Topnienie lądolodu grenlandzkiego spowoduje... obniżenie poziomu morza

Tak, to prawda. Wbrem obiegowej opinii, stopnienie lądolodu grenlandzkiego nie spowoduje podniesienia poziomu morza na całym świecie. Można nawet uogólnić i stwierdzić, że nie wpłynie to na eustatyczne podniesienia poziomu morza. Są natomiast takie rejony świata, gdzie poziom morza wręcz obniży się. I to znacznie. Nawet do 100 m. Wiem, że w mediach szerzy się klimatyczny defetyzm i ogólnie wciska się ludziom, że zmniejszająca się czapa lodowa na Grenlandii spowoduje zalanie olbrzymich obszarów nadmorskich w Europie, w tym także i w Polsce. Dlaczego ja tak nie uważam?

Zacznę do tego, że Ziemia to nie drewniana, ani żelazna kula z rozlaną po powierzchni wodą, która wypełnia zagłębienia. Ziemia ma dość skomplikowany kształt. Na tyle skomplikowany i niepowtarzalny, że nazwano go geoidą. Geoida ma wybrzuszenia i zagłębienia, których powierzchnia nie pokrywa się z elipsoidalną linią referencyjną stosowaną do pomiarów wysokości. Trudno więc porównać ze sobą poziomy morza w różnych układach odniesienia. Linia "zero" jednego układu odniesienia może różnić się od takiej samej linii w drugim układzie nawet o 50 cm lub więcej w samej tylko Europie. Dla porównania - układ odniesienia Triest (Adriatyk) różni się od układu Kronsztad (Bałtyk) o +0.67 m w stosunku do powierzchni referencyjnej elipsoidy. Trudno więc orzec, czy zmiany poziomu morza np. w układzie Kronsztad dotyczą wyższego poziomu morza czy też odkształcenia geoidy.

Dopiero do kilkunastu lat znamy w miarę dokładny kształt geoidy, który można stosować jako globalny poziom odniesienia w pomiarach satelitarnych. Dlatego też dopiero od niedawna można mówić o globalnych zmianach. W dalszym jednak ciągu pomiary trwają i należy spodziewać się kolejnych, dokładniejszych odwzorowań powierzchni geoidy. Ostatni model grawitacyjny Ziemi EGM2008 pochodzi sprzed paru lat (np. Pavlis et al., 2012). Odkształcenia geoidy powodują, że część wody spływa do zagłębień w geoidzie, więc tam należy spodziewać się wzmożonego napływu wód, większego niż w miejscach wyniesionych. Np. wschodnie wybrzeża USA są obniżone w stosunku do Grenlandii o prawie 150 m (patrz poniższy rysunek). Nierównomierny rozkład materii w skorupie ziemskiej powoduje też nierównomierny rozkład potencjału grawitacyjnego. To jedna z przyczyn, dla której poziom morza nie będzie podnosił się równomiernie na całym świecie, jak w laboratoryjnej menzurce.

Kształt geoidy ziemskiej wg modelu EGM2008 z widocznymi odchyleniami w stosunku do referencyjnej elipsoidy (NGA).

Powyższy akapit zawiera także dalsze wytłumaczenie dotyczące lądolodu grenlandzkiego, który - jak się domyślacie - sporo waży. Z wyliczeń P.J. Petersena wynika, że lądolód grenlandzki waży 2.66946 x 1018 kg. To oczywiście dużo, więcej niż jesteśmy w stanie sobie wyobrazić. Taka masa lodu ma swój potencjał grawitacyjny, który przyciąga wodę oceanu i powoduje jej podniesienie w pobliżu Grenlandii. Gdy zdejmiemy z niej lądolód, Grenlandia stanie się lżejsza, a wtedy woda oceaniczna odpłynie od niej. Przyciąganie grawitacyjne Grenlandii z lądolodem powoduje wygięcie powierzchni oceanu w promieniu dochodzącym do 2000 km, zatem większość pn. Atlantyku ma powierzchnię grawitacyjnie podniesioną (rysunek poniżej).

Grawitacyjne ugięcie powierzchni oceanu w pobliżu obiektu o dużej masie (góra); zmiany poziomu morza w zależności od tego który lądolód stopnieje (wg Battersby'ego, 2013).

I tu pojawia się kolejna kwestia. Ciężki lądolód wgniata skorupę kontynentalną Grenlandii w plastyczny płaszcz ziemski. Gdy lód zniknie, lżejsza Grenlandia podniesie się. I teraz uwaga - stopnienie lądolodu to mniejsza grawitacja i podniesienie izostatyczne Grenlandii, które spowodują obniżenie poziomu morza u wybrzeży tej wyspy o około 100 m. Siedząc dostatecznie długo na brzegu Grenlandii zobaczymy, że morze cofa się i opada. Podobne zjawisko zachodzi na tarczy bałtyckiej, która ciągle jeszcze podnosi się po zrzuceniu lądolodu ostatniego zlodowacenia, powodując, że Bałtyk staje się coraz płytszy.

