9 دقیقه
تصور کنید فراوانترین عنصر در جهان در مکانی محبوس شده است که هیچ سطل، لوله یا کاوشگری به آن دسترسی ندارد. از نظر ظاهری، زمین پرآب و حضور هیدروژن در سطح آن آشکار است — اقیانوسها، باران و مولکولهای آلی همه جا حضور دارند. اما چه میشود اگر بخش اعظم هیدروژن سیاره هرگز از عمق داخلی خارج نشده باشد؟ کارهای آزمایشگاهی تازه نشان میدهد که هسته ممکن است انباری بسیار بزرگتر از هیدروژن باشد تا آنچه تاکنون تصور میشد، و این امکان چگونگی برداشت ما از منشاء آب زمین و تکامل سیاره را بازنویسی میکند.
خلاصه کوتاه: هیدروژن تحت شرایط شدید بهراحتی با آهن مذاب مخلوط میشود. نسخه مفصلتر: تحت شرایطی نزدیک به محیط هسته اولیه زمین، هیدروژن در آلیاژهای غنی از آهن حل میشود و با سیلیکون و اکسیژن پیوند برقرار میکند و عملاً در قلب فلزی سیاره به صورت جداشده ذخیره میگردد. این فرآیند میتواند مقادیر عظیمی از این عنصر را پنهان کند — نه فقط مقادیر جزئی، بلکه تا دهها برابر هیدروژنی که در تمام اقیانوسهای زمین وجود دارد.
تقلید شرایط هسته در مقیاس کوچک
پژوهشگران به سرپرستی دونگیانگ هوانگ از دانشگاه پکن از سلول آنویل الماس استفاده کردند تا نمونههای کوچک را تا فشار حدود 111 گیگاپاسکال فشرده کنند در حالی که آنها را تا دمای حدود 5۱۰۰ کلوین گرم کردند. آن فشارها و دماها به محدودههای قابل توجهی از شرایط درونی زمین نزدیک هستند — هسته خارجی در حدود 136 گیگاپاسکال آغاز میشود و دمای هسته احتمالاً بین حدود 5000 تا 6000 کلوین است. در داخل آنویل، یک کره کوچک آهنی در شیشه سیلیکاتی هیدراته جاسازی شده بود. تحت فشردگی و گرمایش شدید نمونه ذوب شد، اجزا مخلوط شدند و آهن، سیلیکون، اکسیژن و هیدروژن آنطور رفتار کردند که ممکن است در مراحل مذاب و شکلگیری سیاره رخ داده باشد.
این یک بازتولید کامل نیست. آزمایشهای سلول آنویل الماس تنها میتوانند برای چند ثانیه تا چند دقیقه اجرا شوند و فشارهای اوج تا حدودی کمتر از مقادیر عمیقترین بخشهای هسته بود. با اینحال، همان پنجره گذرا برای مشاهده واکنشهای شیمیایی و رفتار تقسیم عناصر کافی است تا مدلهای ما را آگاه کند. در آزمایش، هیدروژن به آلیاژ آهن منتقل شد و در آنجا با سیلیکون و اکسیژن پیوند برقرار کرد — چیزی که احتمالاً معادلی از چگونگی بهدام افتادن هیدروژن در هستهٔ در حال شکلگیری میلیاردها سال پیش است.
برای درک بهتر این یافتهها لازم است با دقت بیشتری به روش و محدودیتهای آزمایش توجه کنیم. سلولهای آنویل الماس قادر به تولید فشارهای خیلی بالاتر و زمانهای طولانیتر نیستند، از این رو نتایج بهعنوان نشانهای قوی اما نه قطعی تفسیر میشوند. همچنین ترکیب نمونهها در آزمایشها سادهسازی شده بود: کریستالها، آلیاژها و ترکیبهای شیمیایی در هستهٔ واقعی احتمالاً متنوعتر و پیچیدهتر هستند. با این همه، مشاهدهٔ پیوند هیدروژن با آلیاژ آهن در این طیف فشار و دما یک گام مهم در جهت فهم سازوکارهای ذخیرهٔ عناصر فرار در هسته است.
