اسرار هسته زمین – هر چه دانشمندان عمیق تر به قلب سیاره ما نگاه کنند، گیج کننده تر می شود.
حتی یک قله در زیر سطح زمین بگیرید و به زودی متوجه خواهید شد که ما چقدر از آنچه درست زیر پایمان اتفاق می افتد نمی دانیم.
ما آنقدر از زمان خود را صرف تمرکز بر دنیای اطراف خود می کنیم که به ندرت به آنچه در هسته سیاره ما می گذرد فکر می کنیم. اگر زمین یک سیب بود، پوسته ای که ما روی آن زندگی می کنیم فقط به ضخامت پوست سیب بود.
ساختار زمین
هسته زمین چقدر داغ است؟
مانند یک سیب، زمین نیز دارای هسته ای است که در زیر لایه ای به نام گوشته مدفون شده است. هسته اولیه، درست 200 میلیون سال پس از ادغام خود زمین، حدود 4.5 میلیارد سال پیش، شکل گرفت. هسته زمین بزرگ است – تقریباً معادل نیمی از اندازه مریخ – و فشار شدیدی روی آن فرو میرود که دمای آن به اندازه سطح خورشید گرم است .
اگر بخواهیم آن را در اعداد قرار دهیم، حدود 6000 درجه سانتیگراد است! همچنین به خاطر داشته باشید که هسته زمین تنها در حدود 3000 کیلومتر از سطح زمین فاصله دارد – اگر خورشید به همین اندازه نزدیک بود، ما را کاملا ذوب می کرد.
هسته زمین از چه چیزی ساخته شده است؟
دو بخش اصلی در هسته زمین وجود دارد. یک هسته داخلی و یک هسته خارجی، به دنبال آن گوشته و پوسته:
1. هسته داخلی
ساختار آهنی جامد و متبلور که تحت گرما و فشار بسیار زیاد قرار دارد. تصور می شود که هر لایه از ساختار کریستالی به شکل شش ضلعی است، اگرچه ممکن است در واقع دو ساختار کریستالی مجزا وجود داشته باشد. اعتقاد بر این است که کریستال ها تقریباً در جهت شمال به جنوب قرار دارند تا با جهت محور چرخش زمین و میدان مغناطیسی آن مطابقت داشته باشند.
2. هسته بیرونی
این تنها لایه واقعا مایع ساختار داخلی زمین است. با ضخامت حدود 2000 کیلومتر، هسته بیرونی عمدتاً آهن و نیکل است که بین پنج تا ده درصد از عناصر سبکتر تشکیل شده است. انتقال بین هسته داخلی و هسته خارجی تقریباً 5150 کیلومتر زیر سطح زمین قرار دارد.
3. مانتو
پوسته و نیمه بالایی گوشته با هم، لیتوسفر را تشکیل می دهند که به صفحات تکتونیکی شکسته می شود که جابجا می شوند. این جابجایی ها باعث زمین لرزه و جابجایی قاره ها می شود. گوشته بزرگترین قسمت زمین است و 84 درصد از حجم کل آن را تشکیل می دهد.
4. پوسته
پوسته به پوسته اقیانوسی، که حداکثر ضخامت آن 10 کیلومتر (6.2 مایل) است، و پوسته قاره ای، که می تواند 80 کیلومتر (49.7 مایل) ضخامت داشته باشد، تقسیم می شود. پوسته هر روز تا 25 سانتی متر بالا و پایین می رود که ماه روی آن می کشد.
چگونه ترکیب هسته را بدانیم؟
زمین لرزه ها نقش مهمی در درک ما از این ساختار داخلی داشته اند. لرزهسنج مدرن که در سال 1880 اختراع شد، ارتعاشات ناشی از زمینلرزهها را هنگام موجشدن در سیاره اندازهگیری میکند. در اوایل قرن بیستم ، دانشمندان فرض کردند که هسته زمین کاملاً مذاب است و حرکت مواد مسئول تولید میدان مغناطیسی سیاره است .
سپس، در سال 1936، اینگه لمان ، لرزهشناس دانمارکی، با استفاده از لرزهسنجها توانست تشخیص دهد که امواج لرزهای از چیزی در اعماق زمین منعکس میشوند. او به درستی به این نتیجه رسید که هسته سیاره از دو بخش تشکیل شده است: یک هسته داخلی جامد، تو در تو به سبک عروسکی روسی، در داخل یک هسته بیرونی مذاب.