Zjawisko obniżenia poziomu morza dotknie w zasadzie całą Europę. Oczywiście im dalej od Grenlandii, tym obniżenie poziomu morza będzie słabsze, ale np. Islandia, Irlandia czy zachodnia Szkocja doczekają się obniżenia poziomu morza, zamiast ogłaszanego nieustannie podniesienia. W Polsce pewnie też poziom morza opadnie, ale nieznacznie (uwaga - nie biorę pod uwagę innych składowych zmian poziomu morza).

Oczywiście, zjawiska te nie zachodzą z dnia na dzień. Trudno więc dokładnie powiedzieć w jakim tempie będzie odbywało się izostatyczne podnoszenie tarczy grenlandzkiej i przyległych do niej obszarów. Z teoretycznych rozważań wynika, że Arktyka wolna od lodu spowoduje ostatecznie podniesienie poziomu głównie w południowym Atlantyku i pd. Pacyfiku - przy założeniu, że czapa lodowa Antarktydy pozostanie nietknięta. Pewien wpływ na poziom morza ma także woda z górskich lodowców, ale podobnie do Grenlandii, ona także spowoduje zdjęcie ciężaru z gór i ich izostatyczne podniesienie, a więc relatywne obniżenie poziomu morza.

Rekordowy zasięg lodu antarktycznego z września 2012 (NASA).

Z obserwacji ostatnich lat wynika, że faktycznie dość szybkiemu topnieniu Arktyki towarzyszy przyrost czapy lodowej na Antarktydzie, szczególnie w jej wschodniej części. W 2012 r. odnotowano rekordowy zasięg pokrywy lodowej Antarktydy, przy jednoczesnym, rekordowo małym lądolodzie grenlandzkim. Jak widać ubytkowi lodu w Arktyce towarzyszy przyrost lodu na antypodach. Czy te procesy równoważą się? Trudno powiedzieć. Jednocześnie notuje się wiarygodne dane o podnoszeniu się poziomu morza. Wydaje się jednak, że jest to w większości efekt przyrostu objętości wody wskutek podniesienia jej temperatury (termalnej ekspansji oceanu).

Jak wynika z powyższego obrazka wg Cazenave (tak, to Anny) i Nerema (2004), obecnie ekspansja termiczna ma największe znaczenie. Ci sami autorzy przedstawiają również zestawienie (patrz poniżej), z którego wynika, że udział lodu grenlandzkiego i antarktycznego w zmianach poziomu morza był na początku XXI w. trudny do oszacowania.

Świeżutkie dane z tego roku pokazują trendy zmiany masy lądolodu Antarktydy i Grenlandii, które również wskazują regiony gdzie dochodzi do przyrostu masy, szczególnie we wschodniej Antarktydzie (obrazek poniżej).

Trend zmiany masy lądolodu Antarktydy (a) i Grenlandii (b). Barwy od zielonej w stronę czerwieni i bieli wskazują przyrost masy lodu. Od zieleni w stronę granatu - ubytek masy (wg Barletta et al., 2013).

Myślę, że przyjdzie nam po prostu poczekać jeszcze trochę na analizę efektów globalnego wzrostu temperatury. Być też może, że nie dożyjemy jednoznacznego opracowania i problem pozostawimy wnukom.

Źródła:
Fot. w nagłówku: Christine Zenino (CC-BY)

Barletta, V.R. et al., 2013. Scatter of mass changes estimates at basin scale for Greenland and Antarctica. The Cryospherei, 7: 1411-1432. doi:10.5194/tc-7-1411-2013
Battersby, S., 2013. Where melting ice means retreating seas. New Scientist, 2915.
Cazenave, A. & Llovel, W., 2010. Contemporary Sea Level Rise. Annual Review of Marine Science, 2: 145-173. doi: 10.1146/annurev-marine-120308-081105
Cazenave, A. & Nerem, R.S., 2004. Present-day sea level change: observations and causes. Reviews of Geophysics, 42: 2003RG000139
Church, J.A. et al., 2010. Understanding Sea-Level Rise and Variability. Blackwell Publishing Ltd.
Mitrovica, J.X. et al., 2001. Recent mass balance of polar ice sheets inferred from patterns of global sea-level change. Nature, 409: 1026-1029.

Czytaj więcej

Ile wody jest na Ziemi?

Wydawać by się mogło, że Ziemia - Błękitna Planeta ma nieprzebrane zasoby wody. Ale.. ile wody jest na Ziemi naprawdę? Przyznam, że kiedy dowiedziałem się, nie mogłem uwierzyć i moje myśli długo powracały do tych wyliczeń. Chodzi oczywiście o całkowite zasoby wody - tej słonej w morzach i oceanach; tej słodkiej, płynącej w rzekach, jeziorach i zamarzniętej w lodowcach; tej podziemnej, krążącej w skałach podłoża oraz tej występującej w postaci pary wodnej.

Służba Geologiczna Stanów Zjednoczonych (USGS) obrazowo przekonuje nas, że gdybyśmy zebrali całą tę wodę do jednego naczynia w kształcie kuli, to miałaby ona.... no właśnie, jak myślicie? Jakaż może być średnica takiej kuli? Dla przypomnienia dodam, że prawie 71% powierzchni Ziemi znajduje się pod wodą, a ok. 96.54% tej wody, to woda słona.

