Yer'in iç yapısı

Akşam yemeğinde Ece haşlanmış yumurtayı soyarken küçük kardeşi soruyor: «Abla, Dünya'nın içi ateş mi?» Ece «Erimiş kaya» diyecek oluyor, sonra duraksıyor. Ertesi gün ders kitabında iki sayı yan yana duruyor: insanın açtığı en derin sondaj kuyusu yaklaşık 12 kilometreye inebilmiş, Dünya'nın merkezi ise yüzeyden yaklaşık 6.370 kilometre uzakta. Kimse oraya gitmemiş, oradan bir parça kaya getirmemiş. Peki kitaplar merkezin katı, onu saran kuşağın sıvı olduğunu nereden biliyor? Bu derste o yumurtanın kabuğunu, akını ve sarısını Dünya ölçeğinde açıyor, cevabın depremlerden geldiğini görüyoruz.

• Yerkabuğu, manto, dış çekirdek ve iç çekirdeği derinlik, hâl ve bileşim bakımından karşılaştırırsın.
• Kıtasal ve okyanusal kabuğu sial ve sima kavramlarıyla ayırt edersin.
• Litosfer ile yerkabuğu arasındaki farkı ve astenosferin yerini bir kesit üzerinde gösterirsin.
• Derine inildikçe sıcaklık, basınç ve yoğunluğun nasıl değiştiğini deprem dalgalarıyla elde edilen bilgiye bağlarsın.

Yumurta benzetmesi ve sınırı

Haşlanmış bir yumurtayı ortadan kesince içte sarı, onun çevresinde ak, en dışta ince bir kabuk görürsün. Dünya'nın içi de buna benzer biçimde iç içe geçmiş kuşaklardan oluşur: dışta yerkabuğu, altında manto, en içte çekirdek. Benzetme bir noktada aksar ve bu nokta önemlidir: yumurtanın kabuğu bütününe göre epey kalındır, oysa yerkabuğu Dünya'nın boyutuna göre bir elma kabuğundan bile incedir. Bir başka fark da çekirdeğin kendi içinde ikiye ayrılmasıdır; dışı sıvı, içi katıdır.

Bu kuşaklar rastgele dizilmemiştir. Dünya oluşurken eriyik hâldeki maddenin ağır olanı merkeze doğru çökmüş, hafif olanı yüzeye yakın kalmıştır. Bu yüzden içeri doğru her katman bir öncekinden daha yoğundur.

Yerkabuğu: kıtasal ve okyanusal

Üzerinde yürüdüğümüz, dağların, ovaların ve okyanus tabanının yer aldığı katı kuşak yerkabuğudur. Bu kuşağın kalınlığı yerden yere değişir. Okyanusların altında yaklaşık 5–10 km'dir. Kıtaların altında ortalama 35 km dolayındadır; yüksek sıradağların altında bu değer iki katına yaklaşabilir. Kalınlığın değişmesi kabuğu iki türe ayırır.

Kıtasal kabuk kıtaları oluşturur. Daha kalın, daha hafif ve daha açık renkli kayaçlardan yapılmıştır. Ders kitaplarında üst kısmına sial adı verilir; ad, bu bölümde bol bulunan silisyum (Si) ve alüminyumun (Al) baş harflerinden türetilmiştir. Sialin yoğunluğu yaklaşık 2,7 g/cm³ alınır. Granit bu kesimin tipik kayacıdır.

Okyanusal kabuk okyanus tabanlarını oluşturur. İncedir, daha koyu renklidir ve biraz daha ağırdır. Buna da sima denir: silisyum (Si) ve magnezyumun (Mg) baş harfleri. Yoğunluğu 3 g/cm³ dolayındadır; bazalt bu kesimin tipik kayacıdır. Sima kıtaların altında da sürer: kıtasal kabukta sial üstte, sima altta durur. Okyanus tabanında ise sial katmanı bulunmaz.

Kabuk ile manto arasındaki sınır, deprem dalgalarının hızının birdenbire arttığı bir yüzeydir. Ders kitapları bu yüzeyi onu bulan bilim insanının adıyla Moho süreksizliği diye anar.