اما کار جدیدتر نشان می دهد که واقعیت می تواند کمی پیچیده تر باشد. دکتر Thanh-Son Phạm و پروفسور Hrvoje Tkalčić از دانشگاه ملی استرالیا چیز متفاوتی را امتحان کردند. فام میگوید: «ما برای اولین بار ادعا میکنیم که امواج لرزهای کمانهای که از منبع زلزله به سمت دیگر زمین منتشر میشوند و تا پنج بار برمیگردند، شناسایی شدهاند.
این تشخیص بسیار مهم است زیرا به روش جدیدی برای کاوش در مرکز زمین اجازه می دهد که در گذشته بسیار بعید بود. این تکنیکی است که اغلب در جستجوی مواد معدنی جدید استفاده می شود، اما نه برای کاوش در ساختار درونی زمین.
Phạm و Tkalčić با انتشار یافته های خود در فوریه 2023، داده های شبکه رو به رشد لرزه سنج های راه اندازی شده در سراسر سیاره را تجزیه و تحلیل کردند. بخش مهم، دریافت داده ها از نزدیک به مرکز زمین لرزه ها و سپس از نقاط دقیقا مخالف آن طرف سیاره، به نام پاد پاد بود.
دلیل اینکه این امر در گذشته دشوار بوده است این است که زمین لرزه ها تمایل دارند در اطراف یک کمربند استوایی تحت سلطه اقیانوس ها و سایر مناطق دور افتاده جمع شوند.
هنگام وقوع زلزله، ارتعاشات بعدی برای روزها در داخل سیاره طنین انداز می شود. حدود 20 دقیقه طول می کشد تا از یک سمت زمین به پاد پاد عبور کنند. فام و تکالچیچ تا پنج جهش رفت و برگشتی از چندین زمین لرزه شش ریشتری مشاهده کردند.
امواج با هر پرش ضعیفتر میشدند، بنابراین از تکنیکی به نام انباشتن برای ترکیب آنها استفاده کردند. این به دو دانشمند کمک کرد تا اطلاعات بیشتری از سیگنال های ضعیف تر به دست آورند. فقط دو پرش قبل از کار آنها تجزیه و تحلیل شده بود.
امواج لرزه ای با سرعت های مختلفی حرکت می کنند
دانشمندان دریافتند که امواج لرزه ای در درونی ترین هسته داخلی نسبت به بیرونی ترین هسته متفاوت حرکت می کنند. امواج با برخورد به هسته جامد سرعت خود را کاهش دادند اما در جهات مختلف کاهش یافتند.
فام میگوید که این نشان میدهد که کریستالهای آهنی که هسته را تشکیل میدهند بهطور متفاوتی در هسته داخلی چیده شدهاند. آنها تخمین می زنند که داخلی ترین هسته داخلی 650 کیلومتر ضخامت دارد و کمی بیش از نیمی از هسته داخلی را اشغال می کند.
با این حال، کارهای بیشتری برای انجام دادن وجود دارد. فام می گوید: «ماهیت لایه انتقالی بین داخلی ترین ناحیه و لایه بالایی هسته داخلی باید پاسخ داده شود. “امیدوارم در آینده نزدیک بتوان به این سوال پرداخت.”
درک هسته زمین می تواند به ما در مورد مریخ کمک کند
درک ساختار دقیق آن بسیار مهم است زیرا زمین همیشه یک هسته جامد نداشته است – اعتقاد بر این است که بین 600 میلیون تا 1.5 میلیارد سال پیش شکل گرفته است. بینش در ساختار آن همچنین می تواند به اخترشناسان و دانشمندان سیاره شناسی کمک کند تا بیشتر در مورد آنچه برای مریخ اتفاق افتاده است، درک کنند.
دادههای مریخنوردها حاکی از گذشتهای گرمتر و مرطوبتر برای سیاره سرخ است که میتوانست آن را بسیار شبیه زمین کند. اگر هسته مریخ به طور کامل جامد میشد، میدان مغناطیسی آن خاموش میشد و آن را در برابر آسیبهای باد خورشیدی که به تدریج بیشتر اتمسفر مریخ را کنار زد، محافظت نمیشد .