Kula, w której zmieści się cała woda na Ziemi (rys. Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institute)

Otóż kula, w której zmieści się cała woda na Ziemi ma średnicę 1385 km. Tak, ja też się zdziwiłem. Mała ta kula. Wierzyć się nie chce. A może pomylili się w obliczeniach? W Europie zmieściłoby się kilka takich kul... Podobno, jest to mniej niż trzecia część kuli wielkości Księżyca (to porównanie akurat nie przemawia do mnie). W każdym razie, gdyby taką kulę zrobić tylko ze słodkiej wody, to byłoby to maleństwo o średnicy 160 km.
[Edit] (Dodam, że dokładnie nie wiem, o jaką wodę słodką chodzi. USGS podaje 'available fresh water' a wymiary kuli sugerują, że nie wchodzi w nią woda uwięziona w lodowcach czy też podziemna. Kula o średnicy 160 km ma objętość około 2 145 280 km³ (4,19 x 80³). Podziękowania dla Michała Łaszczyka za uwagi).

Duża kula, to całkowita ilość wody ziemskiej, malutka, z prawej strony, to woda słodka
(rys. Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institute)

Większość wody słodkiej w stanie płynnym znajduje się pod ziemią - jest to około 8.4 mln km³. Znacznie więcej wody zamrożonej jest w lądolodach Antarktydy i Grenlandii - 29.2 mln km³.

12900 km³ wody występuje w atmosferze w postaci pary wodnej. Gdyby nagle cała ta para wodna skropliła się i spadła na Ziemię, to ulewa ta pokryłaby powierzchnię lądów ok. 3 cm warstwą wody. Do atmosfery każdego dnia odparowuje jej ok. 1170 km³.

We wspomnianej na wstępie kuli łącznie mieści się 1386 milionów km³ wody. To bardzo dużo litrów - 1 386 000 000 000 000 000 000. Liczba jest na tyle abstrakcyjna, że nic nie mówi. Z bardziej obrazowych porównań, i to w amerykańskim stylu, można sobie wyobrazić Ziemię wielkości piłki do koszykówki. Wtedy cała woda na Ziemi będzie wielkości piłki do ping-ponga, a słodka woda wielkości ziarna kukurydzy. Na koniec warto zajrzeć do poniższej tabeli - bardzo pouczająca lektura.

Ile wody jest na Ziemi - udział procentowy

Źródło wody	Objętość w km3	Udział %
Oceany i morza	1,338,000,000	96.54
Lodowce	24,064,000	1.74
Wody podziemne	23,400,000	1.69
- słodkie	10,530,000	0.76
- słone	12,870,000	0.93
Para wodna w glebie	16,500	0.001
Wieczna zmarzlina	300,000	0.022
Jeziora	176,400	0.013
- słodkie	91,000	0.007
- słone	85,400	0.007
Atmosfera	12,900	0.001
Bagna	11,470	0.0008
Rzeki	2,120	0.0002
Woda w organizmach	1,120	0.0001

Źródła:

fot. w nagłówku: jjjohn CC-BY-SA (flickr.com)

Czytaj więcej

Najostrzejsze zęby świata

Konodonty przez długie lata rozpalały wyobraźnię paleontologów. Największe emocje mamy już chyba za sobą, ale te tajemnicze skamieniałości potrafią nas wciąż zaskoczyć. Od niedawna mogą poszczycić się  rekordem rodem z Księgi Guinessa - zwierzątka te miały najostrzejsze zęby jakie znamy. Brzeg ząbka był 20 razy cieńszy od ludzkiego włosa, ale nacisk jaki wywoływał był porównywalny z siłą ludzkich szczęk.

Na początek kilka wyjaśnień. Tak naprawdę nazwa konodont odnosi się obecnie zarówno do wymarłej grupy zwierząt (Conodonta), jak i do znajdowanych licznie skamieniałości, które są tylko częścią aparatu gębowego. To właśnie te części aparatu gębowego rozpalały wyobraźnię paleontologów. Konodonty znane dość licznie z osadów od późnego kambru do późnego triasu, są na tyle zróżnicowane, że można było na podstawie ich zmienności dokładnie rozpoziomować osady całego paleozoiku. Bardzo przypominają ząbki kręgowców, są zbudowane z fosforanu wapnia, ale są bardzo małe, max. 3 mm długości.

Różne typy konodontów (brak platformowych form) (fot. USGS)

Konodonty platformowe (fot. Keith Mann)

Przez długie lata nie można było znaleźć skamieniałości zwierzęcia, z którego pochodzą konodonty, więc roztaczano różne wizje ich pochodzenia. Część badaczy widziała je jako aparaty gębowe pierścienic tzw. skolekodonty. 

Aparat gębowy pierścienic złożony ze skolekodontów (fot. Olle Hints CC-BY)

Do tego obrazu nie pasował jednak budulec oraz brak śladów zużycia konodontów. W 1983 roku po raz pierwszy znaleziono kompletny szkielet zwierzęcia konodontonośnego i okazało się, że nie jest to robak tylko prymitywny strunowiec, jeszcze bez wykształconych szczęk. Jedynym elementem szkieletowym były te ząbki znajdowane wcześniej jako konodonty. Ponieważ zwierz nie miał szczęk, więc konodonty nie są tak naprawdę prawdziwymi zębami, tylko elementami chwytnymi otworu gębowego. Jeśli macie kłopot ze zrozumieniem o co chodzi, to spójrzcie np. na minoga.

