در مرکز زمین چه خبر است؟

انسان در سراسر زمین قدم گذاشته و سرکشی کرده است. می‌توان گفت ما نقطه به نقطه‌ی زمین را فتح کرده‌ایم. در هوای پیرامون خود پرواز کرده‌ایم. در عمیق‌ترین اقیانوس‌ها غواصی کرده‌ایم. حتی به ماه هم رفته‌ایم. اما هیچ وقت به هسته‌ی سیاره‌ی خودمان نزدیک هم نشده‌ایم.

مرکزی‌ترین بخش زمین بیش از ۶۰۰۰ کیلومتر با ما فاصله دارد. حتی خارجی‌ترین بخش هسته‌ی زمین ۳۰۰۰ کیلومتر زیر پاهای ما است. از طرفی عمیق‌ترین چاهی که بشر تاکنون قادر به حفر آن شده است، تنها ۱۲.۳ کیلومتر عمق دارد.

تمام وقایع آشنای روی زمین هم در نزدیکی پوسته صورت گرفته‌اند. مواد مذابی که از دهانه‌ی آتشفشان‌ها فوران می‌کنند، تنها چند کیلومتر با پوسته فاصله دارند. حتی الماس که برای شکل‌گیری به حرارت و فشار زیادی نیاز دارد، در عمقی کم‌تر از ۵۰۰ کیلومتر ساخته می‌شود.

این که در آن پایین چه اتفاق‌هایی در حال رخ دادن است، در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. با این که دست‌مان (یا بهتر است بگوییم پای‌مان!) تاکنون به هسته‌ی زمین نرسیده است، اما اطلاعات فوق‌العاده‌ای درباره‌ی آن پیدا کرده‌ایم. حتی بدون داشتن هیچ نمونه‌ی فیزیکی، نظریه‌هایی درباره‌ی شکل‌گیری هسته در طی میلیاردها سال ارائه داده‌ایم.

اطلاعات پیرامون هسته‌ی زمین، طی روندی که به آن اشاره خواهیم کرد، به دست آمده است.

سیمون ردفرن (Simon Redfern) از دانشگاه کمبریج انگلستان، در نظر گرفتن جرم زمین را شروع خوبی برای این بررسی می‌داند. می‌توانیم جرم زمین را با مشاهده‌ی اثر گرانش این سیاره بر روی اشیای واقع در سطح آن تخمین بزنیم. برآوردها نشان داده‌اند که جرم زمین ۵.۹ سکستیلیون تن است. برای درک بهتر این رقم، بیست عدد صفر در مقابل عدد ۵۹ بگذارید. هیچ نشانه‌ای مبنی بر وجود چنین جرمی ‌بر روی سطح زمین وجود ندارد.

ردفرن می‌گوید:

چگالی مواد واقع بر روی سطح زمین، کم‌تر از چگالی متوسط کل زمین است و همین موضوع به ما می‌گوید که با پدیده‌ای متراکم‌تر سر و کار داریم، این اولین موضوعی است که توجه خود را سمت آن می‌بریم.

پس، بیشتر جرم زمین باید به سمت مرکز این سیاره متمایل باشد. گام بعدی این است که به دنبال مواد تشکیل دهنده‌ی هسته باشیم. تقریبا بیشتر حجم هسته را آهن تشکیل داده است. به طوری که تصور می‌شود حدود ۸۰% هسته آهن باشد. هر چند که مقدار دقیق آن جای بحث بیشتری دارد. شاهد اصلی این تقریب، فراوانی آهن در جهان اطراف است. آهن یکی از ده عنصر رایج در کهکشان ما بوده که به کرات در شهاب سنگ‌ها پیدا شده است. میزان آهن سطح زمین کم‌تر از انتظار ما است. بنابراین، این طور فرض می‌شود که وقتی زمین ۴.۵ میلیارد سال پیش شکل گرفت، مقادیر زیادی از آهن به سمت هسته راهی شدند.

