Jörðin

Blái hnötturinn

Í 150 milljón km fjarlægð frá sólinni er Jörðin. Utan úr geimnum er þessi reikistjarna hvít, græn og brún en umfram allt blá. Blái hnötturinn er enda 70% höf!

Jörðin er eina reikistjarnan sem ekki ber nafn guðs eða gyðju. Hún þýtur í kringum sólina á einu ári í fylgd tungls sem varð til eftir mestu hamfarir sem hún hefur orðið fyrir. Fylgihnötturinn togar í höfin og hægir á snúning Jarðar.

Móðir Jörð er heimkynni ótal fjölbreyttra lífvera sem allar eiga sameiginlegan forföður og tengjast því órjúfanlegum (erfða)böndum.

Móðir Jörð ber aldurinn vel. Hún er einn sléttasti hnöttur sólkerfisins, sléttari en keilukúla! Þær litlu hrukkur sem á henni eru mynda fjöll og lægðir sem segja ævisögu hennar. Þeir vísindamenn sem reyna að lesa þessa sögu eru jarðvísindamenn.

Hvað er Jörðin gömul?

Loftsteinar innihalda klukkur sem gera vísindamönnum kleift að reikna út aldur sólkerfisins og Jarðar. Hér hafa vísindamenn fundið loftstein á Suðurskautslandinu. Mynd: International Polar Foundation

Jörðin er 4.560.000.000 ára gömul! En hvernig vitum við það?

Í steinum, bæði steinum á Jörðinni og loftsteinum, eru klukkur! Við sjáum þær ekki með berum augum en með háþróuðum tækjum og tólum á rannsóknarstofum getum við lesið tímann af klukkunum. Klukkurnar eru náttúruleg geislavirk efni, til dæmis úran, sama efni og er notað í kjarnorkuver.

Geislavirk efni hrörna og breytast í ógeislavirk efni. Geislavirkt úran hrörnar til dæmis í ógeislavirkt blý. Þessi hrörnun tekur ákveðinn tíma sem er fastur, þ.e. breytist ekki.

Í upphafi er tiltekið magn af geislavirku úrani (100%) en eftir ákveðinn tíma hefur helmingur þess breyst í blý (50% úran og 50% blý). Eftir sama tíma verður sá helmingur úransins orðinn að helmingi blý (25% úran og 75% blý) og svo framvegis. Þetta kallast helmingunartími og hann er klukkan í steinunum.

Mismunandi efni hafa mislanga helmingunartíma. Sum geislavirk efni hafa stutta helmingunartíma (nokkrar mínútur eða klukkustundir upp í fáein ár) á meðan önnur eru milljónir eða milljarða ára að helmingast. Og það er einmitt þá sem nota þarf háþróuð tæki til að finna út hve gömul Jörðin er.

Til að finna aldur Jarðar mæla vísindamenn hve mikið er af geislavirku efni í steini á Jörðinni og þau efni sem þau hrörna í, kallað móður- og dótturefni (úranið er móðurefni en blýið dótturefni). Ef við þekkjum magn móður- og dótturefnis í steini og helmingunartímann, getum við reiknað út aldur bergsins!

Vísindamenn hafa mælt hlutfall móður- og dótturefna fyrir ótal geislavirk efni í alls konar steinum á Jörðinni og loftsteinum. Allar mælingar sýna eitt svar: Um það bil 4.500 milljón ár.

Þannig vitum við að Jörðin og sólkerfið varð til fyrir um 4,5 milljörðum ára!

Hvernig varð Jörðin til?

Í þessari geimþoku eru nýjar stjörnur og sólkerfi að myndast. Mynd: ESO

Þegar við horfum út í geiminn með stjörnusjónaukum okkar sjáum við aragrúa af litríkum geimþokum.

Geimþokurnar verða til þegar stjörnur springa og dreifa innviðum sínum um geiminn. Í þeim er að mestu leyti vetni og helíum en þau innihalda líka efni eins og nitur, súrefni, kolefni, kalsíum, gull, járn og úran. Það er einmitt þetta úran sem við notum til að aldursgreina sólkerfið.

Stjörnur fæðast í geimþokunum. Athuganir með sjónaukum hafa sýnt okkur að stjörnurnar eru oft umluktar skífum úr gasi og ryki. Í þessum skífum hleypur gasið og rykið í kekki og myndar sífellt stærri hnetti uns reikistjarna hefur myndast.

Fyrir 4.600 milljón árum var sólkerfið okkar gas- og rykskífa í kringum nýfædda stjörnu. Fyrst var Jörðin lítil en bætti sífellt á sig meira efni.

Hún var glóandi heit þegar stór hnöttur skall á hana. Við áreksturinn þeyttist efni úr í geiminn og myndaði hring. Smám saman þjappaðist efnið saman og myndaði tunglið!