زمینشناسان فیزیکی مدتهاست که حدس زدهاند هسته حاوی عناصر سبکتری است چون اندازهگیریهای لرزهای نشان میدهد چگالی آن کمتر از آهن خالص است. سیلیکون از قبل مظنون است که بین ۲ تا ۱۰ درصد از جرم هسته را تشکیل دهد. با استفاده از این برآوردهای سیلیکون و پیوند مشاهدهشدهٔ هیدروژن-سیلیکون در آزمایشگاه، تیم هوانگ تخمین زد که هیدروژن ممکن است حدود 0.07 تا 0.36 درصد از جرم هسته را تشکیل دهد.
اعداد اهمیت دارند. آن کسری به حدود 1.35 تا 6.75 ضربدر 10^21 کیلوگرم هیدروژن ترجمه میشود — بین تقریباً 9 تا 45 برابر هیدروژنی که در اقیانوسهای زمین قفل شده است. تصور کنید سیاره از دور خشک به نظر میرسد، در حالی که یک مخزن فلزی عظیم از سبکترین عنصر در عمق آن پنهان شده است.
برای زمینهبخشی بیشتر: محاسبات جرم و چگالی هسته مبتنی بر اندازهگیریهای لرزهای و مدلهای فشار-دما است که خود تحت تاثیر ترکیب شیمیایی قرار دارند. افزودن هیدروژن یا سایر عناصر سبک به هسته میتواند چگالی تئوریک را کاهش دهد و بنابراین با مشاهدات لرزهای سازگار شود. اما برای تعیین دقیق مقدار هیدروژن نیاز به ترکیب دادههای تجربی فشار بالا، اندازهگیریهای لرزهای و مدلهای شیمیایی فرگشتی است.
چرا این موضوع مهم است: منشاء، چرخهها و مقایسههای سیارهای
هیدروژن جداشده چند روایت را همزمان تغییر میدهد. نخست: منشاء آب زمین. اگر مقدار قابلتوجهی از هیدروژن در طول تجمع سیارهای در هسته بهدام افتاده باشد، آنگاه بخش بزرگی از آب زمین میتواند در مراحل اصلی شکلگیری سیاره تحویل داده و محبوس شده باشد، نه اینکه لزوماً بعداً از طریق دنبالهدارهای یخی وارد سیاره شده باشد. این بازنویسی زمانبندی تحویل گازها و فرارها را دگرگون میکند و پیامدهایی برای زمان و نحوهٔ تشکیل اقیانوسها و اتمسفرهای سطحی دارد.
دوم: شیمی و دینامیک هسته. هیدروژن واردشده در آلیاژهای آهنی، چگالی، رفتار ذوب و رسانایی الکتریکی را تغییر میدهد — عواملی که مستقیماً به چگونگی تولید و نگهداری میدان مغناطیسی زمین مرتبطاند. هستهای که هیدروژن حمل کند میتواند مدلهای همرفت گرمایی و شیمیایی در هستهٔ خارجی را تغییر دهد و فهم ما از تاریخچه ژئومغناطیسی را دگرگون سازد. بهعنوان مثال، رسانایی الکتریکی بالاتر یا پایینتر میتواند کارایی دینامو (dynamo) مغناطیسی را تحت تاثیر قرار دهد و الگوهای میدان مغناطیسی را در طول زمان تغییر دهد.
سوم: یک چشمانداز سیارهای وسیعتر. اگر هیدروژن بهراحتی در طول شکلگیری به هستههای فلزی کشیده شود، پس سیارههای سنگی که از دور خشک به نظر میرسند ممکن است مخازن داخلی بزرگی از فرارها (volatile) را پنهان کرده باشند. این امر نحوهٔ تفسیر مشاهدات فراسیارهها (اکزواَپلنتها) را تحت تاثیر قرار میدهد و معیارهای ما را برای انتخاب جهانهایی که احتمالاً اقیانوسهای زیرسطحی یا فرآیندهای وابسته به فرارها را دارند، تغییر میدهد.