به همین دلیل جرم زمین در هسته متمرکز شد و اینجا همان نقطه‌ای است که باید بیشترین مقدار آهن را داشته باشد. آهن در شرایط عادی یک عنصر نسبتا متراکم است و تحت فشار شدید در هسته‌ی زمین می‌تواند چگالی بیشتری پیدا کند. بنابراین یک هسته‌ی آهنی می‌تواند معمای جرم زیاد زمین را حل کند.

اکنون این پرسش مطرح می‌شود که آهن چگونه به سمت هسته راه پیدا کرده است؟

این طور که مشخص است، آهن باید به معنای واقعی کلمه جذب مرکز زمین شده باشد. اما دلیل این مسئله در یک نگاه سطحی واضح نیست.

بیشترین بخش از قسمت‌های باقی مانده‌ی زمین از سنگ سیلیکات شکل گرفته‌اند و آهن مذاب تلاش می‌کند تا از طریق آن جریان پیدا کند. همانند آب که در سطوح چرب به صورت قطرات گرد در می‌آید، ذرات آهن هم به یکدیگر می‌چسبند و مانع از گسترش جریان می‌شوند.

در سال ۲۰۱۳، وندی مائو (Wendy Mao) و همکارانش از دانشگاه استنفورد، راه حل ممکنی برای این مسئله پیشنهاد دادند. آن‌ها این موضوع را در نظر گرفتند که پس از تحت فشار قرار گرفتن شدید آهن و سیلیکات چه اتفاقی در اعماق زمین می‌افتد. از این رو، از طریق بلورهای الماس، به این نتیجه رسیدند که در شرایط تحت فشار، آهن مذاب می‌تواند از سیلیکات عبور کند.

مائو می‌گوید:

در واقع، این فشار است که باعث می‌شود خواص آهن در تعامل با سیلیکات تغییر پیدا کند. در فشارهای بالاتر، یک شبکه‌ی مذاب شکل خواهد گرفت.

این نتایج نشان می‌دهد که در طی میلیون‌ها سال، آهن مذاب خود را به صورت فشرده از طریق سنگ‌ها عبور داده و به هسته‌ی زمین رسانده است.

در این مرحله ممکن است تعجب کنید که اطلاعات مربوط به ابعاد هسته از کجا آمده است؟ دانشمندان چطور فهمیده‌اند که بخش بیرونی هسته در ۳۰۰۰ کیلومتری ما قرار دارد؟ یک پاسخ برای این پرسش وجود دارد: زلزله‌شناسی.

وقتی زلزله اتفاق می‌افتد، امواج آن در سراسر این سیاره پخش می‌شود. زلزله‌شناسان این ارتعاشات را ضبط می‌کنند. به عنوان مثال فرض کنید با یک چکش غول پیکر ضربه‌ای به یک سمت زمین وارد می‌کنیم و ارتعاش این ضربه را در سمت دیگر می‌شنویم.

ردفرن می‌گوید:

زلزله‌ی شیلی در دهه‌ی ۱۹۶۰ اطلاعات زیادی در این خصوص فراهم کرد. همه‌ی ایستگاه‌های لرزه‌نگار در سرتاسر زمین، لرزش‌های این زلزله را ثبت کردند.

بسته به مسیر، ارتعاشات از نقاط مختلفی از زمین عبور می‌کنند که همین امر باعث ایجاد صدا در سمت دیگر می‌شود.

در اوایل شروع علم زلزله‌شناسی مشخص شد که از بعضی از ارتعاشات خبری نیست! انتظار می‌رفت که این "امواج به فرم S" بتوانند نشان دهند که در سمت دیگر زمین چه ارتعاشی صورت گرفته است اما هیچ رد و اثری از آن‌ها نبود.