Teikning listamanns af reikistjörnu myndast í gas- og rykskífu í kringum unga stjörnu. Mynd: ESO

Með tímanum kólnaði Jörðin. Eldgos voru tíð og spúðu gufu sem þéttist, myndaði ský og féll sem regn.

Þetta var ekki eina regnið. Utan úr geimnum rigndi halastjörnum og smástirnum yfir Jörðina sem fluttu með sér feykilegt magn af vatni. Úr halastjörnunum, smástirnunum og vatnsgufunni frá eldfjöllunum mynduðust stöðuvötn og loks höf.

Þegar á leið hafði Jörðin kólnað og haglélinu úr geimnum slotaði. Aðstæður urðu lífvænlegar. Í hafinu kviknaði líf sem seinna skreið á land og hélt þar áfram að þróast.

Fyrir skömmu tókst svo einni dýrategundinni að finna upp tungumál sem gerði henni kleift að miðla þekkingu til afkvæma sinna, kynslóð fram af kynslóð. Tungumálið lagði grunninn menningu og vísindum sem báru hana til tunglsins og aftur heim.

Hvað er Jörðin stór?

Fyrsti maðurinn sem mældi stærð Jarðar nákvæmlega hét Eratosþenes. Hann bjó í Alexandríu í Egyptalandi fyrir 2.300 árum og stýrði þar einu frægasta bókasafni veraldar. Í einni bókinni þar las hann að á hádegi, fyrsta dag sumars, væri sólin beint fyrir ofan borgina Sýrene í suður Egyptalandi.

Eratosþenes hugsaði með sér: Ef Jörðin er kúla gæti sólin ekki verið beint fyrir ofan Alexandríu á sama tíma og þar ættu turnar að varpa löngum skuggum. Hann var klár náungi og vissi að með einfaldri stærðfræði gæti lengd skuggans hjálpað honum að reikna út stærð Jarðar.

En fyrst þurfti Eratosþenes að vita vegalengdina á milli Alexandríu og Sýrenu. Hann réð mann til að mæla hana og reyndist hún um 800 kílómetrar.

Sumardaginn fyrsta árið eftir mældi Eratosþenes svo lengd skuggans í Alexandríu sem reyndist 1/50 af ummáli kúlu. Síðan margfaldaði hann einfaldlega 800 km x 50 og fékk út 40.000 km.

Þetta svar er næstum hárrétt! Einu verkfæri Eratosþenesar voru augu, fætur og heili.

Jörðin er sem sagt um 40.000 km að ummáli. Með venjulegri farþegaflugvél værum við 40 klukkutíma að fljúga í kringum Jörðina og meira en 16 sólarhringa að keyra umhverfis hana. Hvað ætli það tæki langan tíma að ganga?

Gætir þú mælt stærð jarðar eins og Eratosþenes?

Hvað er Jörðin þung?

Hægt er að mæla massa reikistjörnu (hve mikið efni hún inniheldur) eins og Jarðar með tveimur aðferðum: Annars vegar með aðferð Jóhannesar Keplers og hins vegar Ísaks Newton.

Í upphafi 17. aldar braut þýski stærðfræðingurinn Jóhannes Kepler heilann um ferðalag reikistjarnanna yfir himininn. Árið 1619, eftir margra ára vangaveltur og með aðstoð mælinga frá danska stjörnufræðingnum Tycho Brahe á gangi himintunglanna, leiddi hann út lögmál sem gerir okkur kleift að mæla massa allra hnatta í sólkerfinu sem hafa tungl.

Kepler komst að því, að ef við vitum hversu lengi tungl er að snúast í kringum reikistjörnuna og þekkjum fjarlægðina á milli þeirra, þá getum við reiknað út samanlagðan massa beggja. Oftast eru tunglin svo lítil í samanburði við reikistjörnuna sjálfa að útreikningarnir gefa okkur mjög góða hugmynd um massa reikistjörnunnar.

Aðferð Newtons

En hvað ef reikistjarna hefur ekki tungl? Þá getum við notað aðferðina hans Newtons. Hún er aðeins flóknari og áður en hægt var að nota hana, þurftu nokkur púsl að passa saman.

Árið 1687 leiddi enski eðlisfræðingurinn Ísak Newton út lögmál sem lýsir þyngdarkraftinum, sama krafti og heldur okkur föstum á Jörðinni. Með þessu lögmáli var hægt að reikna út massa Jarðar ef við bara þekktum þrjár stærðir:

• Stærð Jarðar (radíusinn)
  

• Þyngdarhröðun Jarðar
  

• Þyngdarfastann

Þegar Newton setti lögmálið fram þekktu menn aðeins fyrstu tvær stærðirnar: Stærð Jarðar og þyngdarhröðunina sem lýsir því hversu hratt hlutur fellur á hverri sekúndu vegna þyngdarkraftsins.