این یافتهها همچنین در بحثهای مربوط به زیستپذیری سیارات (habitability) اهمیت پیدا میکنند. منابع داخلی هیدروژن میتوانند منبعی پایدارتری برای انتشار گازها در بلندمدت فراهم کنند و به پایداری اتمسفرها و چرخههای آب در طول میلیاردها سال کمک کنند — چیزی که برای نگهداری شرایط مناسب برای حیات اهمیت دارد.
با وجود همهٔ این پیامدها، مقالهٔ هوانگ ادعاهای محتاطانهای مطرح میکند. تیم پژوهشی یادآور میشود که رسیدن به پاسخهای قطعی نیازمند آزمایشهای بیشتر در گسترهٔ کامل فشارها و دماهای هسته، بهبود مدلهای تقسیم عناصر (element partitioning)، و محدودیتهای بهتر بر شیمی تجمع اولیهٔ زمین است. با این وجود، نتیجه چشمگیر است: هیدروژنی که ما در اقیانوسها و سنگها مییابیم ممکن است تنها نمونهای کوچک از موجودی واقعی زمین باشد.
علاوه بر آزمایشهای فشار بالا، ترکیبسنجی ایزوتوپی و مدلسازیهای تکاملی میتوانند سرنخهایی دربارهٔ زمان و منبع ورود هیدروژن به درون زمین بدهند. برای مثال، نسبتهای ایزوتوپی هیدروژن (مانند D/H) بین منابع مختلف — سیارکها، دنبالهدارها و مواد اولیهٔ خورشیدی — تفاوت دارد و میتواند در تعیین مبدا مؤثر باشد. بنابراین ترکیب شواهد آزمایشگاهی، دادههای ایزوتوپی و مدلهای سیارهای، مسیر قابل اطمینانی برای پیشروی است.
بینش کارشناسان
«اگر این نتایج پابرجا باقی بمانند، مجبور به بازنگری در بودجهٔ فرارها (volatile budgets) در طی شکلگیری سیارات خواهیم شد،» میگوید دکتر لیا ریورا، ژئوشیمیدان سیارهای در دانشگاه آریزونا. «وجود هیدروژن در هسته نه تنها منبع آب را تغییر میدهد، بلکه نحوهٔ از دست رفتن یا حفظ فرارها توسط سیارات را در طول زمان دگرگون میسازد. این امر برای درک زیستپذیری بنیادی است.»
کارهای آزمایشگاهی بیشتری در راه است. پژوهشگران فشارها و دماها را بالاتر خواهند برد، ترکیبهای آلیاژی متفاوتی را بررسی خواهند کرد و رابطهٔ دقیق بین هیدروژن، سیلیکون و اکسیژن را تحت شرایط شبیه به هسته دقیقتر خواهند کرد. به موازات آن، لرزهنگاری، ژئومغناطیس و فیزیک مواد معدنی تحت فشار بالا پیامدهای یک هسته حامل هیدروژن را آزمون خواهند کرد. زمین اسرار خود را در عمق نگه میدارد. اما با هر آزمایش پرده کمی کنار میرود و شیمی درونی زمین معنادارتر میشود.
در نهایت، ترکیب این نتایج با مشاهدات زمینشناسی سطحی، نمونههای شیمیایی از سنگهای باستانی و مطالعات مقایسهای سیارهای میتواند به بازسازی تاریخچهٔ آبی و شیمیایی زمین کمک کند. اگر هیدروژن در هسته بیشتر از آنچه تاکنون پذیرفته شده ذخیره شده باشد، فرضیههای فعلی دربارهٔ منشاء آب، تکامل اتمسفر و پایداری میدان مغناطیسی نیاز به بازنگری دقیق خواهند داشت — بازنگریای که همدانش و همکاری میانرشتهای بین آزمایشگاههای فشار بالا، مدلسازی سیارهای و دادههای رصدی را طلب میکند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر