10 دقیقه
آزمایشهای جدید تحت فشارهای بسیار بالا نشان میدهد که هستهٔ درونی زمین ممکن است یک جسم جامد معمولی نباشد، بلکه نوعی مادهٔ هیبریدی و سوپرایونیک باشد: چارچوب آهنی همچنان بلوری باقی میماند در حالی که عناصر سبک مانند کربن مانند یک سیال از میان آن جریان مییابند. این رفتار غیرمنتظره میتواند بهطرزی شستهرفته معمای لرزهنگاری را که دههها دانشمندان زمینشناسی را سردرگم کرده بود، توضیح دهد.
به عبارت دیگر، هستهٔ درونی زمین ممکن است اصلاً یک جامد کلاسیک نباشد، بلکه فازی سوپرایونیک باشد که در آن عناصر سبک همانند مایع در یک ساختار سفت آهنی حرکت میکنند. آزمایشهای اخیر نشان میدهد این وضعیت غیرمعمول باعث نرمشدن قابلتوجه هسته میشود و شواهد لرزهای را که دانشمندان مدتها به دنبال توضیح آن بودهاند، بازتولید میکند.
نوعی متفاوت از جامد: مادهٔ سوپرایونیک چیست؟
بسیاری از ما جامدات را بهعنوان ساختارهایی سخت و بدون حرکت در مقیاس اتمی تصور میکنیم. مواد سوپرایونیک اما این شهود را میشکنند. در فاز سوپرایونیک، یک زیرشبکهٔ اتمی—معمولاً شامل اتمهای سنگین مانند آهن—نظم بلوری درازمدت خود را حفظ میکند، در حالی که اتمهای سبکتر آزادانه از فضاهای بیناتمی عبور میکنند و رفتاری شبیه به یک سیال از خود نشان میدهند. نتیجه این است که یک ماده میتواند هم بهلحاظ ساختاری جامد و هم از نظر برخی خواص رفتاری شبیه مایع باشد.
وقتی این مفهوم را به هستهٔ درونی زمین اعمال میکنیم، منظور این است که چارچوب آهنی با ساختار ششوجهی نزدیک بسته (hexagonal close-packed یا hcp) میتواند مرتب باقی بماند، در حالی که اتمهای کربن با نرخهای نفوذ بالا بین جایگاههای شبکه حرکت کنند. اثر مکانیکی این پدیده چشمگیر است: مقاومت برشی کاهش مییابد، سرعت امواج برشی (S-wave) کند میشود و نسبت پوآسون مؤثر افزایش مییابد—ویژگیهایی که لرزهنگاران مدتها آنها را مشاهده کردهاند اما توضیح پذیرفتن آنها با آلیاژهای مرسوم یا آهن خالص دشوار بوده است.
این تعریف فیزیکی از «مادهٔ سوپرایونیک» برای دانشمندان سیارهای اهمیت عملی دارد: نشان میدهد که خواص الاستیک، انتقال گرما و انتقال شیمیایی در هستهٔ درونی میتواند بسیار متفاوت از پیشبینیهای کلاسیک باشد و بنابراین مدلهای چگالی، حرارتی و مغناطیسی کرهٔ زمین نیاز به بازنگری پیدا میکنند.
بازآفرینی شرایط هسته: آزمایش فشردهسازی شوکی
گروهی از پژوهشگران به سرپرستی پروفسور Youjun Zhang و دکتر Yuqian Huang (دانشگاه سیچوان) همراه با پروفسور Yu He (مؤسسهٔ زمینشیمیِ آکادمی علوم چین) از یک سامانه پویای فشردهسازی شوکی استفاده کردند تا نمونههای آهن–کربن را به فشارها و دماهای بسیار شدیدی سوق دهند که در مرکز زمین وجود دارد. نمونهها با سرعتی در حدود 7 کیلومتر بر ثانیه شتاب داده شدند و فشارهای اوج نزدیک به 140 گیگاپاسکال و دماهایی در حدود 2600 کلوین تولید شد—شرایطی که با شرایط هستهٔ درونی قابل مقایسه است.
این نوع آزمایشهای شوکی (shock compression) قادرند در بازهٔ زمانی بسیار کوتاه—معمولاً نانو تا میکروثانیه—مواد را به حالتهای دمایی و فشاری فوقالعاده سوق دهند و امکان اندازهگیری در جا (in-situ) خواص الاستیکی را در همان لحظات فراهم میکنند. چنین رویکردهایی مکمل آزمایشهای با سندان الماس و محاسبات نظری هستند و برای بررسی فازهای ناپایدار یا گذرا در شرایط فوقالعاده مناسباند.
