvirkni sér stað á tímapunkti nákvæmlega á milli fulls tungls og jarðnánd tunglsins. (Vefsíða National Geography sem er ekki lengur aðgengileg).

Teymið uppgötvaði beinan hlekk byggðan á staðreyndum á milli staðsetningu jarðarinnar og staðsetningu tunglsins, sett í samband við eldvirkni. Maður myndi halda að með þessum sönnunum um lotur jarðskjálfta-eldgosa, ættu vísindin að líta nánar á hinu svokölluðu ‚orsök‘ eldgosa. Sannanir um fyrirsjáanlegar lotur halda áfram að hrynja inn, sérstaklega með uppgötvuninni um „þögla jarðskjálfta“:

…uppgötvunin um þögla jarðskjálfta er að neyða vísindamenn til að endurskoða ýmsa þætti sprunguhreyfinga… Eitt forvitnilegt einkenni þessara þöglu jarðskjálfta er að þeir gerast með reglulegu millibili – reyndar svo reglulega, að vísindamenn eru nú að spá um endurkomu þeirra með góðum árangri. (The Threat of Silent Earthquakes, Peter Cervelli, Scientific American, mars 2004, bls. 91).

Nýlegar uppgötvanir um jarðföll og þögla jarðskjálfta marka einungis upphaf nýrra uppgötvana sem hjálpa okkur að skilja betur áhrif þyngdarafls himintungla og verkun þeirra á hreyfingu í jörðinni.

Jarðföll – uppruni jarðskjálfta og hrauns

Áður notuðum við þá líkingu að nudda saman lófunum til að sýna áhrif núnings. Ímyndaðu þér að framlengja þá tilraun í 24 tíma á dag, 7 daga vikunnar. Jörðin verður fyrir einhverju svipuðu, fyrirbæri sem kallast jarðföll:

Næstum því allir skilja eitthvað úr hinni föstu hreyfingu sjávarfalla sem þekkist sem flóð og fjara tvisvar á dag og það er alkunnugt að tunglið er drifkraftur þessara sjávarfalla. Önnur staðreynd sem er ekki nálægt því eins þekkt er sú, að einnig eru til hreyfingar í jarðveginum vegna flóðkrafta. Úr Glossary of Geology (2005):

Jarðföll hafa sveiflur á milli sjö og fimmtán sentimetra. (Glossary of Geology: Fifth Edition, Klaus K. E. Neuendorf, James P. Mehl, Jr., Julia A. Jackson, American Geological Institute, 2005, bls. 200).

Þetta þýðir að jörðin sem þú stendur á færist upp og niður um sjö til fimmtán sentimetra á hverjum degi! Sami krafturinn sem orsakar flóð og fjöru í sjónum hrindir af stað jarðföllum, en við finnum ekki fyrir þessari hreyfingu vegna þess hversu hægfara hún er. Hún er þó mælanleg með þróuðum vísindamælitækjum og með hjálp gervihnattatækni. Sjö til fimmtán sentimetrar hljómar kannski ekki mikið, en ef tekið er tillit til þess að það eru hundruðir metrar af hörðu bergi undir fótum okkar og að það hreyfist daglega upp og niður, þá getum við metið betur stærðina á þessu jarðfræðilegu fyrirbæri. Fáir, þar með taldir vísindamenn, vita um jarðföll. Vísindasamtök eins og NASA viðurkenna jarðföll, en þau virðast gera lítið úr áhrifum þeirra og framlagi þeirra til að mynda hraun og jarðskjálfta:

Jörðin verður einnig fyrir flóði og fjöru á föstu landi, en þau jafngilda minna en 20 sentimetrum. (Heimasíða NASA).

Streita myndast í jarðskorpunni með tímanum vegna hinnar reglulegu, daglegu hreyfingar upp og niður sem orsakast af þyngdaráhrifum tunglsins, sem safnast upp þar til hún leysist úr læðingi í jarðskjálftum. Núningshiti á sér einnig stað en magn hitans sem myndast er háður stærð jarðskjálftans og þrýstingsins sem er til staðar við staðsetningu hreyfingarinnar; aukinn þrýstingur þýðir aukinn hiti. Þess vegna getum við átt von á hærra hitastigi þegar dýpt jarðskjálftaviðburðarins eykst. Síðar munum við sjá áþreifanlega sönnun fyrir þessu fyrirbæri.