چه اتفاقی برای چرخش آن می افتد؟
چرخش سیاره ما در حال کاهش است و در نتیجه روزهای ما طولانی تر می شود.
یک روز چقدر است؟ 24 ساعت؟ 86400 ثانیه؟ پاسخ این است که هیچ دو روز یکسان نیست. یک روز با مدت زمانی که زمین طول می کشد تا یک چرخش حول محور خود انجام دهد تعریف می شود و عوامل زیادی بر سرعت چرخش ما تأثیر می گذارد. تأثیر گرانشی ماه در روز کشیده شده است و آن را از کمتر از 19 ساعت در 1.4 میلیارد سال پیش به 24 ساعت آشناتر امروزی افزایش داده است.
این نه تنها توسط فیزیک نیروهای جزر و مدی پیش بینی شده است، بلکه توسط مطالعات مرجان های فسیل شده 430 میلیون ساله نیز تایید شده است. همانطور که مرجان رشد کرد، هر روز یک خط جدید از کلسیم ایجاد کرد. این خطوط به صورت الگوهایی چیده شده اند که نشان دهنده فصول است. 420 خط در این الگوها وجود دارد، یعنی 420 روز در سال. از آنجایی که سال زمان ثابتی است که زمین طول میکشد تا به دور خورشید بچرخد، روزهای بیشتر به معنای ساعتهای کمتر در هر یک و کمتر از ۲۱ ساعت در نقطهای است که مرجان رشد نمیکند.
ذوب شدن کلاهک های قطبی در پایان دوره های یخبندان معمولی زمین نیز نقش متوقف کننده ای داشته است. اینها روندهای بلندمدت هستند. از اثرات کوتاه مدت بیشتر می توان به زلزله ای در شیلی در سال 2010 اشاره کرد که سرعت سیاره را افزایش داد و روز را 1.26 میکروثانیه کوتاه کرد. در واقع، 29 ژوئن 2022 کوتاه ترین روزی بود که به طور مستقیم ثبت شده است.
اما به نظر می رسد چیزی عجیب در روندهای کوتاه مدت رخ می دهد. از سال 2020، میانگین روز طولانی تر شده است – به عبارت دیگر، زمین در حال کاهش است . این برخلاف الگوی قبلی کوتاه شدن میانگین روز برای نیم قرن قبل از آن است.
چه خبر؟ پروفسور Xiaodong Song و Yi Yang از دانشگاه پکن در چین معتقدند که ممکن است پاسخ را داشته باشند و فکر می کنند که هسته درونی زمین است.
چرخش هسته با گوشته متفاوت است
هسته داخلی جامد در داخل پیله هسته خارجی مایع قرار می گیرد و بنابراین به طور محکم در جای خود ثابت نمی شود. چرخش با سرعتی متفاوت از گوشته و پوسته بالا رایگان است. هسته داخلی سریعتر از بقیه سیاره می چرخید، اما یانگ و سونگ نشان می دهند که اخیراً کندتر شده است و حتی ممکن است کندتر از لایه های بالا می چرخد.
این زوج به دنبال رویدادهای لرزهای بودند که در یک مکان به فاصله چندین سال از هم رخ داده بودند. آنها به طور خاص زمین لرزه هایی را که در نزدیکی جزایر ساندویچ جنوبی در اقیانوس اطلس فوران می کردند و ردیابی های لرزه ای ناشی از آن در آلاسکا را مطالعه کردند. مقاله آنها، تغییرات چند دهه ای چرخش هسته درونی زمین ، همچنین به امواج لرزه ای ثبت شده در مونتانا، ایالات متحده، از دو آزمایش هسته ای انجام شده در نوایا زملیا، اتحاد جماهیر شوروی، در سال های 1971 و 1974 اشاره می کند.
اگر هسته تغییر نکرده باشد، پس باید امواج لرزه ای را به همان صورت منعکس کند و در سطح تقریباً یکسان به نظر می رسند. با این تفاوت که این چیزی نیست که سونگ و یانگ پیدا کردند. تفاوت هایی که دیدند آنها را به این نتیجه رساند که از سال 2009، هسته درونی کند شده است.
