Lesson learning outcomes:

By the end of this lesson, you should be able to:

1.   Describe the basic layers of the Earth.

2.   Explain how we understand the structure of the Earth’s interior.

3.   Explain how the Earth’s thermostat works.

9.1 Earth’s geology

We can understand a lot about the geology and formation of other planets by looking at Earth. The Earth is the largest of the 5 terrestrial planets and has sufficient internal heat that it remains geologically active. One of the things that makes Earth so unique though is the presence of tectonic plates. Earth also has a Moon, as we know, and this Moon is about ¼ of the diameter of Earth, which is quite large for a moon!

The structure of the Earth (and, in fact, the other terrestrial planets) is structured as such:

•    Core: inner-most part of a planet consisting of high-density metals (e.g., nickel, iron). Earth has a solid inner core (kept solid due to high pressures) and a liquid outer core.

•    Mantle: one layer above the core consisting of rocky materials that are not as dense as the core.

•    Crust: one layer above the mantle consisting of rocky materials less dense than the mantle. A region that is part of the crust and mantle is a rigid layer called the lithosphere. The lithosphere is rigid rock that essentially floats on the softer rock beneath.

You’ll notice that there is a clear pattern of how terrestrial planet inner layers are structured: denser materials to the core with less dense materials on top. This process is called differentiation. We mentioned above that the mass of Earth plays a role in its internal heat. This is true, but other factors also contribute to the Earth’s internal heating. These factors include differentiation: as denser material sinks and displaces less dense material, conservation of energy says that as the material loses gravitational potential energy, it must be converted into some other form, which is typically heat due to friction as material passes one another. Accretion of material onto the surface and radioactive materials can also contribute to heating.

How do we know what is underneath the Earth’s crust?

Great question! The cool thing is that we can answer this question and we don’t have to dig or drill into the Earth!

Most of the information we know about the Earth’s interior comes from seismic activity: Earthquakes! The way that seismic waves travel through the Earth gives us an indication of the Earth’s inner structure. There are two types of waves: p and s waves. P waves, or primary waves, are compression waves (like sound waves!) , meaning that the material moves backwards and forth in the direction of travel, and that’s how the wave propagates. P waves are the first to arrive after an earthquake and can travel through almost any material. S waves, or secondary waves, are transverse waves, meaning that the material moves up and down in a direction that is at right angles to the direction of motion. S waves cannot travel through all materials: it is more difficult for a wave to travel through liquids than solids because the particles are more loosely bound. When an earthquake occurs in the Earth, s waves do not propagate to the other side of the Earth, which tells us that part of the Earth’s interior must be liquid.

Figure from the Cosmic Perspective. Slinky examples demonstrating P and S waves.

Because S waves do not reach the side of Earth opposite an earthquake, we infer that part of Earth’s core is liquid.

We mentioned in the stars topic about energy transfer mechanisms. Within the Earth, all three mechanisms (conduction, convection, and radiation) are occurring. Convection occurs within the mantle. Conduction carries that energy and heat through the rigid lithosphere. Radiation occurs at the surface.

Planetary magnetic fields are also related to internal heat via the presence of a liquid metal core. Earth’s magnetic field is created in a similar way to an electromagnet: a magnetic field is created as electrons move through a coiled wire. As convection occurs in the molten outer core and Earth rotates, electrons move and drive Earth’s magnetic field.

9.2 Earth’s atmosphere

Of the terrestrial planets, Mercury has the thinnest atmosphere, followed by Mars, Earth, then Venus. Atmospheres are the basis of weather on a planet, including wind and possible storms. They are also responsible for surface pressure. The pressure that we experience on the surface of the Earth is due to the weight of the atmosphere particles above us. This pressure, along with other factors such as the mass of the planet, the temperature on the surface, and density of the particles, dictates whether an element will be a liquid, solid, or gas on the surface. You can think of it like this: a planet with a higher mass has a higher gravitational force, which attracts gas particles in the atmosphere more strongly to the surface. Higher mass planets also tend to have more particles in their atmospheres for this same reason. When this happens, there is a higher density of particles near the surface. A higher density of particles mean they collide more frequently, which is what causes the pressure.

