هسته درونی زمین: هیچکس دقیقاً نمیداند از چه چیزی ساخته شده است
هسته غنی از آهن سیاره ما نقش حیاتی در تکامل زمین ایفا کرده است. این هسته نه تنها میدان مغناطیسی را تولید میکند که اتمسفر و اقیانوسهای زمین را در برابر تشعشعات خورشیدی محافظت کرده، بلکه بر حرکت صفحات تکتونیکی نیز تأثیر میگذارد که بهطور مداوم قارهها را جابجا کردهاند.
با این حال، با وجود اهمیت بالای آن، بسیاری از بنیادیترین ویژگیهای هسته زمین هنوز ناشناخته باقی مانده است. ما دقیقاً دمای هسته را نمیدانیم و همچنین نمیدانیم ترکیب شیمیایی آن چیست و چه زمانی فرآیند انجماد آن آغاز شده است. خوشبختانه، یک کشف جدید، ما را به پاسخ این سه معمای بزرگ بسیار نزدیکتر کرده است.
دمای هسته داخلی زمین بهطور تقریبی حدود ۵,۰۰۰ کلوین (۴,۷۲۷ درجه سانتیگراد) برآورد میشود. هسته در گذشته بهصورت مایع بوده اما با گذر زمان سرد شده و به حالت جامد درآمده و در فرآیند سرد شدن، به سمت بیرون گسترش یافته است. با سرد شدن، گرما را به گوشته بالای خود منتقل میکند که این انرژی سبب ایجاد جریانهایی میشود که نیروی محرک حرکت صفحات تکتونیکی هستند.
همین فرآیند سرد شدن میدان مغناطیسی زمین را تولید میکند. بیشتر انرژی میدان مغناطیسی امروز از انجماد بخش مایع هسته و رشد هسته جامد در مرکز زمین ناشی میشود. با این حال، از آنجا که دسترسی مستقیم به هسته ممکن نیست، ما مجبوریم ویژگیهای آن را برآورد کنیم تا بتوانیم روند سرد شدن آن را درک کنیم.
یک بخش کلیدی در درک هسته، دانستن دمای ذوب آن است. ما مرز بین هسته داخلی جامد و هسته خارجی مایع را از طریق زمینلرزهشناسی میدانیم. دمای هسته در این مرز باید برابر با دمای ذوب آن باشد، زیرا این همان جایی است که هسته منجمد میشود. بنابراین، اگر بتوانیم دمای ذوب را با دقت تعیین کنیم، میتوانیم اطلاعات بیشتری درباره دمای واقعی هسته و ترکیب شیمیایی آن به دست آوریم.
بهطور سنتی، دو روش برای تعیین ترکیب هسته وجود دارد: شهابسنگها و زمینلرزهشناسی. با بررسی شیمی شهابسنگها که تصور میشود قطعاتی از سیارههایی باشند که هرگز تشکیل نشدهاند یا بخشهایی از هسته سیارههای زمینمانند نابود شده هستند، میتوانیم ایدهای از ترکیب احتمالی هسته زمین به دست آوریم.
مشکل این است که این روش تنها یک دید تقریبی ارائه میدهد. شهابسنگها نشان میدهند که هسته باید از آهن و نیکل تشکیل شده باشد و احتمالاً چند درصد سیلیکون یا گوگرد نیز در آن موجود است، اما تعیین جزئیات دقیقتر بسیار دشوار خواهد بود.
در مقابل، زمینلرزهشناسی حوزهای بسیار دقیقتر است. وقتی امواج صوتی ناشی از زمینلرزهها درون زمین حرکت میکنند، سرعت آنها بسته به موادی که از آن عبور میکنند، افزایش یا کاهش مییابد. با مقایسه زمان سفر این امواج، از نقطه وقوع زمینلرزه تا لرزهنگار، با سرعت حرکت امواج در مواد معدنی و فلزات در آزمایشگاهها، میتوانیم تصویری از ترکیب درونی زمین به دست آوریم.