Gríski vísindamaðurinn Eratosþenes hafði mælt stærð Jarðar um 2000 árum fyrr með hjálp skugga eins og þú getur lesið betur um hér að ofan.

Árið 1589 mældi ítalski vísindamaðurinn Galíeó Galílei þyngdarhröðunina á Jörðinni með frægri tilraun. Sagan segir að Galíleó hafi látið kúlur falla ofan af Skakka turninum í Písa og síðar látið kúlur renna niður halla. Með þessum tilraunum sýndi Galíleó að hröðun hlutar í frjálsu falli er alltaf sú sama. Mælingarnar gerðu Galíleó kleift að reikna út þyngdarhröðun Jarðar.

Henry Cavendish var annar enskur eðlis- og efnafræðingur. Sjötíu og einu ári eftir andlát Newtons, árið 1798, mældi hann þyngdarfastann með merkilegri tilraun og gat um leið reiknað út massa og eðlismassa Jarðar, fyrstur manna.

Þegar öllum stærðunum sem Eratosþenes, Galíleó og Cavendish mældu er stungið inn í jöfnuna hans Newtons, fáum við út að Jörðin er 6.000.000.000.000.000.000.000.000 kg.

Það er rétt svar!

Úr hverju er Jörðin?

Jörðin inniheldur mikið járn. Hér sést hvernig rauðleitt járn hefur fallið úr vatni sem seytlar frá rótum Rauðufossafjalla. Mynd: Sævar Helgi Bragason

Þegar við höfum fundið út stærð og massa Jarðar getum við auðveldlega fundið út eðlismassann. Eðlismassinn gefur okkur nefnilega mjög góða hugmynd um efnin sem eru í Jörðinni.

Ef Jörðin væri aðeins úr vatni væri eðlismassi hennar 1.000 kg/m³ (m³ er lesið rúmmetri).

Ef Jörðin væri úr gasi væri eðlismassinn minni en 1.000 kg/m³ því gastegundir hafa lægri eðlismassa en vatn (þess vegna fljóta loftbólur upp úr vatni).

Ef Jörðin er úr bergi og málmum, væri eðlismassinn hins vegar talsvert meiri en 1.000 kg/m³ vegna þess að berg er miklu þyngra en vatn (þess vegna sekkur steinn sem þú kastar ofan í vatn).

Þegar við deilum massa Jarðar með rúmmáli hennar (stærðinni sem Eratosþenes fann út), fæst að eðlismassi Jarðar er 5.520 kg/m³.

Þessi tala er nokkurn veginn mitt á milli eðlismassa bergs og járns.

Við getum því ályktað að Jörðin hljóti að vera úr enhvers konar blöndu bergs og járns auk ýmissa annarra efna, bæði þyngri og léttari. Það getum við svo staðfest með því að efnagreina bergsýni á tilraunastofu.

Þegar Jörðin var að myndast feykti sólvindurinn léttustu efnunum, vetni og helíumi, burt. Jörðin myndaðist því úr þungu efnunum sem sátu eftir. Þess vegna er Jörðin að mestu úr járni, súrefni, kísli, magnesíumi, brennisteini, nikkeli, kalki og áli. Ýmis önnur efni eru á Jörðinni en í mjög litlu magni. Járnið er að langmestu leyti innst í Jörðinni, í kjarnanum.

Jarðskorpan sjálf, sá hluti Jarðar sem við stöndum á, er nokkuð frábrugðin. Hún er að mestu úr súrefni, þá kísli, svo áli, járni, kalsíumi, natríumi, kalíumi og magnesíumi. Öll þessi efni (og fleiri til) mynda öll undur Jarðar!

Snýst Jörðin?

Jörðin snýst um sjálfa sig. Þess vegna sýnast stjörnurnar færast yfir himinhvelfinguna. Þessi mynd var tekin á löngum tíma til að sýna snúninginn. Mynd: ESO/S. Brunier

Jörðin snýst einu sinni um sjálfa sig á einum sólarhring. Einn sólarhringur er 84.600 sekúndur að lengd, eða 24 klukkustundir.

Færsla stjarnanna yfir himinhvelfinguna er augljós sönnun fyrir snúningi Jarðar frá vestri til austurs.

Fyrsti maðurinn sem sýndi fram á að Jörðin snerist, án þess að vísa til færslu stjarna á næturhimninum, var franski eðlisfræðingurinn Léon Foucault. Árið 1851 setti Foucault upp pendúl á heimsýningunni í París en hann var helsta sýningaratriði Frakka.

Pendúll er lóð sem hangir í þunnum þræði og sveiflast til og frá. Foucault komst að því að pendúllinn sveiflast ekki aðeins, heldur snýst hann í kringum svæðið undir sér. Pendúllinn snýst vegna þess að Jörðin undir snýst.