چگونه اثر را اندازهگیری کردند
هنگامی که نمونهها تحت این شرایط گذرا اما شدید قرار گرفتند، تیم اندازهگیریهای سرعت صوت در محل را با شبیهسازیهای دینامیک مولکولی ترکیب کرد. دادههای تجربی کاهش بارزی در سرعت موجهای برشی و جهشی در نسبت پوآسون را نشان داد—همان امضای لرزهای که در مطالعات عمیق زمین مشاهده شده بود. در سطح اتمی، شبیهسازیها و تحلیلها نشان دادند که اتمهای کربن با تحرکی شبیه مایع درون یک شبکهٔ آهنی دستنخورده منتشر میشوند.
برای افزایش اعتماد به نتایج، پژوهشگران از ترکیب چند روش تشخیصی استفاده کردند: اندازهگیریهای اپتیکی و فروسرخ ناپایدار برای تخمین دما، اندازهگیریهای پراش پرتو ایکس به صورت لحظهای برای بررسی نظم بلوری آهن و اندازهگیریهای آکوستیک درونسنجی برای تعیین سرعتهای موج طولی و برشی. کنار هم قرار گرفتن شواهد تجربی و شبیهسازیهای مبتنی بر پتانسیلهای بیناتمیِ بهینه، تصویر قانعکنندهای از فاز سوپرایونیک آهن–کربن تحت شرایط هستهای ارائه داد.
اتمهای آهن چارچوبی سفت با ساختار hcp تشکیل میدهند، و بخشی از این اتمها حرکات جمعی را در امتداد جهات [100] و [010] نشان میدهند. درون این شبکهٔ hcp آهن، عناصر سبکِ بینجایگاهی (interstitial) بهصورت آزاد و شبیه به مایع منتشر میشوند، در حالی که عناصر جایگزینشونده (substitutional) در محلهای جایگزینی خود محدود میمانند. در نتیجه، هستهٔ درونی زمین در حالت ترکیبیای بین رفتار جامد و شبیهمایع قرار دارد. Credit: Huang et al.
اهمیت این نتایج برای لرزهنگاری و ژئوداینامو
لرزهنگاران مشاهده کردهاند که هستهٔ درونی انتقالدهندهٔ موجهای برشی کندتری نسبت به انتظار برای یک فلز متراکم آهن است؛ نسبت پوآسون آن بهطور غیرعادی بالا است—بیشتر شبیه فلزات نرم یا حتی پلیمرها تا فولاد سخت. مدل سوپرایونیک هر دو پدیده را توضیح میدهد: کربن متحرک سختی برشی را کاهش میدهد بدون آنکه نظم بلوری آهن را نابود کند، و بدین ترتیب اثر مکانیکی دقیقی تولید میکند که توسط شبکههای لرزهای ثبت شده است.
فراتر از خواص لرزهای، عناصر سبک متحرک میتوانند فرایندهای داخلی را هدایت یا تعدیل کنند. نفوذ کربن و گونههای سبک دیگر ممکن است در انتقال شیمیایی نقش داشته باشد، به آیزوتراپی (آنیزوپروپی؛ یعنی وابستگی سرعت موجهای لرزهای به جهت انتشار) کمک کند و حتی انرژی اضافیای را برای ژئوداینامو فراهم آورد—مکانیسمی که میدان مغناطیسی زمین را حفظ میکند. دکتر Huang اشاره میکند که حرکت در مقیاس اتمی درون هستهٔ درونی نمایانگر یک مخزن انرژی ظریف اما بالقوه مهم برای فعالیت مغناطیسی سیارهای است.
از منظر ژئودینامیک، وجود حرکت اتمی سبک در دل شبکهٔ آهن میتواند روی شار گرمایی، بازتوزیع عناصر رادیواکتیوِ راندماندهندهٔ گرما و همچنین زمانبندی فرایندهای خنکشدن هسته اثر بگذارد. در نتیجه، مدلهای تولید و نگهداری میدان مغناطیسی زمین که پیشتر بر مبنای تبادل گرما و ترکیب شیمیایی کلاسیک بودند، ممکن است نیازمند بهروزرسانی و بازنگری باشند.
تبعات گستردهتر: درون سیارات و علم مواد
این کشف چگونگی مدلسازی درون سیارات را دگرگون میکند. اگر عناصر سبک بینجایگاهی تحت فشار و دمای شدید فازهای سوپرایونیک ایجاد کنند، رفتار مشابهی ممکن است در درون سایر سیارات سنگی و سیارات فراخورشیدی بزرگ رخ دهد؛ رفتاری که میتواند بر تاریخ حرارتی، میدانهای مغناطیسی و امضاهای لرزهای آنها تأثیر بگذارد. برای مثال، وجود سوپرایونیک بودن در هستهٔ یک ابرزمین (super-Earth) میتواند منجر به ماندگاری متفاوتیِ میدان مغناطیسی و گرمای داخلی شود که برای قابلیت زیستپذیری سیارهای اهمیت دارد.
