5.6 חום פנימי ופעילות גיאולוגית

החום הוא המקור העיקרי לאנרגיה המניעה פעילות גיאולוגית על כל כוכב לכת. החום הפנימי של כדור הארץ, נוצר על ידי רדיואקטיביות, הוא "המנוע" המניע את הפעילות הגיאולוגית של הפלנטה. הרי געש, למשל, מתפרצים כי החום בתוך כדור הארץ ממס את הסלעים ויוצר אספקה ​​של לבה מותכת; את מגמה צפופה פחות מאשר הסלעים שסביבה, כך שהיא נוטה לעלות אל פני השטח. רעידות אדמה נגרמות גם על ידי לחץ הקשור בתנועות של סלע מותך. ללא רדיואקטיביות, פני כדור הארץ היו מתקררים מזמן. הרי געש יחדל לפעול, ולא יהיו רעידות אדמה. כדור הארץ ימות מבחינה גיאולוגית.

פעילות רדיואקטיבית היא אחד המקורות העיקריים של חום בפנים כדור הארץ. כיצד מינרלים רדיואקטיביים בתוך הפלנטה מייצרים חום? תארו לעצמכם אטום של יסוד רדיואקטיבי קבור בתוך כדור הארץ. כאשר האטום נשבר במהלך תהליך של דעיכה רדיואקטיבי, הוא יורה חלקיקים תת אטומיים ופוטונים אנרגתיים החוצה ואלה פוגעים בחומר הסמוך אליו. כשם ששברי כדור ביליארד מתפוצצים עלולים להניע את הכדורים השכנים, הריסות האטום המתפוצצות פוגעות באטומים אחרים ומגבירות את תנועותיהן. הטמפרטורה היא מדד למהירות חלקיקים, כך נוצרת תנועה מוגברת המתבטאת בעלית הטמפרטורה. חומר רדיואקטיבי הוא אפוא מקור אנרגיה, והוא מחמם את פנים כדור הארץ, שבו הוא לכוד.

החימום שיוצרים יסודות רדיואקטיביים בתוך כדור הארץ מסביר מדוע מודלים מוקדמים של כדור הארץ, המבוססים על זמן הקירור, היו קצרים מדי. כפי שניוטון ובופון הראו, כדור הארץ היה מתקרר לחלוטין בתוך מיליוני שנים, אם לא הייתה מתקיימת פעילות רדיואקטיביות. אבל בעקבות חימום פנימי, המתקיים במעמקי כדור הארץ, הוא נשמר חם אלפי פעמים יותר – כמה מיליארד שנים.

כלל, כוכבי הלכת מייצרים חום בהתאם לגודלם. אטומים רדיואקטיביים דועכים בתוכם, ותהליכי הולכה והסעה מעבירים את החום מבפנים אל פני השטח. לפלנטות גדולות יותר יש כוח הכבידה חזק יותר. הלחץ הנוצר בשל כוח הכבידה יוצר חלק פנימי במצב מותך שיכול לגרום לפעילות גיאולוגית. כמו כן, ככל שהפלנטה גדולה יותר, כך לוקח זמן רב יותר לחום פנימי להגיע אל פני השטח. אין כאן תעלומה – אם אתה מוציא סלע גדול וסלע קטן מתוך מדורה, הקטן יתקרר מהר, בעוד שהגדול יישאר חם לאורך זמן. פלנטות מתנהגות בדרך דומה.

הרעיון הפשוט של יחס ישר בין החום הפנימי לבין  גודל הפלנטה מסייע בהבנת האבולוציה הפלנטרית, שכן הפעילות הגיאולוגית על פני הפלנטה מונעת על ידי חום הבוקע מבפנים. גוף פלנטרי קטן מתקרר מהר מאוד, וחלקו הפנימי מייצר מעט חום כי יש בו פחות חומר רדיואקטיבי. לכן, על פני השטח של כוכב לכת קטן יראו אינספור מכתשים שנותרו מהפגזות  שקרו בזמן היווצרות מערכת השמש. מאידך גיסא, גוף פלנטרי גדול שומר על החום הפנימי לאורך זמן רב יותר, ובתוכו נוצרת אנרגיה רבה כתוצאה מפעילות מסה גדולה יותר של חומר רדיואקטיבי. חום פנימי זה יניע פעילות געשית וטקטונית לוחות, אשר מעצבים מחדש את פני השטח. לכן, פני השטח של כוכב לכת גדול יראו צעירים וניתן לפגוש בהם פחות מכתשים.

