ما انسان ها در سراسر زمین بوده ایم و آن را فتح کرده ایم، از طریق هوا پرواز کرده و به عمیق ترین نقاط اقیانوس شیرجه رفته ایم و حتی به ماه نیز سفر کرده ایم. اما ما هرگز به هسته زمین حتی نزدیک هم نشده ایم. ما نمی توانیم به مرکز سیاره خودمان سفر کنیم اما این موضوع نمی تواند ما را متوقف کند تا دریابیم در مرکز زمین چه چیزی قرار گرفته است. در این مقاله بیشتر به بررسی هسته زمین می پردازیم تا دریابیم که در مرکز زمین دقیقا چه خبر است.
بررسی ساختار مرکز زمین
در واقع ما حتی به هسته زمین نزدیک هم نشده ایم تا دقیقا بدانیم در مرکز زمین چه چیزی قرار گرفته است. نقطه مرکزی زمین بیش از ۶۰۰۰ کیلومتر پایین است و حتی خارجی ترین قسمت هسته نیز تقریبا ۳۰۰۰ کیلومتر زیر پاهای ما است. عمیق ترین حفره ای که ما تا به حال در سطح زمین ایجاد کرده ایم، حفره Kola Superdeep Borehole در روسیه است و فقط ۱۲.۳ کیلومتر عمق دارد که در مقایسه با ارقام گفته شده تقریبا هیچ است.
تمام وقایع آشنا روی زمین نیز نزدیک به سطح زمین اتفاق می افتد. گدازه هایی که از آتشفشان ها بیرون می ریزند ابتدا فقط چند صد کیلومتر به پایین ذوب می شوند. حتی الماس ها که برای تشکیل به گرما و فشار شدید احتیاج دارند از سنگ هایی با عمق کمتر از ۵۰۰ کیلومتر منشا می گیرند.
با این که ما تا به حال هسته زمین را از نزدیک ندیده ایم و آن چه که در زیر همه چیز است برای ما با رمز و راز پوشیده شده و غیرقابل توصیف به نظر می رسد؛ اما ما اطلاعاتی درباره هسته زمین در دست داریم. ما حتی در مورد چگونگی شکل گیری آن در میلیاردها سال پیش ایده هایی داریم.
جرم هسته زمین
سایمون ردفرن از دانشگاه کمبریج در انگلیس می گوید: یک راه خوب برای شروع درباره این که بدانیم در مرکز زمین چه چیزی قرار گرفته است، فکر کردن در مورد جرم زمین است.
با مشاهده تأثیر گرانش سیاره بر روی اجسام سطح، می توان جرم زمین را تخمین زد. معلوم می شود که جرم زمین ۵.۹ تن سکتیلیون است. به زبان ساده تر این عدد برابر است با ۵۹ و ۲۰ صفر در مقابل آن.
ردفرن می گوید: “تراکم مواد در سطح زمین بسیار کمتر از متوسط چگالی کل زمین است، بنابراین این امر به ما می گوید که چیزی بسیار چگال تر وجود دارد.” “این اولین چیز است.”
اساساً، بیشتر جرم زمین باید به سمت مرکز سیاره واقع شود. مرحله بعدی این است که بپرسیم کدام مواد سنگین هسته را تشکیل می دهند. در این جا پاسخ این است که تقریباً بیشتر از آهن ساخته شده است. تصور می شود هسته تقریباً ۸۰٪ آهن باشد، هرچند که رقم دقیق مورد بحث است.
دلیل اصلی این امر وجود مقدار زیادی آهن در جهان پیرامون ما است. آهن یکی از ده عنصر رایج در کهکشان ما است و اغلب در شهاب سنگ ها یافت می شود.
با توجه به وجود مقدار زیادی از آن، آهن در سطح زمین بسیار کم تر از چیزی است که ما انتظار داریم. بنابراین تئوری مطرح این است که در هنگام تشکیل زمین در ۴.۵ میلیارد سال پیش، آهن بسیار زیادی به سمت هسته زمین کشیده شد.
این دقیقا همان جایی است که بیشتر جرم زمین وجود دارد و جایی است که بیشتر آهن نیز باید در آن باشد. آهن در شرایط عادی عنصری نسبتاً متراکم است. تحت فشار شدید هسته کره زمین خرد می شود و به تراکم بالاتری نیز می رسد. بنابراین یک هسته آهن تمام آن جرم از دست رفته را تشکیل می دهد.
اما در این جا سوالی ذهن ما را درگیر خود می کند:
چگونه این مقدار از آهن به آن جا رسیده است؟
آهن باید به طریقی به سمت مرکز زمین کشیده شده باشد. اما مشخص نیست که چگونه. بیشتر قسمت های دیگر کره زمین از سنگ هایی به نام سیلیکات تشکیل شده است و آهن مذاب برای عبور از آن ها به مشکل بر می خورد.
