کوارتز ممکن است منشاء میدان مغناطیسی زمین باشد

برای قرن‌ها، دانشمندان به این فکر می‌کردند که چرا زمین میدان مغناطیسی دارد. این مسئله هنوز هم از رازهای علمی است؛ اما محققان انیستیتو تکنولوژی توکیو توانستند با شبیه‌سازی دما و فشار بالای هسته‌ی زمین، دریابند که کریستال‌های کوارتز ممکن است منشاء میدان مغناطیسی زمین باشند.

در هر کتاب مقدماتی زمین‌شناسی می‌خوانید که هسته‌ی زمین توپی گدازان از آهن بوده که در عمق ۳۰۰۰ کیلومتری سطح زمین قرار داشته و با لایه‌ای از سنگ جوشان احاطه شده است. هسته و گوشته‌ی زمین دمای بسیار بالا (در حدود ۳۲۰۰ درجه‌ی سلسیوس) و فشار بسیار بالا ۴۰ تا ۶۰ گیگاپاسکال دارد. محققان معتقدند که دینامیک هسته‌ی گدازان و مواد هادی موجود در آن، میدان مغناطیسی زمین را ایجاد می‌کند؛ اما به طور دقیق نمی‌دانند که این اتفاق چگونه می‌افتد.

پیتر اولسون از دانشگاه جان هاپکینز یکی از جنبه‌های این معما را «پارادوکس جدید حرارت هسته» می‌نامد. گرچه هسته‌ی زمین کمی سریع‌تر از خود زمین می‌چرخد؛ اما نرخ گردش آن چیزی در حدود چند سانتیمتر در سال است. این میزان شاید چندان زیاد به نظر نرسد؛ اما از نظر زمین‌شناسی، این مانند آن است که هسته‌ی زمین مثل یک مخلوط‌کن می‌چرخد.

در سال ۲۰۱۳، کی هیروسه از انیستیتو تکنولوژی توکیو عنوان کرد که پدیده‌ی همرفت باعث شده است تا گرمای هسته‌ی زمین به سطح زمین برسد و به این ترتیب هسته‌ی زمین نسبت به ۴.۵ میلیارد سال قبل حدود ۱۰۰۰ درجه‌ی سلسیوس سردتر شده است. مشکل این است که این تئوری نیاز به یک هسته‌ی جامد دارد و هسته‌ی زمین تنها یک میلیارد سال عمر دارد، در حالی‌که میدان مغناطیسی زمین عمر بسیار بیشتری دارد.

مشکل دیگر این است که ترکیب هسته‌ی زمین مشخص نیست؛ هسته‌ی زمین تقریبا ۱۰ درصد از آهن خالص، چگالی کمتری دارد؛ بنابراین باید عناصر دیگر همچون اکسیژن و سیلیکون نیز در هسته وجود داشته باشند. بعلاوه، مشخص نیست که این عناصر با چه نسبتی ترکیب می‌شوند و ترکیب حاصل، چیست.

محققان انیستیتو تکنولوژی توکیو برای اینکه این مسئله را بهتر درک کنند، نمونه‌هایی در اندازه‌ی گرد و خاک را درون یک سندان آهنی و در بین دو نوک الماسی قرار دادند و فشار زیادی را اعمال کردند. در همین حال، لیزرها روی این نمونه‌ها متمرکز است تا حرارت زیادی تولید کند. آزمایش‌های مشابهی در گذشته انجام شده بود؛ ولی همه‌ی آن‌ها فقط دو عنصر را دربر داشتند؛ اما این بار محققان هر سه عنصر را با یکدیگر ترکیب کردند.

در کمال تعجب، محققان دریافتند که در هنگام سرد شدن، سیلیکون و اکسیژن ترکیب شده و کوارتز تشکیل دادند. این خیلی مهم است؛ چرا که اگر کوارتز در بالای هسته تشکیل شود، این پروسه باعث همرفت در هسته شده و باعث می‌شود که هسته همانند یک دینام عمل کند و در نتیجه میدان مغناطیسی تشکیل شود و در نهایت دیگر نیازی به سرد شدن هسته نیست.

نکته‌ی دیگر در مورد این آزمایش آن است که مکانیزم جدید کمک می‌کند تا نحوه‌ی تشکیل زمین و دیگر اجسام در منظومه‌ی شمسی بهتر درک شود؛ چرا که اگر فرایند کریستالی‌شدن ادامه پیدا کند، سیلیکون و اکسیژن تمام می‌شود و بدین ترتیب ترکیب هسته تغییر می‌کند. جورج هلفریچ محقق ELSI می‌گوید:

حتی اگر شما سیلیکون داشته باشید، بدون اکسیژن نمی‌توانید دی‌اکسید سیلیکون تولید کنید؛ اما این مطالعه سرنخ‌هایی در مورد ترکیب اولیه‌ی سیلیکون و اکسیژن به ما می‌دهد، چون تنها برخی از نسبت‌های سیلیکون‌:اکسیژن با این مدل سازگار هستند.