Minogi japońskie przyklejone do szyby akwarium, widać aparaty gębowe (fot. sunko75)

Dzisiaj, wymarłe konodonty uważa się za dalekich krewnych szczecioszczękich (Chaetognatha), dziwolągów żyjących w morzach, zwanych też czasami strzałkami morskimi. Szczecioszczękie jako pierwsza grupa wśród prymitywnych wtóroustych (Deuterostomia) wykształciły tzw. protokonodonty, zbliżone do naszych bohaterów - konodontów właściwych (tzw. eukonodontów). Obecnie Chaetognatha częściej zalicza się do pierwoustych, a konodonty klasyfikuje się jako prawdopodobne wczesne kręgowce spokrewnione z minogami. Jednak ich aparat gębowy bardziej przypomniał ten szczecioszczękich. (patrz komentarz Tomasza Skawińskiego oraz dodatkowe obrazki pod postem wyjaśniające relacje szczecioszczękich i konodontów).


Gdybyśmy mieli wyobrazić sobie żyjącego konodonta, to sterczałby on pionowo (? jak szczecioszczękie) w toni wodnej i wyczekiwał na zdobycz. Miałby max. parę centymetrów długości, wielkie oczy oraz duży otwór gębowy z wyszczerzonymi chwytnymi elementami przypominającymi zęby. Część badaczy uważa, że właściwie były to protozęby, z tym, że potrafiły się regenerować, stąd powszechny brak śladów zużycia.

Aparat gębowy szczecioszczękich, podobny do konodontów (fot. Encyclopedia of Life)

Żeby przekonać się jak te protozęby działały postanowiono zrekonstruować cały aparat gębowy konodonta i stworzyć jego model komputerowy. Do analizy wykorzystano metody stosowane do określania działania sił aerodynamicznych oraz porównano konodonty z podobnej wielkości ząbkami nietoperzy (Jones et al., 2012). 

Jedna z rekonstrukcji konodontów (rys. The Frog Blog)

Ze stworzonego modelu wynika, że konodonty nie używały siły mięśni do gryzienia, tak jak to czynią np. ssaki. One polegały jedynie na ostrości swoich ząbków, które cięły ofiarę tak jak brzytwa. Złapana ofiara była szatkowana na części przesuwając się w aparacie gębowym. Kolejna różnica pomiędzy kręgowcami a konodontami jest taka, że nasze szczęki pracują w układzie góra-dół, a u konodonta aparat gębowy lewa-prawa.

Tak wygląda najostrzejszy ząb świata pod skaningiem (fot. X_criticalmass)

Ta szczególna ostrość zębów sprawiała, że z pewnością częściej się uszkadzały i tępiły, stąd występujący u konodontów mechanizm regeneracji uszkodzeń, cechy, która (niestety) zanikła u pozostałych kręgowców. Ale to nie koniec niespodzianek konodontowych. Ostre ząbki służyły także do wbijania się w ciało ofiary i wstrzykiwania jej jadu. I to też jest rekord pt. najstarsze zęby jadowe świata (Szaniawski, 2009). Warto dodać, że także niektóre współczesne szczecioszczękie są jadowite.

Konodonty z widocznym kanalikiem jadowym (Szaniawski, 2009)

Konodonty to pierwsza grupa strunowców, która eksperymentowała z uzębieniem. W aparacie gębowym występowało pełne zróżnicowanie, od typowo tnących ząbków, po platformowe, miażdżące formy. Być może to jest kluczem do sukcesu tych stworzeń. W końcu żyły 300 mln lat i przetrwały jako nieliczne największe wymieranie w dziejach Ziemi, granicę perm-trias.

[Edit] Dziękuję Tomaszowi Skawińskiemu za komentarz i dorzucam jeszcze rekonstrukcje konodonta i aparatu gębowego, oraz pozycję filogenetyczną konodontów z pracy Dzika (2000). Zwróć uwagę na pokrewieństwo pomiędzy konodontami i szczecioszczękimi (Chaetochordata). Z grup żyjących współcześnie organizmów jedynie szczecioszczękie maja podobny aparat gębowy.

Źródła:
Dzik, J., 2000. The origin of the mineral skeleton in chordates. Evolutionary Biology 31: 105-154. 
Jones, D., Evans, A., Siu, K., Rayfield, E., & Donoghue, P. (2012). The sharpest tools in the box? Quantitative analysis of conodont element functional morphology Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences DOI: 10.1098/rspb.2012.0147
Szaniawski, H. (2009). The Earliest Known Venomous Animals Recognized Among Conodonts Acta Palaeontologica Polonica, 54 (4), 669-676 DOI: 10.4202/app.2009.0045

fot. w nagłówku: wikipek CC-BY, aparat gębowy konodonta

Czytaj więcej

Tunele przyszłości

Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju UJ otworzyło konkurs na tekst futurystyczno-naukowy "Futuronauta". Teksty można przysyłać do 22 stycznia 2012 r. Nagroda główna wydaje się dość atrakcyjna (7000,- zł), więc jeśli jeszcze nie zabraliście się do pisania, to podsunę Wam pewien pomysł - tunele do ultraszybkich podróży przez środek Ziemi.

