7 دقیقه
محدودیت جدید در شیمی هسته: کربن به‌عنوان عامل انجماد
طرحی کارتونی از زمین با برش که گوشته و هستهٔ داخلی و خارجی را نشان میدهد. خطوط میدان مغناطیسی تولیدشده توسط ژئودینامو به فضای اطراف امتداد می‌یابند و با باد خورشیدی تعامل دارند.
یک تیم چندملیتی از دانشگاه آکسفورد، دانشگاه لیدز و یونیورسیتی کالج لندن گزارش میدهد که کربن میتواند مؤلفهٔ تعیینکنندهای باشد که اجازه داده است هستهٔ بیرونی مذاب زمین به هستهٔ داخلی جامد که امروز مشاهده می‌کنیم، بلورین شود. این مطالعه که در Nature Communications در تاریخ 4 September 2025 منتشر شد، محدودیتی کمی در مورد ترکیب هسته ارائه میدهد: حدود 3.8 درصد از جرم هسته بهصورت کربن، میزان فرارسردسازی لازم برای آغاز انجماد را تا مقادیر سازگار با شواهد دیرزمینمغناطیسی و ژئوفیزیکی کاهش میدهد.
درک چرایی و چگونگی تشکیل هستهٔ داخلی اهمیت دارد زیرا رشد هستهٔ داخلی باعث رانش همرفتی در هستهٔ بیرونی می‌شود که ژئودینامو — میدان مغناطیسی‌ای که زمین را در برابر تشعشعات ذرات خورشیدی و کیهانی محافظت میکند — را تغذیه میکند و به پایداری شرایط زیست‌پذیر روی سطح کمک کرده است.
پیش‌زمینهٔ علمی: فرارسردسازی، هستهزایی و ترکیب هسته
تشکیل هستهٔ داخلی جامد صرفاً یک مسئلهٔ عبور دما از نقطهٔ ذوب نیست. در عوض، فیزیک هستهزایی کنترل‌کنندهٔ آغاز بلورین‌شدن است. آلیاژهای آهن مذاب می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی پایین‌تر از دمای تعادلی ذوب خود فرارسرد شوند پیش از آنکه بلورها ظاهر شوند؛ تشبیه‌های کلاسیک شامل قطرات ابر است که می‌توانند بسیار پایین‌تر از 0 درجهٔ سانتی‌گراد سرد شوند بدون اینکه یخ بزنند.
کارهای نظری پیشین نشان داده بود که هستهٔ خالص آهن نیاز به فرارسردسازی‌های شدید — در حدود 800–1000 °C — برای هستهزایی دارد. آن سناریو با محدودیت‌های ژئوفیزیکی در تضاد است: اگر هستهٔ زمین این‌قدر عمیقاً فرارسرد شده بود، مدل‌ها رشد بسیار سریع هستهٔ داخلی و فروپاشی میدان مغناطیسی سیاره‌ای را پیش‌بینی می‌کنند که هیچ‌یک با رکورد دیرزمینمغناطیسی یا لرزه‌ای سازگار نیست. پژوهش‌های مستقل به‌جای آن نشان میدهند که فرارسردسازی گذشته به‌طور تقریبی محدود به حدود 250 °C پایین‌تر از دمای ذوب بوده است.
این اختلاف نشان‌دهندهٔ اهمیت عناصر آلیاژی در هسته است. لرزه‌نگاری از پیش نشان میدهد که هسته از چگالی آهن خالص کمتر است، بنابراین عناصری مانند سیلیکون، گوگرد، اکسیژن و کربن مدت‌هاست به‌عنوان اجزای سبک پیشنهاد شده‌اند. مطالعهٔ جدید به‌طور صریح مدل میکند که چگونه این عناصر سبک هستهزایی و مسیر انجماد را در فشارها و دماهای معادل مرز هستهٔ داخلی تحت تأثیر قرار میدهند.
روش‌ها: شبیهسازیهای اتمی از هستهزایی در شرایط هسته
تیم پژوهشی از شبیهسازیهای اتمی در مقیاس بزرگ استفاده کرد و حدود 100,000 اتم را در شرایط فشار و دمای شدید داخل زمین دنبال کرد. این محاسبات در مقیاس مولکولی امکان برآورد مستقیم نرخ‌های هستهزایی را فراهم می‌آورد: با چه فرکانسی خوشههای بلوری کوچک از یک مایع فرارسردشده شکل می‌گیرند و رشد می‌کنند.
با تغییر شیمی آلیاژ، پژوهشگران کمّی کردند که هر عنصر سبک چگونه مقدار فرارسردسازی لازم برای هستهزایی را تغییر میدهد. آنها مخلوط‌هایی با غلظت‌های نماینده‌ای از سیلیکون، گوگرد، اکسیژن و کربن آزمایش کردند تا تشخیص دهند کدام ترکیبات هم می‌توانند در فرارسردسازی‌های معتدل هستهزایی کنند و هم با اندازهٔ مشاهده‌شدهٔ هستهٔ داخلی امروزی سازگار باشند.