دلیل این امر ساده بود. امواج S تنها می‌توانند از جامدات عبور کنند و توانایی عبور از مایعات را ندارند. پس این امواج در مسیر خود با مواد مذاب داخل زمین مواجه شده‌اند. با نقشه‌برداری از مسیر امواج S مشخص شد که ۳۰۰۰ کیلومتر پایین‌تر از پوسته‌ی زمین سنگ به مایع مذاب تبدیل می‌شود. از این رو پیشنهاد شد که کل هسته یک مجموعه‌ی مذاب در نظر گرفته شود. اما زلزله‌شناسی نتیجه‌ی غافل‌گیرکننده‌ی دیگری ارائه داد.

در دهه‌ی ۱۹۳۰، یک زلزله‌شناس دانمارکی به نام اینگه لمان (Inge Lehmann) نوع دیگری از امواج را شناسایی کرد که توانایی عبور از هسته را دارند و می‌توانند در سمت دیگر زمین شناسایی شوند. این امواج به عنوان امواج P شناخته شدند.

لمان توضیح مبهوت‌کننده‌ای در این مورد ارائه داد: هسته به دو لایه تقسیم شده است. بخش درونی هسته که ۵۰۰۰ کیلومتر عمق دارد، کاملا جامد است. تنها بخش بیرونی هسته است که از مواد مذاب تشکیل شده است.

در نهایت، نظریه‌ی لمان در سال ۱۹۷۰ تایید شد. از آن به بعد لرزه‌نگارهای ساخته شده در ثبت امواج P و انحراف زوایای آن حساس‌تر شدند.

البته این تنها زمین‌لرزه نبود که اطلاعات مفیدی را به لرزه‌نگارها ارسال کرد. در واقع، زلزله‌شناسی بخش اعظمی ‌از موفقیت خود را مدیون توسعه‌ی سلاح‌های هسته‌ای است!

انفجار‌های هسته‌ای هم می‌توانند در زمین، تولید امواج کنند. بنابراین دیگر کشورها برای ردیابی آزمایش‌های هسته‌ای از علم زلزله‌شناسی بهره می‌برند. در طول جنگ سرد این موضوع از اهمیت پررنگ‌تری برخوردار بود. از این رو زلزله‌شناسانی مانند لمان تشویق‌های زیادی دریافت کردند.

کشورهای رقیب، از این طریق اطلاعات زیادی در مورد توانایی‌های هسته‌ای یکدیگر به دست آوردند. هرچند که زلزله‌شناسی هنوز هم برای شناسایی انفجارهای اتمی کاربرد دارد.

اکنون می‌توانیم یک تصور کلی از زمین داشته باشیم. در نیمه‌ی راه رسیدن به مرکز زمین، یک هسته‌ی بیرونی مذاب وجود دارد که در داخل آن هسته‌ی داخلی جامد به قطر ۱۲۲۰ کیلومتر قرار گرفته است.

اما هنوز هم چند و چون بیشتری در مورد هسته، خصوصا بخش درونی آن وجود دارد. به عنوان مثال، حرارت داخل هسته چقدر است؟

به گفته‌ی لیدونکا وکادلو (Lidunka Vočadlo) از کالج لندن انگلستان، این سوال بسیار چالش‌برانگیز و دشوار است و ذهن دانشمندان را مدت‌ها به خود مشغول کرده بود. نمی‌توان در هسته‌ی زمین یک دماسنج قرار داد. تنها راه ممکن ایجاد فشار شبیه‌سازی شده‌ی آن ناحیه در آزمایشگاه است.

در سال ۲۰۱۳، تیمی از محققان فرانسوی بهترین تخمین را تا به امروز ارائه دادند. آنها آهن خالص را در معرض فشاری معادل (کمی بیش از) نصف فشار هسته قرار دادند. سپس نتیجه گرفتند که نقطه‌ی ذوب آهن خالص در دمای هسته حدود ۶۲۳۰ درجه‌ی سلسیوس است. حضور دیگر مواد در هسته می‌تواند دمای نقطه‌ی ذوب را کمی کاهش دهد و تقریبا به ۶۰۰۰ درجه‌ی سلسیوس برساند. با این حال، هنوز هم هسته دمایی نزدیک به دمای سطح خورشید دارد.