نتایج نشان میدهد که این زمانهای سفر امواج ایجاب میکند که چگالی هسته زمین حدود ۱۰% کمتر از آهن خالص باشد و همچنین هسته بیرونی مایع، از هسته داخلی جامد چگالتر است. تنها برخی ترکیبات شیمیایی شناختهشده هسته قادر به توضیح این خواص هستند.
با این حال، حتی در میان یک انتخاب محدود از عناصر ممکن، دمای ذوب احتمالی میتواند صدها درجه متفاوت باشد و این مسئله ما را در شناخت دقیق خواص هسته به شک و ابهام وا میدارد.
در تحقیقات جدید، با استفاده از فیزیک مواد معدنی مطالعه شد که چگونه هسته ممکن است برای نخستین بار شروع به یخزدن کرده باشد و روشی نوین برای درک شیمی هسته کشف گردید. این روش به نظر میرسد حتی از زلزلهسنجی و شهابسنگها نیز دقیقتر باشد.
شبیهسازی نحوه کنار هم قرار گرفتن اتمها در فلزات مایع برای تشکیل جامدات نشان داده که برخی آلیاژها نیاز به «فوقسردسازی» شدیدتری نسبت به دیگران دارند. فوقسردسازی حالتی است که در آن یک مایع زیر دمای ذوب خود سرد میشود. هرچه میزان فوقسردسازی بیشتر باشد، اتمها با احتمال بیشتری کنار هم جمع شده و مایع سریعتر منجمد میشود. به عنوان مثال، یک بطری آب در فریزر میتواند تا دمای -۵ درجه سانتی گراد برای ساعتها فوقسرد شود قبل از آنکه یخ بزند، در حالی که تگرگ در ابرها در دمای -۳۰ درجه سانتی گراد در چند دقیقه شکل میگیرد.
با بررسی تمامی دماهای ذوب ممکن برای هسته، دانشمندان دریافتند که حداکثر فوقسردی که هسته میتواند تجربه کند حدود ۴۲۰ درجه سانتی گراد زیر دمای ذوب است. اما آهن خالص برای انجماد نیاز به حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد فوقسردسازی دارد که غیرممکن است، زیرا در این صورت کل هسته منجمد میشود و با مشاهدات زلزلهشناسان مغایرت دارد.
افزودن سیلیکون و گوگرد، که هم شهابسنگها و هم زلزلهسنجی احتمال حضورشان در هسته را نشان میدهند، این مشکل را شدیدتر میکند و نیاز به فوقسردسازی بیشتری ایجاد میکند.
تحقیقات جدید تأثیر کربن در هسته را بررسی کرده است. اگر ۲.۴% جرم هسته از کربن تشکیل شده باشد، حدود ۴۲۰ درجه سانتی گراد فوقسردسازی برای شروع یخزدن هسته داخلی نیاز است. این اولین بار است که امکان یخزدن هسته نشان داده میشود. اگر محتوای کربن هسته ۳.۸% باشد، تنها ۲۶۶ درجه سانتی گراد فوقسردسازی لازم است که هنوز مقدار قابل توجهی بوده اما بسیار منطقیتر از حالت قبل به نظر میرسد.
این یافته جدید نشان میدهد که در حالی که زلزلهسنجی میتواند ترکیب شیمیایی هسته را به چند ترکیب مختلف محدود کند، بسیاری از این ترکیبها نمیتوانند حضور هسته داخلی جامد در مرکز زمین را توضیح دهند.
هسته نمیتواند صرفاً از آهن و کربن تشکیل شده باشد، زیرا خواص لرزهای هسته نیازمند حداقل یک عنصر دیگر است. تحقیقات نشان میدهد که احتمالاً مقداری اکسیژن و احتمالاً سیلیکون نیز در هسته حضور دارند.
این یافته یک گام مهم در جهت درک ترکیب هسته، نحوه آغاز یخزدگی آن و تأثیرش بر شکلدهی زمین از داخل به بیرون محسوب میشود.