با مقایسه این دادهها با اندازهگیریهای قدیمیتر مربوط به سال 1964، آنها به این نتیجه رسیدند که این رفتار «بخشی از یک نوسان تقریباً هفتدههای است، با نقطه عطف دیگری در اوایل دهه 1970». شاید هسته در یک الگوی تکراری سرعت میگیرد و کند میشود؟
چرا هسته در حال کند شدن است؟
این یک یافته آزمایشی است، یافتهای که به دادههای حمایتی بیشتری نیاز دارد و سایر محققان توضیحات جایگزین ارائه کردهاند. برای مثال، ممکن است سطح هسته داخلی آنطور که عموماً تصور می شود صاف نباشد. اگر خشنتر باشد، میتواند نحوه انعکاس امواج لرزهای هسته داخلی را بدون نیاز به تغییر سرعت تغییر دهد.
اگر معلوم شود که هسته در حال کند شدن است، چه چیزی می تواند پشت آن باشد؟ خوب، هسته داخلی کاملاً آزاد نیست که حرکت کند – تا حدی توسط گرانش گوشته سنجاق شده است.
برخی از ژئوفیزیکدانان استدلال می کنند که این چرخه ای را ایجاد می کند که در آن هسته داخلی کند می شود و سرعت می گیرد. شاید ما فقط بخش کوتاهی از این چرخه را مشاهده می کنیم و خیلی زود دوباره سرعت می گیرد.
با تعداد بیسابقهای از لرزهسنجها که در سراسر سیاره پراکنده شدهاند – و مدام تعداد بیشتری به آن اضافه میشوند – ممکن است لازم نباشد برای پاسخها خیلی منتظر بمانیم.
با میدان مغناطیسی ما چه می گذرد؟
مگنتوسفر زمین ما را از تشعشعاتی که از خورشید می ریزد در امان نگه می دارد. اما تحقیقات اخیر نشان می دهد که همه چیز ممکن است وارونه شود.
میدان مغناطیسی زمین یک غول بزرگ است. حدود 65000 کیلومتر به سمت خورشید امتداد دارد اما در سمت شب سیاره بیش از شش میلیون کیلومتر است. این بدان معناست که ماه برای حدود یک هفته از سفر یک ماهه خود به دور زمین، در میدان مغناطیسی ما قرار می گیرد.
هسته اصلی پشت همه اینهاست. همانطور که گرما از هسته داخلی جامد خارج می شود، به هسته بیرونی مذاب می رود و جریان های همرفت را به حرکت در می آورد. مواد باردار الکتریکی به اطراف جابجا میشوند، که میدان مغناطیسی ایجاد میکند که از طریق پوسته به سمت بالا جریان مییابد و به فضا میرود، جایی که با باد خورشیدی – جریان پرانرژی ذرات خورشید – برخورد میکند. این فعل و انفعال است که مغناطیس کره ما را تا این اندازه در سمت شب زمین هل می دهد.
مگنتوسفر برای میلیاردها سال حیات روی زمین را ایمن نگه داشته است. برای قرنها، کاوشگران برای ناوبری به قطبنماهای همسو با آن تکیه میکردند، در حالی که حیوانات نیز برای یافتن راه خود، از آن پیروی میکردند. و با این حال، آنقدرها هم که به نظر می رسد ثابت نیست.
در دهه 1970 دانشمندان پدیده ای به نام تکان های ژئومغناطیسی را مشاهده کردند – تغییرات ناگهانی و غیرقابل پیش بینی در میدان مغناطیسی ما. اما آنها تنها زمانی شروع به درک آنها کردند که ما از فضا شروع به نگاه کردن به خود کردیم.
شبیه سازی های کامپیوتری می تواند به دانشمندان کمک کند
سپس، در سال 2019، جولین اوبر از دانشگاه پاریس و پروفسور کریستوفر فینلی از دانشگاه فنی دانمارک نتایج یک شبیهسازی ابررایانهای هسته بیرونی را منتشر کردند. آنها دریافتند که امواج ایجاد شده در هسته داخلی به هسته خارجی گسترش می یابد و باعث تغییرات شدید در جریان مایع در زیر میدان مغناطیسی می شود. ممکن است 25 سال طول بکشد تا یک لکه فلزی در حال افزایش به یک حرکت ژئومغناطیسی منجر شود.