به لطف گرمای تشکیل دهنده‌ی این سیاره، هسته همچنان داغ باقی مانده است. عوامل دیگری مانند اصطکاک مواد متراکم اطراف آن و فروپاشی عناصر رادیواکتیو هم به حفظ این حرارت کمک می‌کنند. با این حال، در هر یک میلیارد سال، دمای هسته ۱۰۰ درجه‌ی سلسیوس کاهش پیدا می‌کند.

دانستن دمای هسته از آن جهت مفید است که بر سرعت امواج ارتعاشی گذرنده در آن تاثیر می‌گذارد. امواج P به طور غیرمنتظره‌ای سرعت آهسته‌ای در عبور از هسته دارند. به طوری که این سرعت آهسته‌تر از حالتی است که تمام هسته، آهن خالص باشد.

وکادلو در این خصوص می‌گوید:

سرعت امواجی که زلزله‌شناسان اندازه‌گیری می‌کنند به شکل قابل توجهی کم‌تر از مقادیر تجربی است که در آزمایش‌ها یا محاسبات کامپیوتری به دست می‌آوریم. هنوز علت این موضوع مشخص نشده است.

این واقعیت نشان می‌دهد که پای مواد دیگری در میان است. یک حدس خوب می‌تواند نیکل باشد. اما دانشمندان با بررسی امواج لرزه‌ای عبوری از آلیاژ آهن - نیکل چنین فرضی را رد کردند.

وکادلو و همکارانش در حال بررسی حضور دیگر مواد مانند گوگرد و سیلیکون هستند. تاکنون هیچ‌کس موفق نشده است که ترکیب شیمیایی قابل قبولی برای هسته‌ی درونی پیشنهاد دهد.

وکادلو در تلاش است تا مواد شیمیایی هسته‌ی درونی را به کمک کامپیوتر شبیه‌سازی کند. او امیدوار است که به اطلاعاتی مانند ترکیب مواد، دما و فشار دست پیدا کند تا با مقدار کاهش سرعت امواج در عبور از هسته هم‌خوانی داشته باشند.

او می‌گوید:

کلید این راز می‌تواند در نقطه‌ی ذوب هسته‌ی درونی نهفته باشد. چرا که خواص دقیق این مواد ممکن است در حالت مجزا کاملا متفاوت باشد.

معماهای زیادی در مورد هسته‌ی زمین وجود دارند که هنوز حل نشده‌اند. با وجود این که حفر کردن تا اعماق زمین غیرممکن است، باز هم دانشمندان موفق شده‌اند تا برآورد قابل قبولی از اتفاقات ممکن در هزاران کیلومتر زیر پای ما داشته باشند.

فرآیندهای پنهانی زیادی در اعماق زمین شکل می‌گیرند که در زندگی روزانه‌ی ما موثر هستند. برای مثال، میدان قوی مغناطیسی زمین به لطف هسته‌ی نسبتا مذاب آن است. حرکت آهسته و پیوسته‌ی آهن مذاب باعث ایجاد جریان الکتریسیته در داخل زمین می‌شود و همین امر یک میدان مغناطیسی در فضای دورتر فراهم می‌کند. میدان مغناطیسی در برابر اشعه‌های مضر خورشید از ما محافظت می‌کند. اگر هسته‌ی زمین به شکل فعلی نبود، میدان مغناطیسی هم در کار نبود و با انواع و اقسام مشکلات دست به گریبان بودیم.

در نهایت، هر چند که هیچ یک از ما هسته‌ی زمین را ندیده‌ایم، اما خوب است که از وجود آن باخبر باشیم.