Þegar snúningstími pendúlsins er reiknaður, kemur í ljós að hann er nokkurn veginn sá sami og snúningstími Jarðar: Um það bil 24 klukkustundir!

Þú getur skoðað Foucault pendúl í höfuðstöðvum Orkuveitu Reykjavíkur en hann snýst einn hring á um það bil sólarhring.

Hvað er mikið vatn á jörðinni?

Utan úr geimnum að sjá er Jörðin sannkölluð vatnaveröld. En hversu mikið vatn er á Jörðinni? Samkvæmt útreikningum vísindamanna eru 1.600.000.000.000.000.000.000 lítrar af vatni á Jörðinni! Það hljómar mikið en er samt frekar lítið í samanburði við Jörðina í heild.

Ef við söfnuðum öllu vatninu saman yrði til hnöttur sem væri næstum 1.400 km breiður eins og sjá má á myndinni hér undir. Hnötturinn yrði, með öðrum orðum, helmingi minni en tunglið! Þetta er aðeins agnarmsár hluti af jörðinni í heild. Því mætti eiginlega segja að jörðin sé þurrari en þurrasta eyðimörk!

Ef öllu vatni á Jörðinni væri þjappað saman í hnött yrði hann helmingi minni en tunglið. Litli hnötturinn við hliðina á þeim stóra sýnir allt ferskvatn á Jörðinni. Mynd: USGS

Hafið er langstærsti hlutinn af þessum hnetti en ferskvatnið — það vatn sem allt líf á jörðinni þarf á að halda — er bara örlítill hluti af honum og að mestu frosið! Vatn er dýrmæt og takmörkuð auðlind.

Vatn er á stöðugri hringrás sem knúin er áfram af sólinni. Sólarljósið hitar upp höfin, stöðuvötnin, gróðurinn og lífverurnar svo vatn gufar upp. Vatnsgufan stígur til himins, myndar ský sem síðan kólna og þéttast og falla á land eða í hafið sem regn eða snjór. Snjórinn bráðnar, myndar ár og læki sem renna til sjávar. Og þá hefst hringrásin á ný.

Þar sem er nógu kalt, til dæmis á Íslandi, getur frosið vatn safnast saman og myndað jökla. Í Vatnajökli á Íslandi getur vatnið geymst í þúsund ár en í milljónir ára á Suðurskautinu!

En hvaðan kom allt þetta vatn? Þessi spurning er ein helsta ráðgáta vísindanna. Við vitum það ekki fullkomlega en vitum þó að því rigndi yfir jörðina þegar hún var að myndast. Þetta var engin venjuleg rigning heldur halastjörnu- og loftsteinaregn. Í slíkum fyrirbærum getur verið mjög mikið vatn. Næst þegar þú færð þér vatn að drekka, ertu að drekka halastjörnur og smástirni!

Hversu mikið vatn notar þú á einum degi?

Úr hverju er andrúmsloftið á jörðinni?

Í loftinu sem við öndum að okkur er mestmegnis nitur, þá súrefni, svo argon, koldíoxíð og vatnsgufa. Við nefnum þessa efnablöndu einu nafni andrúmsloft eða lofthjúp.

Lofthjúpurinn er viðkvæmasti en um leið einn allra mikilvægasti hluti jarðarinnar. Hann ver lífið fyrir hættulegri geislun frá sólinni og heldur hitastiginu jöfnu. Án lofthjúpsins væri lífið óhugsandi.

Staðreyndir um Jörðina

Aldur:	Um 4,6 milljarðar ára
Þvermál:	12.756 km
Massi:	5.972.190.000.000.000.000.000.000 kg (5,9 x 1024 kg)
Meðalfjarlægð frá sólinni:	150.000.000 km
Snúningstími:	23 klst 56 mín 4 sek
Umferðartími (um sólina):	365,25 dagar
Yfirborðshitastig:	+15°C að meðaltali (hæsti mældi hiti á Jörðinni er +58°C en lægsti hiti –89°C)
Fróðleg staðreynd:	Hæðarmunurinn á hæsta fjallstindi og dýpsta hafsbotni er sáralítill miðað við stærð Jarðar í heild. Jörðin er sléttari en keilukúla!

Lærðu meira um Jörðina

• Heimurinn minn á vef Námsgagnastofnunar
  

• Fjaran og hafið á vef Námsgagnastofnunar

• Plöntuvefurinn á vef Námsgagnastofnunar

• Náttúrufræðistofnun Íslands

• Loftslag.is — Fræðsluvefur um loftslagsbreytingar á Jörðinni

• Náttúran.is — Fræðsluvefur um umhverfismál

• NASA Earth Observatory (á ensku)

• Myndasafn NASA af Jörðinni (á ensku)

Höfundur: Sævar Helgi Bragason