شبیه‌سازی‌ها نشان میدهد که سیلیکون و گوگرد، برخلاف بعضی انتظارات، تمایل به کند کردن هستهزایی دارند و بنابراین نیازمند درجات بالاتری از فرارسردسازی‌اند. اما کربن اثر معکوس دارد: کاتالیزور هستهزایی در این آلیاژهای غنی از آهن است، مانع انرژی برای انجماد را کاهش میدهد و اجازه میدهد هستهٔ داخلی با فرارسردسازی بسیار کمتر شکل بگیرد.
نتایج کلیدی و پیامدها برای تکامل زمین
وقتی تیم هسته‌ای حاوی حدود 2.4 درصد کربن بهصورت جرم را مدل‌سازی کرد، فرارسردسازی موردنیاز پیش‌بینی‌شده به تقریباً 420 °C کاهش یافت — بهبودی که هنوز بالاتر از محدودیت‌های دیرزمینمغناطیسی بود. با برازش نتایج شبیهسازی به ترکیبی از هسته با حدود 3.8 درصد کربن، فرارسردسازی موردنیاز به حدود 266 °C نزدیک شد که با محدودیت‌های مستقل و با اندازهٔ فعلی هستهٔ داخلی سازگار است.
این ترکیب تنها موردی است که در مطالعه هم‌زمان هم رفتار هستهزایی و هم ابعاد هستهٔ داخلی استنتاج‌شده از لرزه‌نگاری را توضیح میدهد. نتیجه بدین معنی است که کربن ممکن است جزئی قابل‌توجه‌تر از هستهٔ زمین باشد تا آنچه در بسیاری از مدل‌های پیشین فرض شده بود و اینکه کربن نقش حیاتی‌ای در اجازه‌دادن به هستهٔ داخلی برای هستهزایی در تاریخ اولیهٔ زمین داشته است.
پیامدهای اضافی شامل موارد زیر است:
پایداری میدان مغناطیسی
هستهزایی و رشد بعدی هستهٔ داخلی انرژی و شناوری ترکیبی فراهم میکند که رانش همرفتی هستهٔ بیرونی را به حرکت در می‌آورد و ژئودینامو را حفظ میکند. تأخیر یا نبود هستهٔ داخلی، تاریخچهٔ میدان مغناطیسی را تغییر می‌داد و پیامدهایی برای حفظ جو و زیست‌پذیری سطحی به دنبال داشت.
محدودیت‌ها بر شکل‌گیری سیاره و انتقال فرارپذیرها
اگر هستهٔ زمین چند درصد کربن داشته باشد، این امر مدل‌های هم‌نشینی و تفکیک فرارپذیرها در طول تشکیل سیاره را محدود میکند و میتواند در مقایسه با اجرام زمینی دیگر اطلاعات قابل‌توجهی ارائه دهد.
مطالعه همچنین نشان میدهد که انجماد هستهٔ داخلی میتواند بدون دانه‌های هسته‌زا خارجی رخ دهد، چون ذرات نامزد در مدل‌های پیشین در شرایط هسته ذوب یا حل می‌شوند، که اهمیت شیمی آلیاژ را به‌عنوان کنترل اصلی تقویت میکند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر آملیا رِیزِز، فیزیک‌دان سیاره‌ای که در این مطالعه شرکت نداشت، اشاره میکند که این کار نشان میدهد چگونه فیزیک در مقیاس اتمی میتواند بر تکامل سیاره‌ای تأثیر بگذارد. او می‌گوید سناریوی غنی از کربن با محدودیت‌های شیمی شهاب‌سنگی سازگار است و پیوندی منسجم بین مشاهدات لرزه‌ای، دیرزمین‌مغناطیس و ترمودینامیک هسته فراهم می‌آورد. به نظر او، این نتیجه انگیزهای برای آزمایشهای آزمایشگاهی و مشاهداتی است که بتوانند بودجهٔ کربن در اعماق زمین را بیشتر محدود کنند.
پژوهشگران اصلی بر اهمیت گستردهٔ مرتبط‌کردن سینتیک هستهزایی میکروسکوپی با رفتار ماکروسکوپی سیاره‌ای تأکید می‌کنند. آنها همچنین ارزش شبیهسازیهای با دقت بالا را در کاوش نواحی زمین که دسترسی مستقیم به نمونه‌برداری ندارند، برجسته می‌کنند. این پژوهش با حمایت Natural Environment Research Council (NERC) انجام شد.
نتیجه‌گیری
شبیهسازیهای اتمی جدید نشان میدهند که سهمی متوسط اما قابل‌توجه از کربن در هستهٔ زمین — در حدود 3.8 درصد بهصورت جرم — آستانهٔ فرارسردسازی را آن‌قدر کاهش میدهد که هستهزایی هستهٔ داخلی با محدودیت‌های ژئوفیزیکی سازگار ممکن شود. این یافته نقش کربن در شیمی هسته را بازتعریف میکند، پیوند مکانیکی بین ترکیب هسته و تکامل میدان مغناطیسی را تقویت میکند و هدفی قابل‌آزمایش برای آزمایشهای آینده و مدل‌های تشکیل سیارات فراهم می‌آورد. با روشن‌کردن اینکه چگونه هستهٔ داخلی جامد می‌توانست شکل بگیرد، این کار درک ما از اعماق زمین و پایداری بلندمدت ژئودینامو را پیش می‌برد.
منبع: sciencedaily
.avif)
نظرات