Pomysł nie jest nowy i nie mój, ale myślę o nim dość często, więc powoli zaczyna wydawać mi się, że sam na niego wpadłem. Właściwie to myślę o nim od czasu kiedy jako nastolatek przeczytałem książkę Hanny Ożogowskiej "Chłopak na opak". Bohater tej książki chciał się przekopać przez Ziemię, żeby dostać się na antypody, do Ziemi Ognistej. Szybko jednak zrezygnował, bo machanie łopatą bardzo go zmęczyło. Pozostał jednak dla mnie pomysłodawcą znakomitej idei. Z kilku powodów.

Po pierwsze, taki tunel to najkrótsza droga do dowolnego punktu na powierzchni Ziemi. Pozwala zniwelować nierówności terenu oraz krzywiznę Ziemi. Po drugie, zbliżając się do środka Ziemi grawitacja zaczyna działać z coraz mniejszą siłą. Dokładnie w środku Ziemi nasza masa będzie równa zero.

Żeby łatwiej to pojąć wyobraźmy sobie że schodzimy po drabinie do środka Ziemi, z każdym krokiem ważymy coraz mniej, bo większość masy Ziemi, której grawitacja na nas działa, mamy ponad głową. Będąc w środku Ziemi, mielibyśmy całą jej masę ponad głową (czyli wokół nas), więc jej grawitacja równoważyłaby się i nasza masa byłaby zerowa.

Gdyby pozbyć się drabiny i skoczyć na główkę do takiego tunelu, spadalibyśmy coraz szybciej, wraz ze spadkiem masy. I teraz kolejne gdyby. Gdyby ten tunel ciągnął się dalej, przez środek Ziemi na drugą stronę, to przeleciawszy przez środek pędzilibyśmy w stronę powierzchni po drugiej stronie, stopniowo hamując, gdyż nasza masa zaczynałaby rosnąc wraz z oddalaniem się od środka Ziemi. Żeby osiągnąć powierzchnię Ziemi na antypodach, musielibyśmy wyeliminować jedynie opory jakie stwarza ośrodek w którym się poruszamy. W naszym wypadku wystarczy próżnia.

Tunel przez środek Ziemi A-A' i tunel wzdłuż cięciwy B-B' skrócą znacznie drogę.

Średnica Ziemi wynosi ok. 12 700 km i jak obliczono, podróż w takim próżniowym tunelu przez środek Ziemi wynosiłaby zaledwie 42 minuty! Nie opłacałoby się szukać miejsca do siedzenia :)

Zobaczcie jak to tłumaczą fizycy, można przewinąć do 50 sekundy :)

Cóż.. Jest kilka problemów, których nie uda nam się póki co rozwiązać, takich jak ciśnienie i temperatura we wnętrzu Ziemi, jej niestabilny płaszcz i jądro itd. Dochodzą problemy z wytworzeniem i utrzymaniem próżni, ale kto wie, co czas przyniesie. Sam pomysł można jednak wykorzystać do budowy tuneli biegnących wzdłuż cięciwy krzywizny Ziemi, na mniejszych odległościach, tak aby pozostać w obrębie skorupy ziemskiej.
Np. można sobie wyobrazić tunel z Paryża do Moskwy lub z Krakowa do Gdańska. Ile wtedy trwałaby podróż?

Z perspektywy obserwatora na powierzchni Ziemi, podróż tunelem wyglądałaby jak jazda na kołysce. Początkowo rozpędzamy się zjeżdżając w dół, po czym zwalniamy jadąc pod górę. W rzeczywistości uleglibyśmy złudzeniu, gdyż podróż po powierzchni Ziemi odbywa się po łuku.

Źródła:
Futuronauta - konkurs CITTRU http://www.cittru.uj.edu.pl/?q=pl/node/1303
fot. w nagłówku: Daniel Schwen CC-AS-A 2.5 Generic License

Czytaj więcej

Jowisz czyli gwiazda wigilijna

Zbliżają się święta Bożego Narodzenia i tak się jakoś składa, że nawet najwięksi ateiści czy innowiercy w przeddzień tych świąt zasiadają do stołu wigilijnego. Zanim to jednak uczynią, wypatrują przez okno pierwszej gwiazdy na niebie, aby dać sygnał do wieczerzy. I tradycyjnie, większość uważając, że widzi pierwszą gwiazdę na wigilijnym niebie, jest w błędzie. Tej nocy bowiem Jowisz, największa planeta Układu Słonecznego, jest najjaśniejszym obiektem na niebie (oprócz Księżyca). Do końca stycznia Jowisza można łatwo wypatrzeć na południowym niebie, niezbyt wysoko nad horyzontem.
Jowisz jest planetą niezwykłą. Mało tego, wszystko wskazuje na to, że jest planetą bez wnętrzności czyli bez wewnętrznego, metalicznego jądra. Pewnie dlatego, że Jowisz, podobnie jak biesiadnicy przy wigilijnym stole, miał spory apetyt i skonsumował własne jądro.
Jowisz jest ogromny. Waży dwa razy więcej niż wszystkie pozostałe planety Układu Słonecznego. Jest nazywany gazowym olbrzymem, gdyż zbudowany jest głównie z wodoru i helu, które w warunkach ziemskich są gazami.
Jednak na Jowiszu na skutek olbrzymiego ciśnienia gazy te przeszły w stan płynny o cechach metalu. Do tej pory uważało się, że płynny wodór i hel otaczają jądro Jowisza zbudowane z żelaza, skał i lodu. Jądro miało być jednak niewielkie. Szacowano, że Jowisz stanowi 318 mas Ziemi, podczas gdy jądro tylko 10 mas.

Tak sobie wyobrażaliśmy wnętrze Jowisza. Widać małe, stałe jądro zbudowane z żelaza, skał i lodu. W rzeczywistości Jowisz może być w zupełności płynny wewnątrz (NASA R.J. Hall Public Domain)

Nasze wyobrażenia o wewnętrznej budowie Jowisza były jednak tylko zgrubnymi kalkulacjami. Warunki panujące we wnętrzu Jowisza są ekstremalne. Panuje tam temperatura większa niż na powierzchni Słońca (ok. 16 tys. K) i ciśnienie rzędu 40 mln atmosfer. Póki co, nie można takich warunków odtworzyć laboratoryjnie, więc posłużono się mechaniką kwantową.

W obliczeniach wzięto pod uwagę stan w jakim musiałby znajdować się główny składnik skał jądra Jowisza, czyli tlenek magnezu (MgO). Wyniki pokazały, że w takich warunkach jądro Jowisza jest płynne. Z tym, że na początku tworzenia się Jowisza jądro było stałe, a z czasem, właśnie pod wpływem rosnącej temperatury i ciśnienia, upłynniło się (Wilson & Militzer, 2011).

Wykres pokazujący pole w jakim znajduje się jądro Jowisza i Saturna (na osi pionowej temperatura, na poziomej ciśnienie) (militzer.berkeley.edu)

Pozostało pytanie, czy konwekcja w zewnętrzych warstwach płynnego wodoru i helu jest na tyle silna, że wciągnęła upłynnione jądro Jowisza do swego obiegu, czy też rozmyła się jedynie granica pomiędzy jądrem a otoczką? Być może odpowiedź przyniesie sonda NASA Juno, która za 5 lat doleci do Jowisza, aby zmierzyć jego pole grawitacyjne.
No i naturalnie, rodzi się pytanie jak to jest z jądrem w innych planetach? Być może po wstępnym etapie grawitacyjnego zbierania materii stałej w centrum planety dochodzi do tak wysokich ciśnień i temperatury, że jądra się upłynniają? I wszystkie planety konsumują swoje wnętrza? Smacznego :)

ps. 24 grudnia 2011 roku Księżyc będzie w nowiu (czyli nie będzie go widać na niebie), a o miano gwiazdy wigilijnej z Jowiszem walczyć może także Wenus, która będzie widoczna nisko nad horyzontem na wschodzie (tam skąd przyszli mędrcy). Wesołych Świąt!

Źródła:
Wilson, H., F. & Militzer, B. 2011. Rocky core solubility in Jupiter and giant exoplanets. arXiv:1111.6309v1
Ryc. w nagłówku: obraz Jana Matejki Mikołaj Kopernik Public Domain

Czytaj więcej

O tym, jak szybki był tyranozaur

Odwołania do pop-kultury w nauce są ostatnio trendy, więc i ja powtórzę wyświechtane już pytanie: Pamiętacie Park jurajski? Jeśli nie mieliście siły śledzić losów bohaterów tego klasyka fantastyki naukowej, to przypomnę, że bohaterowie przez większość filmu uciekali przed dinozaurami. Najbardziej we znaki dawał im się Tyrannosaurus rex czyli popularny T-rex. W ten sposób obraz śmigającego T-rexa wrył się w pamięć pokolenia wychowanego na filmie Spielberga. Do kwestii sprawności T-rexa odnoszono się wielokrotnie, sugerując, że jednak nie był to zbyt szybki teropod. Nie musiał biegać, bo żywił się głównie padliną, na co wskazuje budowa jego czaszki.
Ostatnio raz jeszcze powrócono do kwestii przemieszczania się tyranozaura wykorzystując analogie do poruszania się współczesnych ssaków i ptaków nielotów. Analogia też już wyświechtana, ale tym razem z nowym spojrzeniem.


Punktem wyjścia do rozważań o tempie poruszania się tyranozaura, było dość oczywiste założenie, że im większe tempo tym dłuższy krok zwierzęcia. Kalkulowano więc tempo poruszania się T-rexa na podstawie skamieniałych tropów. W latach 70-tych R. McNeill Alexander opracował nawet zależność na podstawie której można było wyliczyć prędkość teropoda (drapieżnego dinozaura) (Alexander, 1976):

v = 0.25*g^0.5*DK^1.67*b^-1.17

Zależność geometryczna długości kroku
i wysokości bioder (Thulborn, 1989)

gdzie: v - prędkość poruszania się ptaka nielota (np. strusia); g - przyspieszenie ziemskie; DK - długość kroku mierzona pomiędzy odciskami tej samej stopy; b - wysokość bioder.