راه حل احتمالی در سال ۲۰۱۳ توسط وندی مائو از دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا و همکارانش کشف شد. آن ها تعجب کردند چه اتفاقی افتاد که آهن و سیلیکات هر دو در معرض فشار شدید قرار گرفتند. همانطور که در اعماق زمین اتفاق می افتد.
با فشرده سازی بسیار محکم هر دو ماده با استفاده از الماس، آن ها توانستند آهن مذاب از سیلیکات عبور دهند.
مائو می گوید: “این فشار در واقع باعث تغییر خصوصیات نحوه تعامل آهن با سیلیکات می شود. در فشارهای بالاتر” شبکه ذوب “تشکیل می شود.”
این نشان می دهد که آهن طی میلیون ها سال به تدریج از طریق سنگ های زمین فشرده می شد، تا زمانی که به هسته زمین رسید.
در این مرحله ممکن است از خود بپرسید که ما چگونه اندازه هسته را می دانیم. چه عاملی باعث می شود دانشمندان فکر کنند که در ۳۰۰۰ کیلومتر پایین تر واقع شده است؟ یک پاسخ کوتاه وجود دارد: لرزه شناسی.
بررسی ساختار مرکز زمین با استفاده از زلزله
زلزله در کنار تمام فجایعی که به بار می آورد می تواند به ما نشان دهد که در مرکز زمین چه چیزی قرار گرفته است. وقتی زمین لرزه اتفاق می افتد، موج های شوکی به سراسر کره زمین ارسال می شود. لرزه شناسان این ارتعاشات را ثبت می کنند. گویی یک چکش عظیم الجثه به یک طرف کره زمین برخورد کرده و از طرف دیگر صدای آن را شنیده ایم.
ردفرن می گوید: “در دهه ۱۹۶۰ زمین لرزه ای در شیلی رخ داد که مقدار زیادی داده در اختیار ما قرار داد. تمام ایستگاه های لرزه ای نقاط مختلف زمین، لرزش های حاصل از آن زمین لرزه را ثبت کرده اند.”
بسته به مسیری که آن ارتعاشات طی می کنند، از قسمت های مختلف زمین عبور می کنند و این بر نحوه تولید “صدا” در انتهای دیگر تأثیر می گذارد.
در اوایل تاریخ لرزه نگاری، متوجه شدیم که برخی از ارتعاشات که امواج S نامیه می شوند، از بین رفته اند. انتظار می رفت این امواج پس از آغاز، در سمت دیگر در یک طرف زمین ظاهر شوند، اما هیچ نشانه ای از آن ها وجود نداشت.
دلیل این امر ساده بود. امواج فقط از طریق مواد جامد می توانند طنین انداز شوند و نمی توانند از طریق مایعات نمی توانند طنینی تولید کنند.
آن ها احتمالاً با چیزی ذوب شده در مرکز زمین برخورد کرده اند. با نقشه برداری از مسیر های امواج S، معلوم شد که سنگ ها در حدود ۳۰۰۰ کیلومتر پایین تر، تبدیل به مایع یا در واقع ذوب شده اند. این نشان می دهد که کل هسته زمین ذوب شده است. اما شگفتی های دیگری نیز در انتظار بود.
در دهه ۱۹۳۰، یک لرزه شناس دانمارکی به نام اینگه لمان متوجه شد که نوع دیگری از امواج، به نام امواج P، به طور غیر منتظره ای از هسته عبور می کنند و می توانند در آن سوی کره زمین شناسایی شود.
او با یک توضیح شگفت آور بیان کرد که هسته به دو لایه تقسیم شده است. هسته “داخلی” که از حدود ۵۰۰۰ کیلومتر پایین شروع می شود که در واقع جامد است و هسته “بیرونی” که در بالای آن وجود دارد و ذوب شده است.
ایده لمان سرانجام در سال ۱۹۷۰ تأیید شد. لرزه نگارهای حساس تر نشان دادند که امواج P واقعاً از هسته عبور می کنند و در بعضی موارد از زاویه آن خارج می شوند. مطمئناً آن ها هنوز در آن سوی کره زمین قرار داشتند.
اکنون می توانیم تصویری دقیق تر از ساختار زمین ترسیم کنیم. یک هسته بیرونی مذاب وجود دارد که تقریباً از نیمه راه تا مرکز سیاره آغاز می شود و در داخل آن هسته داخلی جامد با قطر ۱۲۲۰ کیلومتر قرار دارد.