Manto: Yer'in en hacimli kuşağı

Kabuğun tabanından yaklaşık 2.900 km derinliğe kadar uzanan kuşak mantodur. Dünya'nın hacminin en büyük bölümünü o kaplar. Demir ve magnezyumca zengin silikat kayaçlardan oluşur. Manto «erimiş bir ateş denizi» değildir; büyük kısmı katıdır. Ancak bu katı, çok uzun zaman içinde, sıcak bir mumun bükülmesi gibi yavaşça şekil değiştirebilir.

Üst mantonun belli bir derinliğinde sıcaklık kayaçların erime noktasına yaklaşır. Burada kayaçlar kısmen erimiş, yumuşak ve yarı akışkan (plastik) bir hâl alır. Bu kuşağa astenosfer denir. Volkanlardan çıkan erimiş kayaç malzemesinin, yani magmanın kaynağı genellikle bu derinliklerdir. Astenosferde ısınan madde yükselir, soğuyan madde alçalır; bu dolaşım konveksiyon olarak bilinir. Ocakta ısınan bir tencere çorbada dipten yükselip kenarlardan inen akıntı aynı ilkeyle çalışır. Bu akımların yüzeye etkisi ayrı bir dersin konusudur; burada yalnız yerlerini işaretliyoruz.

Litosfer: kabuktan daha fazlası

Dört doğal sistemi tanırken litosferi «taş küre» diye adlandırmıştık. Yer'in iç yapısına bakınca bu kavram keskinleşir. Litosfer yalnız yerkabuğu demek değildir; yerkabuğu ile üst mantonun astenosfer üzerindeki katı, sert kısmının toplamıdır. Kalınlığı ders kitaplarında yaklaşık 100 km olarak verilir; okyanus altında daha ince, kıtaların altında daha kalındır.

Bu ayrım sınavda sık sorulur: litosfer sert ve kırılgandır, hemen altındaki astenosfer ise yumuşak ve yavaşça akabilir. Sert bir tabakanın yumuşak bir tabakanın üstünde durması, dışarıdaki katı kuşağın kımıldayabilmesinin ön koşuludur.

Çekirdek: sıvı dış, katı iç

Mantonun altında, yaklaşık 2.900 km'den merkeze kadar çekirdek bulunur. Başlıca bileşenleri demir ve nikeldir; ders kitaplarında bu yüzden nife (Ni + Fe) adıyla da geçer. İki bölümü vardır.

Dış çekirdek yaklaşık 2.900 ile 5.100 km arasındadır ve sıvıdır. Dünya'nın manyetik alanının bu sıvı metalin hareketiyle oluştuğu düşünülür; pusulanın kuzeyi göstermesini bu kuşağa borçluyuz.

İç çekirdek yaklaşık 5.100 km'den merkeze, 6.370 km'ye kadar uzanır ve katıdır. Burası Dünya'nın en sıcak yeridir; sıcaklığın 5.000 °C'yi aştığı tahmin edilir. O hâlde neden erimiyor? Çünkü üstündeki bütün kütlenin yarattığı basınç o kadar büyüktür ki atomlar sıvı hâle geçecek kadar serbest kalamaz. İç çekirdeği katı tutan şey soğukluk değil, basınçtır.

Derine inildikçe değişen üç büyüklük

Yüzeyden merkeze doğru üç büyüklük birlikte artar:

• Sıcaklık: Maden ocaklarında ve sondajlarda ölçülen artış, yüzeye yakın ilk kilometrelerde ders kitaplarında ortalama olarak her 33 metrede yaklaşık 1 °C diye verilir. Bu artış daha derinde yavaşlar; aynı oranı merkeze kadar sürdürmek yanlış sonuç verir.
• Basınç: Her derinlikte üstteki kayaçların ağırlığı birikir; merkezde en büyük değerine ulaşır.
• Yoğunluk: Kabukta yaklaşık 2,7–3 g/cm³ olan yoğunluk çekirdekte bunun birkaç katına çıkar. Dünya'nın ortalama yoğunluğu yaklaşık 5,5 g/cm³'tür; yüzey kayaçlarından çok yüksek olan bu ortalama, içeride çok ağır bir madde bulunduğunun ilk ipucuydu.