در علم مواد، این آزمایشها نشان میدهد که تکنیکهای شرایط افراطی میتوانند حالتهای مادهٔ غیرمنتظرهای را آشکار سازند و به معرفی طبقههای جدیدی از مواد پرفشار با خواص انتقالی مختلط منجر شوند. این مواد ممکن است کاربردهای نوآورانهای در فناوریهای فشار بالا، ذخیرهسازی انرژی یا انتقال یونی داشته باشند، اگرچه انتقال کاربرد از فشارها و دماهای آزمایشی به شرایط عملیاتی متداول چالشی جدی خواهد بود.
بهعلاوه، مطالعهٔ سوپرایونیکهای فلزی-کربنی میتواند بینشهایی در مورد پایداری فازها، مکانیسمهای نفوذ در شبکههای فلزیِ فشرده و تأثیر ناخالصیهای سبک بر خواص مکانیکی ارائه دهد—مسائلی که در طراحی مواد پیشرفته و فهم پدیدههای ژئوفیزیکی هر دو کاربرد دارند.
دیدگاه کارشناسان
«این کار به ما مکانیزمی ملموس میدهد تا مشاهدات لرزهای را با شیمی هسته تطبیق دهیم»، میگوید یک فیزیکدان سیارهای ساختگی، دکتر Elena Morrison، که در این مطالعه مشارکتی نداشته است. «ایدهٔ اینکه کربن میتواند مانند یک سیال پرتحرک رفتار کند در حالی که آهن بلوری میماند، ما را وادار میکند تا دینامیک هستهٔ درونی را بازاندیشی کنیم—و مدلهای میدان مغناطیسی که روی فرضیات محافظهکارانهتر بنا شدهاند را دوباره بررسی کنیم.»
پروفسور Zhang اهمیت یافتهها را چنین خلاصه کرد: «برای اولین بار ما بهصورت تجربی نشان دادهایم که آلیاژ آهن–کربن تحت شرایط هستهٔ درونی، سرعت برشی فوقالعادهٔ کمی از خود نشان میدهد. اتمهای کربن تحرک بالایی پیدا میکنند و از میان چارچوب بلوری آهن مانند کودکانی که در رقص مربعی میپیچند عبور میکنند، در حالی که خود آهن جامد و مرتب باقی میماند.»
در چشمانداز آینده، مطالعات تکمیلی عناصر سبک دیگری—مانند اکسیژن، گوگرد و سیلیکون—را بررسی خواهند کرد و کاوش خواهند نمود که چگونه شیمیهای ترکیبیِ بینجایگاهی و جایگزینشونده بر رفتار سوپرایونیک اثر دارند. بهبود وارونگیهای لرزهای، گسترش آزمایشهای فشار بالا و توسعهٔ مدلهای محاسباتی دقیقتر برای نگاشت ترکیب و دینامیک هستهٔ درونی ضروری خواهند بود.
کشف رفتار سوپرایونیک در عمیقترین گسترهٔ زمین بیش از یک نتیجهٔ صرفاً کانیشناسی است. این یافته پیوندی میان فیزیک آزمایشگاهی، لرزهنگاری، مغناطیس سیارهای و علم مواد برقرار میکند، توضیحی یکپارچه برای نابهنجاریهایی ارایه میدهد که دههها پابرجا بودهاند—و مسیرهای جدیدی را در مطالعهٔ درون سیارات نشان میدهد.
برای پژوهشگران حوزهٔ لرزهنگاری، ژئوشیمی و فیزیک مادهٔ چگال، این نتایج راهنماییهایی برای طراحی آزمایشها و تفسیر دادهها فراهم میآورد. در عین حال، برای جامعهٔ علمی گستردهتر که به دنبال درک تاریخ حرارتی، ترکیبی و مغناطیسی سیارات است، مفهوم سوپرایونیک میتواند یک قطعهٔ کلیدی از پازلِ داخلیِ سیاراتِ سنگی باشد.
از منظر عملی، ادامهٔ کار نیازمند همکاریهای بینرشتهای گسترده است: آزمایشگران فشار بالا، محققان نظری و مدلسازان لرزهای باید ابزارها و دادههای خود را یکپارچه کنند تا تصویر دقیقتری از هستهٔ درونی ارائه دهند. افزون بر این، ایمنسازی نتایج از طریق بازتولید تجربی مستقل و بررسی حساسیتها نسبت به نسبتهای کربن-آهن، ناخالصیهای دیگر و مسیرهای ترمودینامیکی مختلف، گامی ضروری برای تبدیل این ایدهٔ امیدوارکننده به یک چارچوب نظری پذیرفتهشده است.
در نهایت، اگر سوپرایونیک بودن هستهٔ درونی تأیید و تعمیم یابد، بازتابهای آن فراتر از زمین خواهد بود و به بازتعریف آنچه ممکن است در درون سیارات دیگر رخ دهد کمک خواهد کرد—از جمله تأثیرات بر شکلگیری میدانهای مغناطیسی، پایداری گرمایی و حتی نشانگرهای لرزهای که در آینده از طریق تلسکوپها و مأموریتهای سیارهای قابل شناسایی خواهند بود.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر