7 دقیقه
چرا هستهٔ زمین اهمیت دارد و چه چیزهایی نامشخص مانده‌اند
هستهٔ غنی از آهن در مرکز زمین نقش محوری در تکامل بلندمدت سیاره دارد. این هسته ژئودینامویی را حفظ میکند که میدان مغناطیسی را تولید میکند و اتمسفر و اقیانوس‌ها را از بادهای خورشیدی و تابش کیهانی محافظت می‌نماید. همچنین گرمای آزادشده از هسته به رانش همرفت گوشته و تکتونیک صفحات کمک میکند؛ فرآیندهایی که در مقیاس زمین‌شناختی قارهها را شکل داده و بر اقلیم تأثیر گذاشته‌اند.
با وجود این اهمیت، بسیاری از خواص بنیادی هسته هنوز نامشخص‌اند. دانشمندان هنوز در مورد دمای دقیق هستهٔ داخلی، ترکیب دقیق عناصر سبک موجود در آن یا زمان‌بندی و سازوکاری که هستهٔ زمانی مایع شروع به جامد شدن کرده توافق ندارند. نمونهبرداری مستقیم ممکن نیست، بنابراین پژوهشگران بر شواهد غیرمستقیم و آزمایش‌هایی که فشارها و دماهای شدید را بازتولید میکنند تکیه میکنند.
یک مطالعهٔ جدید با استفاده از شبیهسازیهای فیزیک معدنی نشان میدهد که یک متغیر که پیش‌تر کمتر مورد توجه قرار گرفته میتواند به حل این ابهامات کمک کند: کربن. این کار رفتار در مقیاس اتمی در آلیاژهای آهن را به قیود بزرگ‌مقیاسِ لرزهنگاری پیوند میدهد و پنجرهٔ محدودتری بر شیمی هسته، رفتار ذوب و شرایط لازم برای انجماد هستهٔ داخلی ارائه میدهد.
زمینهٔ علمی: ساختار، لرزهنگاری و شیمی شهابسنگها
هستهٔ زمین به هستهٔ داخلی جامد و هستهٔ بیرونی مایع تقسیم می‌شود. لرزهنگاری — مطالعهٔ نحوهٔ گذر امواج زلزله از درون زمین — شعاع هستهٔ داخلی را تعیین کرده و محدودیت‌هایی بر چگالی و سرعت‌های لرزهای فراهم می‌آورد. اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی روی کانی‌ها و فلزات در فشارهای بالا سپس برای استنباط اینکه کدام مخلوط‌های عناصر میتوانند سیگنال‌های لرزهای مشاهده‌شده را بازتولید کنند استفاده می‌شود.
شهابسنگها یک محدودیت تکمیلی اما کلی‌تر ارائه می‌دهند. برخی شهابسنگها قطعاتی از مواد سیاره‌ای اولیه‌اند و ترکیب آغازین محتمل بلوک‌های سازندهٔ زمین را نشان می‌دهند. شیمی شهابسنگها نشان میدهد که هسته عمدتاً باید از آهن و نیکل تشکیل شده باشد، همراه با چند درصد وزنی عناصر سبک مانند سیلیکون، گوگرد، اکسیژن یا کربن. با این حال، داده‌های شهابسنگها به اندازهٔ کافی مشخص نیستند که نسبت‌های دقیق را تعیین کنند.
داده‌های لرزهای دلالت دارند که هسته در فشارهای هسته تقریباً ۱۰ درصد کمتر از آهن خالص چگالی دارد و اینکه هستهٔ بیرونی مایع از هستهٔ داخلی جامد سبک‌تر است. تنها ترکیبهای آلیاژی خاصی با این نیازمندی‌های چگالی و سرعت مطابقت دارند. با این حال، در میان ترکیبهای نامزد، دماهای ذوب پیش‌بینی‌شده میتواند صدها درجهٔ سلسیوس تفاوت داشته باشد، که توانایی ما در استنباط دمای هستهٔ داخلی و زمان‌بندی بلورینگی آن را محدود میکند.
قیود جدید از فیزیک معدنی و نقش کربن
تحقیق اخیر شبیهسازیهای فیزیک معدنی را بر فرآیند هستهزایی — چگونگی سازمان‌یافتن اتم‌ها در یک مایع برای آغاز تشکیل یک بلور جامد — اعمال میکند. در آلیاژهای فلزی، ناخالصی‌های مختلف عناصر سبک نحوهٔ آغاز انجماد مایع را تغییر می‌دهند. برخی آلیاژها نیاز به سرمایش بیش از حد قابل توجهی زیر دمای ذوب تعادلی دارند تا جامد شدن شروع شود؛ برخی دیگر راحت‌تر بلورین می‌شوند.
این مطالعه آلیاژهای آهن-کربن را در فشارها و دماهای مرتبط با هسته مدل‌سازی کرده و درجهٔ سرمایش بیش از حد لازم برای هستهزایی فازهای آهنی جامد را برآورد کرده است. نتایج نشان میدهد که سهم جرمی کربن به‌شدت بر سرمایش بیش از حد مورد نیاز تأثیر میگذارد. اگر هسته حدود ۲.۴ درصد کربن بر حسب جرم داشته باشد، در حدود ۴۲۰ درجهٔ سلسیوس سرمایش بیش از حد لازم خواهد بود تا انجماد هستهٔ داخلی آغاز شود. افزایش کربن به حدود ۳.۸ درصد، سرمایش مورد نیاز را به حدود ۲۶۶ درجهٔ سلسیوس کاهش میدهد — که همچنان چشمگیر است، اما با مدل‌های تکامل گرمایی زمین معقول‌تر به‌نظر می‌رسد.