میدان مغناطیسی ما نیز می تواند بچرخد. هنگامی که گدازه سرد می شود اطلاعات مربوط به جهت میدان مغناطیسی زمین را در آن زمان حفظ می کند. با تجزیه و تحلیل لایه های گدازه، محققان نشان داده اند که به طور متوسط، جهت میدان مغناطیسی ما هر 200000 سال یکبار معکوس می شود .
آخرین تلنگر 780000 سال پیش بود… و نشانه هایی وجود دارد که ممکن است دیگری در راه باشد.
میدان مغناطیسی زمین چقدر قوی است؟
طبق گزارش آژانس فضایی اروپا، در طول 200 سال گذشته، میانگین جهانی قدرت میدان مغناطیسی ما 9 درصد کاهش یافته است . چنین افت هایی قبل از برگشت های قبلی بوده است. در برخی نقاط، کاهش با سرعت چشمگیرتری آشکار شده است. ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی (SAA) را در نظر بگیرید که بر فراز آمریکای جنوبی قرار دارد. به گفته ژئوفیزیکدانان ناسا Weijia Kuang و Terence Sabaka ، “این منطقه ای است که در آن شدت ژئومغناطیسی کمترین است . ” اما آن نیز در حال تغییر است.
کوانگ و ساباکا می گویند: «مشاهدات نشان داده است که SAA در حال گسترش و حرکت به سمت غرب است. قدرت میدانی SAA نیز بین سالهای 1970 تا 2020 هشت درصد کاهش یافته است. علت آن چیست؟
کوانگ و ساباکا می گویند: «پاسخ کوتاه این است که SAA به دلیل همرفت شدید در هسته بیرونی زمین است. این با یک معکوس مغناطیسی در هسته بیرونی همراه است که در برابر میدان مغناطیسی اصلی عمل می کند.
این چند جنبه منفی دارد. چندین ماهواره در حال حرکت در منطقه به دلیل تشعشعات شدیدی که از فضا به داخل نشت می کند، شکست خورده اند . فضانوردان اگر در مجاورت باشند نمی توانند پیاده روی فضایی انجام دهند. تری ویرتز ، فضانورد سابق، حتی گفت که هنگام عبور از روی آن، درخشش عظیمی از نور را در حالی که چشمانش بسته بود، دیده است.
اما SAA به ژئوفیزیکدانان کمک می کند تا بفهمند در روده های سیاره چه می گذرد.
به گفته کوانگ و ساباکا، از SAA می توان برای ترسیم جریان مواد در بالاترین قسمت هسته بیرونی استفاده کرد. آنها می افزایند: «دقت پیش بینی SAA [همچنین] می تواند برای تخمین کل حالت هسته، که از سطح زمین یا در فضا قابل مشاهده نیست، استفاده شود».
در آینده چه خواهد شد؟
آیا چرخش متوقف می شود؟ آیا کاملا سفت می شود؟ و برای کسانی از ما که بالاتر از آن زندگی می کنیم چه معنایی خواهد داشت؟
هسته زمین می تواند تاریخچه آن را به زمان شکل گیری سیاره ردیابی کند.
هنگامی که خورشید از ابری از گاز و غبار بین ستاره ای جرقه زد، نواری از مواد باقی مانده در اطراف آن تشکیل شد. این دیسک پیش سیارهای با آهنی که توسط ابرنواخترهای فاجعهآمیز که پایان عمر پرجرمترین ستارگان را نشان میدهند، به کیهان پرتاب شده است.
به تدریج، گرانش این ماده را به صورت تودههای سنگ و فلز به نام سیارههای کوچک درآورد و آنها با هم در هم شکستند و سیارهها را تشکیل دادند. ضربات آنقدر شدید بود که سنگ و فلز ذوب شدند و گرانش می توانست جسم جدید را به شکل یک کره درآورد. آهن سنگین تا وسط فرو رفت و سنگ سبکتر به سمت بالا شناور شد.
با سرد شدن سیاره، پوسته ای روی سطح تشکیل شد اما هسته آهنی آن مذاب باقی ماند. این توسط فشار گرانشی بسیار زیاد لایههای بالا که بر روی هسته خرد میشوند، حفظ شد.
