چرا رایج‌ترین عناصر جهان روی زمین کمیاب هستند؟

بر اساس بهترین تخمین‌ها، بخش زیادی از جهان را ماده و انرژی تاریک تشکیل می‌دهند که هیچ‌کدام روی زمین کشف نشده‌اند. حتی ماده‌ی باریونی که گاهی آن را جهان مرئی می‌نامیم ازنظر جرمی از سه‌چهارم هیدروژن و ۲۳ درصد هلیوم تشکیل شده است. با این‌حال ترکیب زمین کاملا متفاوت است به‌طوری‌که هلیوم یکی از کمیاب‌ترین عنصرها روی زمین به شمار می‌رود و هیدروژن تنها کسری از یک درصد پوسته‌ی زمین و مقدار کمی از زمین را تشکیل می‌دهد.

در مقیاس جهانی، هیدروژن به این دلیل فراوان است که مقدار زیادی از آن در طول بیگ‌بنگ تشکیل شد. جهان در اولین لحظات تولد خود، ترکیب آشفته‌ای از کوارک‌ها و گلوئون‌ها بود. وقتی همه چیز آرام شد، بخش زیادی از ماده مرئی را الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها همراه با برخی ذرات زیراتمی عجیب تشکیل دادند. الکترون‌ها و پروتون‌ها بالاخره یکدیگر را پیدا کردند تا هیدروژن را تشکیل دهند. مقدار کمی هلیوم و لیتیم در این فرآیند تولید شدند.

بخش زیادی از لیتیم آغازین در ستاره‌ها نابود شد، اما همان ستاره‌ها مجددا در فرآیند همجوشی هیدروژن را به لیتیم تبدیل کردند. با این حال اگر جهان را به ماشینی برای تبدیل هیدروژن به دیگر عنصرها تشبیه کنیم باید بگوییم این جهان هنوز جوان است و سفر زیادی را در پیش دارد.

بااین‌حال اگر فقط به زمین نگاه کنیم، فرآیند تبدیل عنصرها تقریبا کامل شده است. اقیانوس‌ها از دو هیدروژن و یک اکسیژن تشکیل شده‌اند و البته سدیم، کلر و عنصرهای نمک‌ساز را هم درون خود دارند. بخشی از عنصرها هم در سنگ‌ها حبس شده‌اند و به مولکول‌های کربنی مثل متان موجود در جو متصل هستند. با این‌حال هیدروژن اتمی زیادی روی زمین وجود ندارد.

مقدار هلیوم زمین حتی از هیدروژن هم کمتر است. به‌طوری‌که تا پیش از رصد خطوط طیفی آن در طول یک خورشیدگرفتگی هیچ‌کس اثری از این عنصر را روی زمین ندیده بود.

زمین هم مانند تمام سیاره‌ها از دیسک پیش‌سیاره‌ای تشکیل شد. این دیسک، حاصل هیدروژن و هلیوم دوران بیگ‌بنگ و بخشی از عنصرهای سنگین دیگر بود که در اولین نسل ستاره‌ها به وجود آمدند و پس از مرگ این اجرام سنگین در انفجارهای ابرنواختر (سوپرنوا) و گران‌اختر (کیلونوا) در جهان پخش شدند.

خورشید و سیاره‌های غول گازی در بخش خارجی منظومه شمسی دارای ترکیب شبیه‌تری به دیسک اولیه‌ی پیش‌سیاره‌ای هستند. گرچه بخش زیادی از هیدروژن آغازین خورشید امروز به هلیوم تبدیل شده است. بااین‌حال زمین و دیگر سیاره‌های داخلی منظومه‌ شمسی ترکیبی متفاوت دارند.

هیدروژن و هلیوم علاوه بر فراوانی‌شان در جهان، هر دو گازهای بسیار سبکی هستند. به همین دلیل به راحتی از گرانش زمین می‌گریزند. سیاره‌ای بزرگ‌تر مثل مشتری به دلیل گرانش قوی مقدار زیادی از این گازها را دارد؛ اما زمین چندان بزرگ نیست که بتواند این گازها را به دام خود بیندازد. علاوه بر این فاصله زمین تا خورشید کمتر از دیگر غول‌های گازی است. به همین دلیل گازها گرم‌تر می‌شوند و انرژی لازم برای فرار را به دست می‌آورند.

هلیومی که امروز روی زمین می‌بینیم در واقع حاصل فروپاشی رادیواکتیو عنصرهای سنگین‌تر است. یک نوع رایج فروپاشی، تولید ذرات آلفا است که دو پروتون و دو نوترون آن‌ها با هسته‌ی اتم هلیوم ۴ یکسان است. ذرات آلفا هنگام آزاد شدن می‌توانند الکترون‌های محیط را به دام بیندازند و به هلیوم تبدیل شوند.

در صورتی که اتم هلیوم در نزدیکی سطح زمین آزاد شود، می‌تواند به سمت جو حرکت کند و سپس وارد فضا شود. با این‌حال هلیوم تولید شده از فعالیت رادیواکتیو زیرزمینی را می‌توان در حفره‌های داخل زمین به دام انداخت.

گرچه اغلب اوقات هلیوم یادآور بادکنک‌های جشن تولد است، در زمینه‌های مهم دیگری مثل سردسازی تجهیزات علمی و دستگاه‌های MRI تا دماهای بسیار سرد کاربرد دارد. ذخایر هلیومی از حفاری در محیط‌های باستانی به دست می‌آیند که هلیوم آن‌ها از میلیون‌ها سال پیش انباشته شده است. این فضاها همچنین دربردارنده‌ی گازهای دیگر با فراوانی بیشتر هستند و بخش زیادی از ذخایر هلیومی هم در واقع در طول حفاری متان جمع‌آوری می‌شوند. با این‌‌حال، با رویگردانی جهان از سوخت‌های فسیلی، منابع هلیومی پرتراکم‌تر به اولویت تبدیل خواهند شد.

هیدروژن روی زمین فراوان‌تر از هلیوم است زیرا با بسیاری از عنصرها مثل اکسیژن ترکیب شده است. یک مولکول بخار آب، ۹ برابر سنگین‌تر از یک مولکول هیدروژن (H2) است و همین ویژگی باعث می‌شود توانایی فرار آن کاهش پیدا کند. با این‌حال، بخش زیادی از هیدروژن موجود در خرده‌سیاره‌هایی که برای شکل‌گیری زمین با یکدیگر ترکیب شدند، مدت‌ها پیش از زمین گریخته‌اند. به‌ویژه که در گذشته، رویدادهای برخوردی سیاره‌مان را به دریایی از ماگما تبدیل کرده بودند.

بر اساس بحثی دیرینه ممکن است مقداری از هیدروژن حاصل از شکل‌گیری سیاره‌ زمین که از اعماق گوشته جان سالم به در برده در آب‌های زمین وجود داشته باشد. بر اساس فرضی دیگر، ممکن است زمین در گذشته و پیش از آنکه با هیدروژن موجود در دنباله‌دارها و سیارک‌ها احیا شود، خشک شده باشد. صرف‌نظر از اینکه کدام دیدگاه صحیح است، زمین خوش‌شانس بوده که مقدار هیدروژن کافی را در خود دارد. ماه و دیگر سیاره‌های داخلی منظومه شمسی هیدروژن کمتری دارند. این اجرام بخش زیادی از گاز هیدروژن خود را در فرآیندهای مشابه با زمین از دست داده‌اند و گرانش کمی هم برای پیشگیری از این اتفاق داشتند.