W przypadku dinozaurów wysokość bioder można było określić na podstawie wielkości odcisku stopy. Alexander wyliczył, że średnio wysokość bioder u teropodów wynosiła 4 długości stopy.
Na podstawie powyższej zależności można także było stwierdzić, czy zwierzak stąpał, truchtał czy biegł. Ważny był stosunek długości kroku do wysokości bioder czyli DK/b.  Odpowiednio DK/b <= 2.0 oznaczało chód, 2.0 < DK/b < 2.9 trucht, a DK/b => 2.9 bieg (Thulborn, 1984).
Później wprowadzono pewne modyfikacje proporcji długości odcisku stopy (OS) do wysokości bioder (b), w zależności od ogólnej budowy dinozaura (Thulborn, 1990). Odciski stopy (OS) podzielono na dwie grupy, odpowiednio, krótsze i dłuższe od 25 cm i podano dla nich przelicznik wysokości biodra (b):

OS < 0.25m małe teropody małe ornitopody ogólnie, małe dwunożne dinozaury

b=4.5 x OS b=4.8 x OS b=4.6 x OS

OS > 0.25m duże teropody duże ornitopody ogólnie, duże dwunożne dinozaury

b=4.9 x OS b=5.9 x OS b=5.7 x OS

Więcej problemów stwarzały duże, roślinożerne, czworonożne dinozaury (zauropody) i dla nich przelicznik wysokości biodra nie był tak oczywisty. Sugerowano przelicznik w stosunku do szerokości odcisku stopy. Ogólnie Thulborn (1990) zaproponował mnożnik ok. 6 długości odcisku stopy dla wysokości biodra zauropoda.
Ponieważ zauropody nastręczają zbyt wielu problemów, no i nie są krwiożerczymi bestiami, zostawmy kwestię ich poruszania się na boku. Wróćmy do naszego T-rexa.

Z powyższych rozważań wynika, że wyliczenie prędkości poruszania się T-rexa nie było zbyt skomplikowane. Wystarczyło postarać się o dobrze zachowane tropy tego gada, pomierzyć, wstawić do wzoru i gotowe.

Rekonstrukcja brachiozaura (cv.tu-berlin.de)

Problem w tym, że budowa i rozmieszczenie kończyn wymarłych teropodów odbiega znacznie od współczesnych analogii. Zatem przełożenie chodu czy też biegu współczesnych zwierząt na wymarłe teropody niekoniecznie prowadzi do prawdziwych rezultatów.
Aby rozwikłać problem, przeprowadzono dokładną analizę kształtu, rozmieszczenia i ciężaru mięśni kończyn dinozaurów. Na podstawie tych danych  przy pomocy oprogramowania inżynierskiego (patrz Mallison, 2009) stworzono model kroczącego dinozaura uwzględniający przemieszczanie się masy zwierzęcia po powierzchni Ziemi. Analiza komputerowa wykazała, że długość kroku uzależniona była od konstrukcji szkieletu. Ponadto, dinozaury w porównaniu np. ze współczesnymi ssaki, miały o wiele większe mięśnie pośladków, które znaczenie wpływały na ich sposób poruszania. Efekt wszystkich przemyśleń nad modelem skłonił naukowców do wniosku, że zależność Alexandra (1976) nie jest spełniona w przypadku dinozaurów (Mallison, 2011; za Kaplan, 2011).

Jak zatem poruszał się tyranozaur? U ssaków i nielotów najszybszą formą poruszania się jest bieg. Zwierzę wydłuża wtedy swój krok i w pewnej fazie ruchu występuje etap całkowitego oderwania się od ziemi. Tyranozaur nie miał tej fazy, nie odrywał się od ziemi, więc nie biegł.

Zamiast tego szybko chodził. Pomagały mu w tym silne mięśnie pośladków. Jeśli macie kłopoty ze zrozumieniem na czym polegało to szybkie chodzenie, przypomnijcie sobie Roberta Korzeniowskiego i chodziarstwo.
To taki dziwny sport, gdzie nie wolno oderwać się od ziemi, przynajmniej jedna stopa musi mieć kontakt z podłożem. Ile się przy tym trzeba napracować pośladkami to widać podczas zawodów, kiedy zawodnicy w pląsach choroby św. Wita zasuwają w stronę mety.

Takim chodziarzem był Tyrannosaurus rex.

Warto uzmysłowić sobie także, że w przypadku chodu nie długość kroku ma znaczenie, ale częstotliwość jego występowania. Nie można zatem oszacować tempa przemieszczania się zwierzęcia na podstawie tropów, jeśli nie wie się, jak często stawiały kroki. A tego wzór Alexandra nie uwzględnia.