این ارقام یک قید جدید برقرار میکنند: همهٔ ترکیب‌هایی که با چگالی‌های لرزهای تطابق دارند، نمی‌توانند تحت تاریخچه‌های حرارتی واقعی یک هستهٔ داخلی جامد را به‌طور معقولی شکل دهند. به‌ویژه، هسته‌ای متشکل صرف از آهن و کربن با مشاهدات لرزهای ناسازگار به‌نظر می‌رسد زیرا سرعت‌های لرزهای نیاز به وجود عناصر سبک اضافی دارند. بنابراین شبیه‌سازی‌ها ترکیب‌هایی را ترجیح می‌دهند که شامل مقادیر اندکی اکسیژن و احتمالاً سیلیکون همراه با کربن و گوگرد باشند.
پیامدها برای دما و سن هستهٔ داخلی
از آنجا که مرز هستهٔ داخلی باید در شرایطی قرار گیرد که دما با نقطهٔ ذوب برابر باشد، شناخت بهتر رفتار ذوب، برآوردهای دمای هستهٔ داخلی را تنگ‌تر میکند. این امر به نوبهٔ خود مدل‌های سرعت خنک‌شدن هسته در طول زمان زمین‌شناختی را بهبود می‌بخشد و محدودیت‌هایی بر زمان آغاز بلورینگی هستهٔ داخلی اعمال می‌نماید — پارامتری کلیدی برای فهم پایداری بلندمدت میدان مغناطیسی زمین.
نظر کارشناسی
دکتر النا مورالس، فیزیک‌دان سیاره‌ای با تجربه در آزمایشهای فشار بالا، اظهار می‌دارد: "پیوند زدن فیزیک هستهزایی به ترکیب هسته یک پیشرفت مفهومی مهم است. لرزهنگاری به ما می‌گوید هسته در مقیاس بزرگ چگونه به‌نظر می‌رسد، اما فیزیک معدنی میتواند محدود کند که کدام مخلوط‌ها از نظر تشکیل یک هستهٔ داخلی جامد واقعاً ممکن است. پیشنهاد اینکه سهم متواضعی از کربن در کنار اکسیژن یا سیلیکون بهتر توضیح‌دهندهٔ شکل‌گیری هستهٔ داخلی است، به هم‌پیوستن کارهای آزمایشگاهی و مشاهدات ژئوفیزیکی کمک میکند."
این دیدگاه بازتابی از همگرایی روش‌های مختلف است. لرزهنگاری قیود ساختاری را میدهد، شهابسنگها اعضای ترکیبیِ اولیه را ارائه میکنند، و شبیهسازیهای فیزیک معدنی اکنون قیود دینامیکی دربارهٔ چگونگی انجماد واقعی هسته فراهم می‌آورند.
راهبردهای آینده و زمینهٔ فناورانه
تأیید این یافته‌ها نیازمند رویکردهای مکمل است. آزمایشهای فشار و دمای بالا با استفاده از سلولهای سندان الماس و گرمایش لیزری میتوانند رفتار ذوب و هستهزایی را مستقیماً در نمونه‌های کوچک اندازه‌گیری کنند. پیشرفت در فشردهسازی دینامیک (شوک و فشردهسازی پلهای) به پژوهشگران امکان میدهد تا ذوب و جامدسازی گذرا را در فشارهای شبیه هسته بررسی کنند. تصویربرداری لرزهای بهبودیافته و اندازه‌گیری‌های دقیقتر خواص هسته قیود کلان‌مقیاسی را که مدل‌های ترکیب باید برآورده کنند تیزتر خواهند کرد.
درک ترکیب و انجماد هسته همچنین در مقایسه‌های سیاره‌ای اهمیت دارد. همان اصول برای دیگر سیارات داخلی و اگزوپلنت‌های بزرگ اعمال می‌شود: شیمی هسته بر تولید میدان مغناطیسی، تاریخچهٔ حرارتی و دینامیک داخلی تأثیر میگذارد. اگر کربن نقش قابل‌توجهی در هستهٔ زمین داشته باشد، ممکن است متغیری مهم در مدل‌های تکامل سیاره‌ای در سراسر منظومهٔ شمسی باشد.
نتیجه‌گیری
شبیهسازیهای اخیر فیزیک معدنی نشان میدهد که کربن، همراه با سایر عناصر سبک مانند اکسیژن و سیلیکون، میتواند به‌طور معناداری زمان و سازوکار آغاز انجماد هستهٔ داخلی زمین را تحت تأثیر قرار دهد. با پیوند رفتار هستهزایی در مقیاس اتمی به قیود لرزهای و شها‌ب‌سنگی، این پژوهش دامنهٔ ترکیبهای محتمل هسته را محدودتر کرده و مسیر جدیدی برای برآورد دمای هستهٔ داخلی و سن آن ارائه میدهد. برای تأیید و پالایش این نتایج هنوز به آزمایشهای آزمایشگاهی، فنون فشار بالا و مشاهدات لرزهای بیشتری نیاز است، اما این رویکرد گامی مهم در جهت حل پرسش‌های دیرین دربارهٔ ترکیب و تکامل بخش‌های عمیق زمین محسوب می‌شود.
منبع: theconversation
نظرات