קצב ודרך ​​העברת חום ממרכז כדור הארץ אל פני השטח שולטים על רמת הפעילות הגיאולוגית בפני השטח. אם הפלנטה הוא קטנה ומקוררת, מרכזה אינו חם יותר מאשר פני השטח, ומעבר החום יכול להתבצע מבפנים החוצה על ידי הולכה. לעומת זאת, אם כוכב לכת גדול ונוצרת בקרבו אנרגיה רבה כתוצאה מפעילות רדיואקטיבית, המרכז יהיה חם הרבה יותר מאשר פני השטח. הפרש הטמפרטורה הגדול  בין המרכז לפני השטח גורם להסעה החומר במעטפת, שהיא תנועת מסה אטית של חומר חם במצב פלסטי. אם החומר המותך חם דיו, שכבות הסלע הפנימיות של כוכב לכת יכולות למעשה לזרום לאט. תימרות אש ועשן חמות של חומר הסעה עולות באסתנוספירה ויוצרות "נקודות חמות" מתחת לליתוספירה. כתמים חמים שכאלה יוצרים הרי געש. איי הוואי הם דוגמה לתופעה זו בכדור הארץ. הר הגעש על-ענק ונוס במאדים עשוי גם הוא להיות ממוקם מעל נקודות חמות שנוצרו על ידי הסעה. לכוכב לכת קטן יותר עם פנים קרות יש פחות חום פנימי כדי ליצור תנועת הסעה במעטפת, וכן פחות אנרגיה פנימית כדי להניע פעילות סיסמית, טקטונית או הרי געש.

 

רעיונות פשוטים של יצירת חום והעברתו בתוך כוכבי הלכת מאפשרים לנו להבין את ההבדלים בתכונות גיאולוגיות מפלנטה אחת לשנייה. אם נרשום את הגופים הפלנטריים הארציים בסדר גודל הולך וגדל, נראה הלכה למעשה את מה שהיינו מצפים, התקדמות לעבר משטחים צעירים ופעילות גיאולוגית רבה יותר.

·         דימוס – קר כולו – מצולק במכתשים

·         פובוס – קר כולו – מצולק במכתשים

·         הירח – קר כמעט כולו – מצולק במכתשים במרבית פניו, קיימים זרמי לבה קפואים.

·         מאדים – ספק אם נותר חום בתוכו. מחצית הפלנטה ממוכתשת, מחציתה האחרת מכוסה בלבה. קיימים גם כמה הרי געש צעירים (כ- 500 מיליון שנים).

·

נוגה – עדיין חמה, מעט מכתשי פגיעה. פעילות ולקנית חזקה, מכוסה בשכבות לבה צעירות חלק ומוערך ב- 0.7 מיליארדי שנים.

·         ארץ – עדין חמה, מעט מכתשי פגיעה. הרי געש פעילים וקיימת טקטונית לוחות (גיל הקרום כ- 400 מיליון שנים).

הכלל כי כוכבי הלכת הגדולים נשארים חמים במשך זמן רב יותר. אין דבר המעקב את חום השמש מלהגיע לפלנטה מבחוץ. אך השמש היא מקור חום דומיננטי רק עבור המטר העליון של פני שטח הפלנטה; שכבה זו מתחממת ביום ומתקררת בלילה. חום השמש אינו חודר יותר מטרים ספורים לתוך כדור הארץ. כידוע, האוויר בתוך המערה נשאר באותה טמפרטורה כל  שעות היום, ואפילו לאורך כל השנה, כי שכבות הסלע שמסביבו מבודדות את המערה. בדומה לכך, החלק הפנימי של כוכב הלכת מבודד. החום בתוך כוכב לכת הממס סלעים ויוצר לבה וולקנית מגיע כמעט כולו ממקורות החום בתוך הפלנטה עצמה, לא מן השמש (למרות שהיסודות הרדיואקטיביים המייצרים את החום נוצרו בעבר במהלך התפוצצות כוכבים הנקראת סופרנובה).

כדי שיהיה חום פנימי משמעותי, כוכב לכת חייב להיות גדול מספיק, כדי שיהיה בקרבו די חומר רדיואקטיבי, וכדי שיוכל לספק בידוד השומר על החום הנוצר בתוכו. לאסטרואידים קטנים, למשל, אין מספיק חום פנימי כך שיוכלו להיות פעילים מבחינה גיאולוגית. עם זאת, קיים מקור אנרגיה אשר השפיע על כל כוכבי הלכת, ללא קשר לגודלם. זמן קצר לאחר שנוצרו, כל אחד מכוכב הלכת התחמם חלקית בעזרת אינספור סלעי ענק (planetesimals) שהתרסקו לתוכו. היה זה חומר שנותר מהיווצרות מערכת השמש, והאנרגיה הקינטית של סלעים אלה הפכה לאנרגיה תרמית כתוצאה מהתנגשות עם הפלנטה. תופעה זו מסבירה מדוע אנו מוצאים מטאוריטים, שמקורם באסטרואידים, אשר שינו צורתם  בהשפעת חום גבוה – האסטרואיד שממנו באו היה גדול מספיק כדי שלא יותך לחלוטין, אך הפגיעה גרמה לכך שחלקים מפניו יותכו.

מקור נוסף של אנרגיה תרמית זה שאינו תלוי בגודל הפלנטה הוא חימום הנוצר בשל תופעת גאות ושפל. ירחו הקרוב של צדק איו (Io) הוא גוף פעיל ביותר מבחינה גיאולוגית במערכת השמש, גודלו בערך כגודל הירח של כדור הארץ. גודל זה קטן מדי מכדי שיהיה ובו  חימום רדיואקטיבי משמעותי. במקום זאת, כוח הכובד המאסיבי של צדק מפעיל לחץ עצום בחלק הפנימי של איו. החיכוך הנוצר מחמם את איו מבפנים.