Źródła:
1. Alexander, R.M. (1976). Estimates of speeds of dinosaurs Nature 261: 129-130.
2. Kaplan, M. (2011). Tyrannosaurs were power-walkers Nature DOI: 10.1038/news.2011.631
3. Mallison, H., Hohloch, A., & Pfretzschner, H.-U. (2009). Mechanical Digitizing for Paleontology - New and Improved Techniques Palaeontologia Electronica 12 (2-4T): 41 http://palaeo-electronica.org/2009_2/185/index.html
4. Mallison, H. (2011). Journal of Vertebrate Paleontology 31 (S150).
5. Thulborn, R.A. (1984). Prefered gaits of bipdeal dinosaurs. Alcheringa 8: 243-252.
6. Thulborn, R.A. (1989). The Gaits of dinosaurs. [W:] Dinosaur Tracks and Traces (Ed. D.D.Gillette & M.G.Lockley), str. 39-50. Cambridge University Press, Cambridge.
7. Thulborn, T. (1990). Dinosaur tracks. str. 410. Chapman and Hall, New York  
8. Dinosaur Speed Calculator http://www.sorbygeology.group.shef.ac.uk/DINOC01/dinocal1.html 
9. Rekonstrukcje 3D dinozaurów http://www.cv.tu-berlin.de/menue/abgeschlossene_projekte/3d_rekonstruktion_von_dinosauriern/fruehere_arbeiten/brachiosaurus_brancai/ 
10. Fot. w nagłówku: Deutsche Post AG Public Domain 

Czytaj więcej

Następna Pangea

Trzęsienia Ziemi, wybuchy wulkanów stale przypominają nam, że nasza planeta żyje. To wewnętrzne, burzliwe życie nieodmiennie prowadzi do przemieszczania się skorupy kontynentalnej, do ruchu kontynentów. Dokładne pomiary tempa przemieszczania się kontynentów pokazały, że w niektórych przypadkach prędkość może dochodzić nawet do 20 cm/rok. Takie tempo osiąga przyrost skorupy oceanicznej na południowym Pacyfiku. Łatwo sobie wyliczyć, że w ciągu ostatnich 100 lat dwa punkty w tamtym regionie oddaliły się od siebie o 20 metrów.
Nie wszędzie jednak jest tak drastycznie, np. Ameryka Północna odjechała od Europy od czasu I wojny światowej tylko ok. 2 m. Jeśli ktoś chce się naocznie przekonać czy tak jest, może się wybrać na Islandię, która leży dokładnie na środku grzbietu śródatlantyckiego i lewa strona Islandii ciągnie w stronę Ameryki, a prawa w stronę Europy. Są tam rozpadliny, które stale się powiększają, gdzie po jednej stronie mamy Amerykę a po drugiej Europę. Tam można zobaczyć wspomniane, 2m szczeliny powstałe w ciągu ostatnich 100 lat.
Wnioski płynące z powyższego wydają się oczywiste: konfiguracja lądów zmienia się w czasie. Na podstawie wielu wskazówek: paleontologicznych, sedymentologicznych i paleomagnetycznych udało nam się zrekonstruować pozycję lądów w minionych epokach geologicznych. Kontynenty, które wtedy istniały uzyskały swoje nazwy. Do najważniejszych kontynentów, które kiedyś były na Ziemi należą m.in. Gondwana obejmująca dzisiejsze kontynenty południowe (Amerykę Pd., Australię, Antarktydę, Afrykę i płw. indyjski) oraz Pangea. Pangea nazywana jest superkontynentem bo składała się z wszystkich ówczesnych płyt kontynentalnych połączonych razem. Tak działo się w permie, czyli ponad 250 mln lat temu.
Po rozwikłaniu zagadki konfiguracji minionych lądów, nadeszła pora na próby przedstawienia wyglądu Ziemi w przyszłości.

Czytaj więcej

SEPM Sequence Stratigraphy Web

Tytułowa strona www została stworzona i prowadzona przez Christophera Kendalla, emerytowanego już profesora University of South Carolina, twórcę programów do modelowania basenów STRATA i SEDPAK. Od pewnego czasu znajduje się jednak pod egidą SEPM (Society for Sedimentary Geology) i ostatnio można ją znaleźć pod adresem www.sepmstrata.org. Website należy zaliczyć do geologicznych klasyków internetu. Znaleźć tu można prawie wszystko co dotyczy sedymentologii (szczególnie węglanów) oraz stratygrafii sekwencji i modelowania basenów 2D i 3D (nie mylić z 4D). Mocną stroną są pouczające ilustracje i filmy z symulacjami zmian warunków sedymentacji. Jest też sporo ćwiczeń (wraz z rozwiązaniami) dla początkujących adeptów stratygrafii sekwencji. Można skorzystać także z dostępu do literatury w postaci plików PDF oraz prezentacji, filmów, materiałów konferencyjnych. Jedyne co mógłbym zarzucić tej stronie, to niezbyt czytelne poruszanie się po rozlicznych opcjach, w których gąszczu łatwo się zgubić. Czasem trzeba przeładować stronę, bo menu z lewej strony nie rozwija się do końca. Szkoda, bo włożono mnóstwo pracy w tę stronę i można było dołożyć parę godzin na dopracowanie tego menu. No i martwi brak bieżących aktualizacji. Notka aktualizacyjna w stopce strony podaje grudzień 2009 r. ale jak zauważyłem, to chyba nic ważnego nie przybyło od 5-6 lat. Ogólnie daję 9,9 pkt na 10 możliwych i polecam naturalnie każdemu.

Czytaj więcej