اما چیزهای بیشتری برای آزمایش و تحقیق وجود دارد. به خصوص در مورد هسته داخلی زمین. این هسته چقدر گرم است و حرارت آن چه میزان است؟
حرارت مرکز و هسته زمین
تعیین درجه حرارات هسته زمین کاملاً مشکل است و دانشمندان را کاملاً گیج کرده است. ما نمی توانیم دماسنج را در آن جا قرار دهیم، بنابراین تنها راه حل ایجاد فشار خرد کننده صحیح در آزمایشگاه است.
در سال ۲۰۱۳ تیمی از محققان فرانسوی بهترین برآورد را تا به امروز ارائه داده اند. آن ها آهن خالص را تحت فشار های کمی بیش از نیمی از فشار هسته قرار داده و از آن جا برون یابی کردند. آن ها نتیجه گرفتند که نقطه ذوب آهن خالص در دمای هسته حدود ۶۲۳۰ درجه سانتیگراد است.
وجود مواد دیگر باعث می شود که نقطه ذوب هسته کمی پایین آمده و به حدود ۶۰۰۰ درجه سانتی گراد برسد. اما دما این هنوز هم به اندازه سطح خورشید گرم است.
هسته زمین به دلیل گرمای حفظ شده از شکل گیری کره زمین، گرم باقی مانده است. همچنین با جابجایی مواد متراکم و پوسیدگی عناصر رادیواکتیو، از اصطکاک گرما حاصل می شود. البته هر یک میلیارد سال حدود ۱۰۰ درجه سانتیگراد سرد می شود.
دانستن دما مفید است زیرا بر سرعت حرکت ارتعاشات در هسته تأثیر می گذارد. دانستن درباره ارتعاشات نیز بسار مفید است زیرا چیز های عجیبی در مورد آن ها وجود دارد.
امواج P هنگام عبور از هسته داخلی به طور غیرمنتظره ای به آرامی حرکت می کنند. این سرعت کمتر از سرعت حرکت این موج در آهن خالص است. این امر نشان می دهد که ماده دیگری نیز در این ترکیب هسته وجود دارد.
این ماده می تواند فلز دیگری به نام نیکل باشد. اما دانشمندان تخمین زده اند که چگونه امواج لرزه ای از طریق آلیاژ آهن و نیکل عبور می کنند و این اطلاعات موجود با تخمین دانشمندان تناقض دارد.
دانشمندان اکنون در حال بررسی این موضوع هستند که آیا ممکن است عناصر دیگری مانند گوگرد و سیلیکون نیز در آن جا وجود داشته باشد. تاکنون هیچ کس نتوانسته است نظریه ای برای ترکیب هسته داخلی ارائه دهد که همه را قانع کند.
این راز ممکن است در این واقعیت نهفته باشد که هسته داخلی زمین تقریباً در نقطه ذوب قرار دارد. در نتیجه خصوصیات دقیق مواد ممکن است با آن زمان که جامد هستند، متفاوت باشد.
این می تواند توضیح دهد که چرا امواج لرزه ای آهسته تر از حد انتظار عبور می کنند. اگر این تأثیر واقعی باشد، ما می توانیم نتایج فیزیک مواد معدنی را با نتایج لرزه شناسی تطبیق دهیم. البته که دانشمندان هنوز نتوانسته اند چنین کاری کنند.
کلام آخر
اکنون بهتر می دانیم که در مرکز زمین چه چیزی قرار گرفته است اما هنوز هم بسیاری از معماها درباره هسته زمین برای حل شدن وجود دارند. اما دانشمندان بدون این که هرگز در آن اعماق غیرممکن زمین کاوش کنند، چیزهای زیادی را در مورد آن چه که هزاران کیلومتر زیر ما اتفاق می افتد، فهمیدند.
این فرایند های پنهان در اعماق زمین برای زندگی روزمره ما بسیار مهم است، با این که بسیاری از ما متوجه آن نیستیم و حتی یه آن فکر هم نمی کنیم.
زمین دارای یک میدان مغناطیسی قدرتمند است و این به لطف وجود هسته ذوب شده آن است. حرکت مداوم آهن مذاب یک جریان الکتریکی در داخل سیاره ایجاد می کند و این به نوبه خود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که به فضا می رسد.
میدان مغناطیسی از ما در برابر اشعه مضر خورشید محافظت می کند. اگر هسته زمین آن گونه که هست نبود، هیچ میدان مغناطیسی وجود نداشت و ما با انواع مشکلات روبرو خواهیم شد.
هیچ یک از ما هرگز هسته زمین را از نزدیک نخواهیم دید، اما خوب است که درباره آن بدانیم زیرا حیات ما به وجود آن وابسته است.