اما همه اینها میلیاردها سال پیش اتفاق افتاد و هسته از آن زمان در حال خنک شدن است. دکتر دان فراست ، زلزله شناس دانشگاه کارولینای جنوبی می گوید: «همانطور که آهن مایع در هسته بیرونی سرد می شود، به آرامی به آهن جامد منجمد می شود و به هسته داخلی تبدیل می شود .
خنک شدن زمین چه تاثیری بر هسته داخلی دارد؟
این فرآیند در هر ثانیه 8000 تن آهن به هسته داخلی اضافه می کند – معادل جرم کل جمعیت انسان که روزانه به آن اضافه می شود. همانطور که هسته داخلی سرد می شود، انرژی به هسته خارجی منتقل می شود، که همرفت را به حرکت در می آورد و میدان مغناطیسی جهانی ما را ایجاد می کند.
با این حال تحقیقات جدید به رهبری فراست نشان می دهد که رشد هسته داخلی ناهموار است. بخش شرقی هسته داخلی در زیر آسیا و اقیانوس آرام غربی قرار دارد، در حالی که بخش غربی در زیر قاره آمریکا و اقیانوس اطلس قرار دارد.
تیم فراست شروع به اندازهگیری رشد در این بخشهای دوردست از درون سیاره کرد. زمانی که تنها کاری که باید انجام دهید اندازه گیری هایی است که از سطح انجام می شود، کار دشواری است.
فراست می گوید: “ما نمی توانیم اندازه گیری کنیم که هسته داخلی امروز کمی بزرگتر از دیروز است، اندازه گیری های ما آنقدر حساس نیستند.” “ما به دنبال شواهدی از حرکت در هسته داخلی هستیم.”
امواج لرزه ای می توانند به ما بفهمانند که چه خبر است
امواج لرزه ای که در هسته داخلی حرکت می کنند، زمانی که به موازات محور چرخش زمین (تقریباً شمال به جنوب) حرکت می کنند، سریعتر از زمانی که به موازات خط استوا حرکت می کنند، حرکت می کنند.
فراست میگوید: «ما فکر میکنیم این بدان معناست که کریستالهای هسته داخلی همگی در یک جهت مشابه هستند. “راه رسیدن به آن تراز این است که هسته داخلی حرکت کند.” این شبیه به روشی است که چوب ها به داخل رودخانه می افتند و در راستای جریان آب قرار می گیرند.
تیم فراست دریافت که هسته زیر دریای باندا در نزدیکی اندونزی سریعتر از سمت زیر برزیل رشد می کند. با این حال، بی طرفی دوام نمی آورد. فراست میگوید: «قسمت وسیعتر گرانش به مرکز بازمیگردد. «این جریان مواد باعث همترازی بلوری میشود که ما میبینیم.»
آیا بیشتر از آنچه که به نظر می رسد در اصل وجود دارد؟
کار فراست فرض می کند که هسته داخلی فقط از یک نوع آهن متبلور ساخته شده است. قبلاً دیدهایم که کارهای دیگر به تفاوت بین بیرونیترین هسته داخلی و درونیترین هسته داخلی اشاره میکنند.
فراست به این نتیجه گیری ها متقاعد نشده است. فراست میگوید: «یک انتقال شدید بین بیرونیترین و درونیترین هسته داخلی وجود ندارد. “این بیشتر یک انتقال آرام است.” فراست می گوید که چنین مدلی با یافته های او سازگار است.
این فقط نشان می دهد که بسیاری از اسرار پیرامون هسته جامد زمین حل نشده باقی مانده اند. ما فقط کمتر از یک قرن است که از وجود آن اطلاع داریم. شاید قرن آینده بینشهای بیشتر و درک عمیقتری از مکانیسمی به ارمغان بیاورد که همه ما را از آسیبهای تشعشعی که از فضا به ما منفجر میشود در امان نگه میدارد؟
همچنین نباید نگران این باشیم که هسته به این زودی ها کاملاً محکم شود. رشد آن کند است. هسته داخلی هر سال فقط 2 میلی متر پهن تر می شود. اگرچه برای یک فرآیند زمین شناسی سریع است، اما برخی برآوردها نشان می دهد که ناپدید شدن هسته بیرونی مذاب 91 میلیارد سال دیگر طول می کشد.
اما نگران نباشید؛ خورشید در حال مرگ مدتها قبل از این اتفاق زمین را سرخ می کند.
دیدگاهتان را بنویسید