چرا جهت میدان مغناطیسی زمین در دوره‌های طولانی عوض می‌شود

اگر بتوانید در طول زمان سفر کنید و ۴۱ هزار سال به عقب، به آخرین عصر یخبندان بازگردید؛ آنگاه مشاهده خواهید کرد که قطب نمای شما به‌جای شمال، جنوب را نشان می‌دهد. دلیل این پدیده آن است که در دوره‌های چند صد ساله، میدان مغناطیسی زمین معکوس می‌شود.

این معکوس شدن‌ در طول تاریخ این سیاره، به‌تناوب رخ می‌دهد و گاهی صدها هزار سال به طول می‌انجامد. ما این معکوس شدن‌ را از تشکیل مواد معدنی مغناطیسی که بر سطح کره‌ی زمین پیدا می‌شوند، دریافته‌ایم.

چندین ایده برای توضیح این پدیده وجود دارند و یکی از این توضیحات از بقیه محتمل‌تر است. پائولا کوئلمیر و همکارانش دریافتند که برخی نواحی در بالای هسته‌ی زمین می‌توانند مانند لامپ‌های گدازه‌ای غول‌پیکر عمل کنند. آن‌ها حباب‌هایی سنگی دارند که به‌تناوب برمی‌خیزند یا در عمق سیاره فرو می‌روند. این حرکت بر میدان مغناطیسی تأثیر می‌گذارد و می‌تواند آن را ناگهان تغییر دهد. این تیم پژوهشی با مطالعه‌ی سیگنال‌های برخی از مخرب‌ترین زمین‌لرزه‌ها به این نتیجه رسید.

در حدود ۳۰۰۰ کیلومتر پایین‌تر از پاهای ما، در جایی ۲۷۰ بار عمیق‌تر از عمیق‌ترین نقطه‌های اقیانوس، هسته‌ی زمین آغاز می‌شود؛ کره‌ای مایع از آهن و نیکل مذاب. در مرز هسته و گوشته‌ی بالای آن، دما در حدود ۴۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد (دمایی شبیه به سطح یک ستاره) و فشار ۱.۳ میلیون برابر فشار در سطح زمین است. میلیون‌ها سال است که در سمت گوشته‌ی این مرز، سنگ‌های جامد جریان دارند و تکتونیک صفحه‌ای را پدید می‌آورند که عامل حرکت و تغییر شکل قاره‌ها است.

در سمت هسته‌ی این مرز، آهن مغناطیسی و روان، با قدرت می‌چرخد و میدان مغناطیسی زمین را ایجاد و حفظ می‌کند. این میدان مغناطیسی از کره‌ی زمین در برابر تابش‌های فضایی حفاظت می‌کند. بدون این میدان مغناطیسی، اتمسفر کره‌ی زمین از بین می‌رود.

این مرز در اعماق زمین قرار گرفته است؛ بنابراین تنها راهی که برای مطالعه‌ی آن وجود دارد، نگاه به امواج لرزه‌ای زمین‌لرزه‌ها است. ما می‌توانیم با استفاده از اطلاعات سرعت و نوع امواج لرزه‌ای دریابیم که آن‌ها از چه قسمتی از سیاره عبور کرده‌اند تا به سطح زمین برسند.

پس از زمین‌لرزه‌ای نسبتا بزرگ، کل سیاره مانند یک زنگوله می‌لرزد. اندازه‌گیری این نوسانات در نقاط مختلف می‌تواند به ما کمک کند تا تغییر ساختار سیاره را متوجه شویم.

بدین طریق است که می‌دانیم دو ناحیه‌ی بزرگ در بالای هسته وجود دارد. امواج لرزه‌ای در این نقاط نسبت به نواحی اطرافشان کندتر حرکت می‌کنند. هر کدام از این نواحی آن‌قدر بزرگ است که اگر روی کره‌ی زمین قرار گیرد، ۱۰۰ برابر بلندتر از کوه اورست خواهد بود.

این نقاط که نواحی کم‌سرعت بزرگ یا حباب نامیده می‌شوند، تأثیری شاخص بر دینامیک گوشته دارند. آن‌ها بر چگونگی سرد شدن هسته و جایگزینی آن با جریان هسته‌ی بیرونی تأثیر می‌گذارند.

چندین زمین‌لرزه‌ی بزرگ در دهه‌های اخیر ما را قادر ساخته‌اند تا نوسان‌های لرزه‌ای خاصی را که از مرز هسته‌گوشته عبور می‌کنند، اندازه بگیریم. این نوسانات به نام حالت استنلی شناخته می‌شوند.

آخرین پژوهش گروه ذکرشده در بالا، نشان می‌دهد که دو حباب بالای هسته، در مقایسه با مواد اطرافشان چگالی کمتری دارند. این امر بیان می‌کند که مواد فعالانه و سازگار با سایر مشاهدات ژئوفیزیکی به سمت سطح می‌آیند.

چگالی کم این نواحی ممکن است به خاطر دمای بالاتر آن‌ها باشد. احتمال دیگری هم وجود دارد: ترکیب شیمیایی این نواحی گوشته باعث می‌شود آن‌ها مانند حباب‌های لامپ‌های گدازه‌ای عمل کنند. بدین معنی که این حباب‌ها به‌تناوب داغ می‌شوند، به سمت سطح می‌آیند، خنک می‌شوند و دوباره به روی هسته بازمی‌گردند. چنین رفتاری مکانیزم خروج گرما از سطح هسته در طول میلیون‌ها سال را تغییر می‌دهد و ضمنا می‌تواند معکوس شدن میدان مغناطیسی زمین را هم توضیح دهد.

این حقیقت که میدان مغناطیسی بارها در تاریخ زمین تغییر کرده است، بیان می‌کند که ساختار درونی که امروزه می‌شناسیم، ممکن است تغییر کرده باشد.

ما می‌دانیم هسته با کوه‌ها و دره‌هایی همچون سطح زمین پوشیده شده است. با استفاده از دیتای بیشتری از نوسانات زمین جهت مطالعه‌ی این توپوگرافی، قادر خواهیم بود نقشه‌های جزئی‌تری از هسته تهیه کنیم که درک بهتری از آنچه در اعماق زمین جریان دارد، به ما می‌دهد.