Deprem dalgaları: içeriyi görmenin yolu

Derinliği 12 km'yi aşamayan bir kuyuyla 6.370 km'lik bir yarıçapı ölçemeyiz. İçeriyi bize depremler anlatır. Bir depremde odaktan her yöne dalgalar yayılır ve dünyanın dört bir yanındaki istasyonlar bunların ne zaman, hangi hızla ulaştığını kaydeder. Ders kitabı düzeyinde iki tür bilmek yeter:

• P dalgaları (birincil dalgalar) en hızlı olanlardır; katıdan da sıvıdan da geçerler.
• S dalgaları (ikincil dalgalar) daha yavaştır ve yalnız katı ortamda ilerler; sıvıya girince sönerler.

Gözlem şudur: S dalgaları yaklaşık 2.900 km derinliğe kadar inip orada kaybolur. Bu sınırın altındaki kuşak onları geçirmediğine göre sıvı olmalıdır; dış çekirdeğin sıvı olduğu bilgisi buradan gelir. P dalgaları ise bu sınırda yön değiştirip yavaşlar; bu kırılma yüzünden yeryüzünde bazı istasyonlar belli bir depremin doğrudan dalgalarını hiç kaydetmez. Bu sessiz kuşağa gölge kuşağı denir. Daha derinde P dalgalarının yeniden hızlanması, merkezdeki bölümün tekrar katı olduğunu gösterir. Kısacası katmanların sınırları, dalgaların hız ve yön değiştirdiği yüzeylerdir.

Sözel harita: kesiti kâğıda çizmek

Pergeli 6,4 cm açıp bir daire çiz; ölçeğin 1 cm = 1.000 km olsun. Bu dış çember yeryüzüdür. Merkez noktasından 3,5 cm uzağa ikinci bir çember çiz: içi çekirdek, dışı mantodur. Merkezin hemen çevresine 1,3 cm yarıçaplı üçüncü bir çember çiz ve içini koyu tara: iç çekirdek. İki iç çember arasındaki halkaya «sıvı» yaz: dış çekirdek. Şimdi kabuğu çizmeye çalış: 35 km bu ölçekte 0,35 mm eder, yani kalemin çizdiği dış çember zaten kabuktan kalındır. Dış çemberin hemen içine, yaklaşık 1 mm'lik ince bir halka daha çek: bu litosferdir. Kesitin sağ üst köşesine, yüzeyden içeri doğru bir ok koy ve yanına «sıcaklık, basınç, yoğunluk artar» yaz.

Kesitte göze ilk çarpan, mantonun kalınlığıdır: yüzeyden çekirdeğe kadar olan geniş halka. İkinci şey, yaşadığımız kuşağın ne kadar ince olduğudur.

Karşılaştırma tablosu

Derinlikler ders kitabı düzeyinde yaklaşık değerlerdir.

Tabloyu sütun sütun oku. Hâl sütunu katı, sıvı, katı diye değişir; yoğunluk ise içeriye doğru hep artar. Bu iki sütunu karıştırmamak sınavın en sık kurduğu tuzaktan kurtarır.

Sert kabuk yerinde duruyor mu?

Litosferin yumuşak astenosferin üzerinde oturduğunu, astenosferde de ısınıp yükselen, soğuyup alçalan bir dolaşım bulunduğunu gördük. Bu iki bilgiyi birleştiren soru kendiliğinden doğuyor: litosfer tek ve bütün bir kabuk mu, yoksa parçalara mı ayrılmış; parçalarsa, alttaki o yavaş akıntı onları nereye taşıyor ve parçaların birbirine sürtündüğü, ayrıldığı, çarpıştığı kenarlarda ne oluyor? Levha tektoniği adlı ders bu kenarları tek tek ele alacak.

Örnek 1 — Dalganın susması

Soru: Bir depremin kayıtlarında S dalgalarının yaklaşık 2.900 km derinlikte ilerleyemediği, P dalgalarının ise aynı sınırı geçtiği görülüyor. Bu gözlemden çıkarılabilecek en doğru sonuç hangisidir?

• A) Manto tamamen sıvıdır.
• B) İç çekirdek sıvıdır.
• C) Yerkabuğu okyanuslarda incedir.
• D) Dış çekirdek sıvı hâldedir.
• E) Sıcaklık derinlikle azalır.