Why aren’t we explicitly aware of the presence of an atmospheric pressure? That’s because it acts on all sides of our body and our body exerts an equivalent force outward, balancing it out. We do notice changes in pressure, such as when we dive in a pool or ocean, or when we travel to high altitudes and our ears “pop” .

Atmospheres are surprisingly thin compared to the size of the planet . Atmospheres are comprised of individual atoms or  molecules:  it  is  typical  that  molecules  are  present  (combinations  of  elements/atoms).  Molecules  exist  when temperatures are sufficiently low.

Atmospheres are incredibly important to planets, specifically Earth. Let’s go through a few now.

Greenhouse effect

The greenhouse effect is probably the most important thing that our atmosphere can do for us. We will not go into the greenhouse effect and global warming, as that is something you can explore during your assessments. A Ted Ed video about climate change can be foundhere.

Without the greenhouse effect, Earth would be too cold for liquid water to exist on the surface and life on Earth would be remarkably different (colder). As visible light passes through the atmosphere, some is reflected by clouds or the surface, while some is absorbed by the surface. The surface, as we said before, radiates energy in the form of infrared radiation. The impressive greenhouse effect happens to this infrared radiation. Greenhouse gases in the atmosphere are particularly good at absorbing and re-emitting infrared radiation due to their molecular structures. These gases include water, carbon dioxide, and methane.

Figure 10.6 from The Cosmic Perspective. The yellow arrows represent visible light, the red arrows represent infrared

light, and the blue dots represent greenhouse gas molecules.

A planet’s distance from the Sun as well as its reflectivity will affect how much light (energy) a planet receives and how much is reflected from the surface. You can conceptually understand this by recalling what it is like to wear a black shirt on a sunny day compared to a white shirt. Which colour of shirt reflects more energy, and which absorbs more?

Taking a step back, the structure of Earth’s atmosphere also tells an interesting story. The temperature of Earth’s uppermost atmosphere, the exosphere, is very high because it is heated by x-rays and UV radiation and the molecules can escape to space. The density of the atmosphere is low and the particles travel at high speeds. Lower down, the thermosphere, temperatures drop as we head closer to the surface. The gases are ionised and UV light passes through. The stratosphere is heated by UV radiation. Since Earth’s atmosphere contains a lot of oxygen, there is also significant amounts of ozone in the stratosphere that absorbs the UV radiation. The troposphere is where the greenhouse effect is functioning.

Figure 10.7 from The Cosmic Perspective. Earth’s average atmospheric structure.

The atmosphere is why the sky is blue. Light travels in straight lines, and the daytime sky would not be as bright if the light wasn’t scattered. Even though the Sun appears yellow, we receive light of all wavelengths from the Sun. Blue light is scattered more than red light, which is why the sky appears to be blue. Red light passes to the surface in relatively straight lines but blue light scatters everywhere. This is also why sunsets are red. At sunset, the light must pass through more of the atmosphere. The blue light has all scattered and it is only the red light that makes it to our eyes.

Magnetosphere

As we know, the Earth has a magnetic field . This magnetic field creates a magnetosphere that protects us from charged particles from the Sun. Some particles still make it through, and these charged particles create aurora by interacting with particles in the Earth’s atmosphere.

Aurora Slathers Up the Sky. Image Credit: Jack Fischer, Expedition 52, NASA. The orbital scene was captured while

passing over a point south and east of Australia, with stars above the horizon at the right belonging to the

constellation Canis Major, Orion's big dog. Sirius, alpha star of Canis Major, is the brightest star near the Earth's limb.

The presence of oxygen

Earth’s atmosphere is particularly unique because of how much oxygen it contains. The reason Earth’s atmosphere contains so much oxygen is the presence of life. Plants and other organisms release oxygen through photosynthesis. It took a long time for Earth to accumulate significant amounts of oxygen.