کشف ذخیره پنهان آب در ژرفای گوشته زمین و مرز هسته آن

تصور کنید درست زیر پاهایتان مخزنی از آب وجود دارد؛ نه دریاچه‌ای پنهان و نه اقیانوسی زیرزمینی، بلکه آبی که در بلورهای معدنی، در عمقی نزدیک به دو هزار کیلومتر، به دام افتاده است. مقدارهای اندکی هیدروژن که در دل کانی‌های متراکم و آهن‌دار جای گرفته‌اند، شاید انبار سیاره‌ای بزرگی از آب را نگه داشته باشند که تاکنون حتی به وجود آن مشکوک نبودیم.

آب فقط رودخانه‌های سطحی، ابرها و چرخه بارش نیست. آب می‌تواند سنگ‌ها را نرم‌تر کند، جریان آهسته گوشته زمین را روان سازد و به سیاره کمک کند تا گرما و عناصر فرار را در مقیاس زمان زمین‌شناسی بازیافت کند. به همین دلیل، آب ژرف درون زمین یک تنظیم‌کننده خاموش برای زمین‌ساخت صفحه‌ای و اقلیم به شمار می‌آید. اینکه این آب چگونه به آنجا رسیده است، هنگام شکل‌گیری سیاره یا بعدها با برخورد سیارک‌ها، سال‌ها محل بحث بوده است. اما تا امروز، حاملان قابل‌قبولی نمی‌شناختیم که بتوانند در گرمای سوزان و فشار خردکننده پایه گوشته زنده بمانند.

لرزه‌شناسان در مرز هسته و گوشته، ناحیه‌هایی شگفت‌انگیز با سرعت بسیار پایین امواج لرزه‌ای را نقشه‌برداری کرده‌اند. پایین‌ترین بخش گوشته در عمقی حدود ۶۶۰ تا ۲۹۰۰ کیلومتر زیر سطح زمین قرار دارد. این ناهنجاری‌ها نشان می‌دادند که در آن ژرفا اتفاقی غیرعادی در جریان است. برای بررسی اینکه چه چیزی ممکن است در چنین محیط افراطی پنهان شده باشد، پژوهشگران شرایط مرز هسته و گوشته را با استفاده از سلول‌های سندان الماسی گرم‌شونده با لیزر بازسازی کردند؛ نمونه‌های بسیار کوچکی که میان نوک‌های الماسی فشرده می‌شوند و با لیزر حرارت می‌بینند تا به همان فشار و دمایی برسند که هزاران کیلومتر زیر پوسته زمین وجود دارد.

شرایط فشار-دما برای تشکیل اکسی‌هیدروکسیدهای آهن.

در این شرایط، این گروه دو اکسی‌هیدروکسید آهن ناشناخته را کشف کرد: Fe5O12Hx و Fe7O12Hx. این ترکیبات در جایی شکل می‌گیرند و پایدار می‌مانند که بسیاری از فازهای آبدار دیگر فرو می‌پاشند. این کانی‌ها حتی زمانی که مواد آغازین کمتر از ۰.۱ درصد آب دارند، می‌توانند هیدروژن را در خود به دام بیندازند؛ بنابراین گزینه‌هایی بسیار مناسب برای ذخیره آب در گوشته ژرفی هستند که در ظاهر خشک به نظر می‌رسد. همچنین چگالی آن‌ها از سنگ‌های پیرامون بیشتر است؛ یعنی ممکن است در اوایل تاریخ زمین متبلور شده باشند و هنگام سرد شدن اقیانوس ماگمایی بنیادین و آغازین، به سوی مرز هسته و گوشته فرو رفته باشند.

آیا این آب می‌تواند برای همیشه در اعماق مدفون بماند؟ لزوما نه. گردش گوشته می‌تواند مواد را به سمت بالا جابه‌جا کند و کاهش فشار می‌تواند کانی‌های آبدار را ناپایدار سازد. در نتیجه، هیدروژن آزاد می‌شود تا وارد فازهای معدنی دیگر شود یا به کمک ستون‌های داغ گوشته‌ای و آتشفشان‌ها به سمت سطح زمین حرکت کند. این روند مسیری آهسته اما واقعی فراهم می‌کند تا آب ژرف زمین در بازه‌ای از میلیون‌ها تا میلیاردها سال دوباره به چرخه نزدیک سطح بازگردد.

این پژوهش همچنین به توضیح یک معمای آزمایشگاهی قدیمی کمک می‌کند که با نام فاز H شناخته می‌شد. چیزی که پیش‌تر به عنوان یک فاز عجیب، خشک و پرفشار در نظر گرفته می‌شد، ممکن است در واقع اکسی‌هیدروکسیدی بوده باشد که در اثر مقدارهای ناچیز هیدروژن در طول آزمایش‌ها شکل گرفته است. لئونید دوبرووینسکی، فیزیک‌دان کانی‌ها، و دیگر پژوهشگران اشاره کرده‌اند که رطوبت بسیار کم برای پایدار کردن این ترکیبات کافی است و همین موضوع یک ناسازگاری دیرینه میان نتایج آزمایشگاهی و نظریه را برطرف می‌کند.

با این حال، پرسش‌ها همچنان باقی است. این اکسی‌هیدروکسیدهای آهن در عمل چه مقدار آب می‌توانند ذخیره کنند؟ در مرز دقیق هسته و گوشته چه سرنوشتی پیدا می‌کنند؟ و آب مدفون در چه بازه زمانی می‌تواند به سطح زمین بازگردد؟ با وجود این ابهام‌ها، این کشف داستان آب زمین را ژرف‌تر و شگفت‌انگیزتر می‌کند: گوشته ژرف شاید نه یک لایه سنگی خشک و بی‌بار، بلکه بایگانی کندحرکت از تاریخ عناصر فرار و آب درونی سیاره ما باشد.