Çözüm: S dalgası yalnız katıdan geçer; geçemediği yer sıvı olmalıdır. 2.900 km mantonun bittiği, dış çekirdeğin başladığı sınırdır. Manto bu sınırın üstündedir ve dalgalar oraya kadar ilerlemiştir, dolayısıyla A yanlıştır. İç çekirdek daha derindedir ve katıdır. Cevap: D.

Örnek 2 — Maden ocağında sıcaklık

Soru: Yüzey sıcaklığının 14 °C olduğu bir yerde açılan maden ocağının 660 m derinliğindeki galeride sıcaklık, ders kitabındaki ortalama artış oranıyla hesaplanınca kaç °C dolayında çıkar?

• A) 20
• B) 34
• C) 47
• D) 14
• E) 674

Çözüm: Yüzeye yakın kesimde 33 metrede bir derece artış alınır. 660 ÷ 33 = 20 derece artış; 14 + 20 = 34. A seçeneği artışı sonuç sanmanın, E ise metreyi dereceye eklemenin hatasıdır. Cevap: B.

Örnek 3 — Litosferin sınırı

Soru: Bir öğrenci defterine «Litosfer = yerkabuğu» yazmış. Bu tanımı düzelten ifade hangisidir?

• A) Litosfer, yerkabuğu ile üst mantonun katı kısmından oluşur.
• B) Litosfer, manto ile dış çekirdeğin toplamıdır.
• C) Litosfer yalnız okyanus tabanındaki simadır.
• D) Litosfer, astenosferin diğer adıdır.
• E) Litosfer, yalnız kıtalardaki sial katmanıdır.

Çözüm: Litosfer kabuğu içerir ama onunla bitmez; astenosferin üstündeki sert manto bölümünü de kapsar. Astenosfer yarı akışkandır ve litosferin altındadır, bu yüzden D yanlıştır. C ve E kabuğun yalnız bir parçasını tanımlar. Cevap: A.

Örnek 4 — En sıcak ama katı

Soru: İç çekirdek Dünya'nın en sıcak kesimi olduğu hâlde katıdır. Bu durumun temel nedeni hangisidir?

• A) İç çekirdeğin silisyum ve alüminyumdan oluşması
• B) Deprem dalgalarının iç çekirdeği soğutması
• C) İç çekirdekteki sıcaklığın mantodakinden düşük olması
• D) Konveksiyon akımlarının iç çekirdeğe ulaşması
• E) Üstteki kütlenin yarattığı çok yüksek basıncın erimeyi engellemesi

Çözüm: Sıcaklık eritmeye yeterli olsa da basınç maddeyi sıkıştırır ve sıvı hâle geçmesine izin vermez. Silisyum ile alüminyum kabuğun bileşenidir; iç çekirdek demir ve nikelden oluşur. C ise ders kitabı bilgisinin tersidir. Cevap: E.

• Litosferi yerkabuğuyla aynı saymak. Litosfer kabuğu ve üst mantonun sert bölümünü birlikte kapsar; yalnız kabuk değildir.
• Mantoyu baştan sona erimiş sanmak. Mantonun büyük kısmı katıdır; yarı akışkan olan, üst mantodaki astenosfer kuşağıdır.
• Hâl ile yoğunluğu aynı düzende sanmak. Yoğunluk içeriye doğru hep artar, hâl ise katı, sıvı, katı diye değişir; iç çekirdeğin katı olması onun daha soğuk olduğunu göstermez.
• Sial ile simayı yer değiştirmek. Sial (Si, Al) kıtaların üst kesimidir ve daha hafiftir; sima (Si, Mg) okyanus tabanını oluşturur ve kıtaların altında da sürer.
• 33 metre kuralını merkeze kadar uzatmak. Bu oran yüzeye yakın kesimin ortalamasıdır; aynı oranla hesaplanan merkez sıcaklığı gerçekçi değildir.
• İç yapı bilgisini sondajlara bağlamak. En derin kuyu birkaç on kilometreye bile ulaşmaz; katmanların hâli ve sınırları deprem dalgalarının davranışından çıkarılır.