10 دقیقه
آزمایشهای جدید نشان میدهد که در دوران کاملاً مذابِ آغازین زمین، مقادیر زیادی از آب میتوانست بهجای گمشدن در فضا، عمیقاً در گوشتهٔ زمین محبوس شود. این مخزن پنهان — که با خنکشدن سیاره در ساختار بلوریِ مینرال بریجمانیت قفل شده بود — ممکن است نقش تعیینکنندهای در قابل سکونت شدن زمین ایفا کرده باشد. این یافتهها نگرش ما را نسبت به توزیع آب درونی زمین و تاریخچهٔ اقیانوسها تغییر میدهد و پیامدهای مهمی برای زمینشناسی سیارهای و مدلهای آب جهانی دارد.
بریجمانیت: خزانهٔ میکروسکوپی آب سیاره
حدود 4.6 میلیارد سال پیش، زمین جهانی آشفته و درخشان بود. برخوردهای مکرر و عظیم، سطح و بخش بزرگی از درون سیاره را مذاب نگه میداشتند و اقیانوس ماگمایی گستردهای شکل گرفت که در آن آب سطحی بهصورت مایع نمیتوانست پایدار بماند. با این وجود امروز تقریباً 70 درصد از سطح سیاره را اقیانوسها پوشاندهاند. سؤال کلیدی این است که چگونه آب توانست از آن دوران سوزان جان سالم به در ببرد و در مقیاس سیارهای حفظ شود؟
پژوهش اخیر به رهبری پروفسور Zhixue Du در موسسهٔ ژئوشیمی گوانگژو (GIGCAS) پاسخی قانعکننده ارائه میدهد: بریجمانیت، مینرال غالب در گوشتهٔ تحتانی، قادر است آب را در سطح اتمی در خود جای دهد و نگه دارد. پیش از این تصور میشد بریجمانیت در شرایط عمقدار گوشته تقریباً خشک است، اما تیم Du نشان داده است که ظرفیت این مینرال برای میزبانی آب با افزایش دما بیشتر میشود — یعنی داغترین مرحلهٔ تاریخ اولیهٔ زمین بهطور پارادوکسیکال بهترین زمان برای محبوس کردن آب در گوشته بوده است. این نتایج مبنای تازهای برای توضیح نگهداری «ذخیرهٔ آب گوشته» فراهم میآورند که ممکن است بخش بزرگی از آب سیاره را در قالبی داخلی پنهان نگه داشته باشد.
پیشرفتهای آزمایشگاهی که شرایط عمق گوشته را بازسازی کردند
برای سنجش میزان آبی که بریجمانیت میتواند در خود نگه دارد، پژوهشگران باید دو چالش دشوار را حل میکردند: بازسازی شرایط بیش از 660 کیلومتری زیر سطح و اندازهگیری آب در نمونههایی بسیار کوچکتر از موی انسان. تیم تحقیقاتی یک سلول سندان الماس سفارشی مجهز به گرمایش لیزری و تصویربرداری دمای بالا ساخت تا بتواند به دماهای تعادلی نزدیک به حدود ~4,100 درجهٔ سانتیگراد دست یابد — شرایطی که با اقیانوس ماگمایی باستانی بهتر همخوانی دارد تا بسیاری از آزمایشهای قبلی که در دماهای پایینتر انجام شده بودند. طراحی و ساخت چنین سلولی نیازمند مهندسی دقیق برای کنترل فشار و دما و حفظ ثبات نمونه در مدتزمانهای آزمایش بود.
بررسی آب در نمونهٔ آزمایشی بسیار کوچک
از منظر آنالیزی، پروژه ترکیبی از چند ابزار پیشرفتهٔ علمی بود: پراش الکترونی سهبعدی در دمای پایین (cryogenic 3D electron diffraction) برای تعیین ساختار بلوری، NanoSIMS برای نقشهبرداری ایزوتوپی و عنصری با وضوح بالا، و اتم پروب توموگرافی (APT) برای آشکارسازی ترکیب شیمیایی در مقیاس نزدیک به اتمی. این مجموعهٔ ابزارها مانند یک «سیتیاسکن شیمیایی میکروسکوپی» و «طیفسنج جرمی دقیق» عمل کردند و به تیم اجازه دادند توزیع آب درون کریستالهای بسیار کوچک بریجمانیت را مشاهده کنند و بهروشنی تأیید کنند که آب بهصورت ساختاری در شبکهٔ بلوری این مینرال حل شده است، نه صرفاً در تخلخلها یا بهصورت جداگانه. ترکیب چندین روش تحلیلیِ مقیاس-ریز باعث افزایش اعتبار نتایج و کاهش ابهام دربارهٔ منبع و حالت آب در نمونهها شد.
یافتههای کلیدی: گوشتهٔ داغتر یعنی درونی تر مرطوبتر
آزمایشها نشان دادند که ضریب تقسیم آب بریجمانیت — معیاری از میزان آبی که این مینرال نسبت به مذاب جذب میکند — با افزایش دما بالا میرود. به عبارت عملی، این نتیجه مفروضات پیشین را معکوس میکند: در مرحلهٔ اقیانوس ماگمایی، هنگامی که بریجمانیت از ماگما تبلور مییافت و کریستالها رشد میکردند، این مینرال قادر بود مقدار بسیار بیشتری آب را نسبت به آنچه قبلاً تصور میشد، محبوس کند. این کشف نشان میدهد که شرایط دماییِ بالاتر نه تنها تبخیر یا از بین رفتن آب را تسهیل نکرد، بلکه زمینهای برای انتقال مؤثرتر آب به درون گوشته فراهم نمود.
با استفاده از مدلهای تبلور و ردیابی تودهای، تیم نشان داد که گوشتهٔ تحتانی اولیه میتوانسته بزرگترین مخزن آب در زمین جامد شود. شبیهسازیهای آنها نشان میدهد پتانسیل ذخیرهٔ این مخزن بین پنج تا ۱۰۰ برابر برآوردهای قبلی بوده است. بهصورت عددی مطلق، گوشتهٔ جامد اولیه ممکن است بین 0.08 تا 1 برابر حجم اقیانوسهای مدرن زمین آب ذخیره کرده باشد — ذخیرهای بهقدر کافی بزرگ برای تأثیرگذاری بر اقلیم بلندمدت و دینامیک زمینشناختی. این بازهٔ وسیع بازتابدهندهٔ عدم قطعیت در پارامترهای مدل است — از جمله فراوانی اولیهٔ آب روی سیاره، سرعت تبلور، و فرآیندهای انتقال و بازیابی آب از گوشته — اما حتی حد پایینِ این برآورد نیز اهمیت ژئوفیزیکی بالایی دارد.
چگونه آب پنهان، تکامل زمین را شکل داد
آب داخل گوشته صرفاً یک موجودی منفعل نیست. آب حلشده نقطهٔ ذوب سنگها را کاهش میدهد و ویسکوزیتهٔ سنگها را کم میکند؛ بهعبارت دیگر، آب مانند یک روانکننده عمل میکند که همگامسازی جریانهای همرفتی گوشته را تسهیل و حرکت صفحات لیتوسفری را تشویق میکند. وجود یک مخزن عمیق و غنی از آب در مراحل شکلگیری زمین میتوانست گردش داخلی را بهسرعت فعال کند، تکتونیک صفحات اولیه را تسهیل سازد و خروج گازهای آتشفشانی مداوم را پشتیبانی کند — فرآیندهایی که در ساختن اتمسفر اولیه و چرخهٔ بازگشت آب به سطح در طول صدها میلیون سال نقش داشتهاند. این مکانیسمها نشان میدهد چگونه رفتار میکروسکوپی یک مینرال میتواند پیامدهای ماکروسکوپی و در مقیاس سیارهای داشته باشد.
تکامل آب عمقی از زمین اولیه تا امروز
در طول زمانهای زمینشناختی، بخشی از آن آب مدفون شده میتوانست توسط ستونهای گوشته (mantle plumes) و فرآیندهای ماگمایی بهسمت بالا منتقل شود و به تدریج اقیانوسهای سطحی را بازتأمین نموده و به شکلگیری اتمسفر نخستین کمک کند. در این دیدگاه، آبی که طی مرحلهٔ اقیانوس ماگمایی در بریجمانیت «کاشته» شده بود منبع داخلی پایداری را فراهم آورد که گذار زمین از یک کورهٔ مذاب به سیارهای معتدل و قابل زیست را تسهیل کرد. این چرخهٔ درونی-سطحی آب — شامل ذخیرهٔ عمیق، انتقال به سمت بالا و آزادسازی از طریق آتشفشان و تکتونیک صفحات — مبنایی برای پایداری آب سطحی در مقیاس میلیارد سال به بعد فراهم ساخت.
پیامدها برای علوم سیارهای و قابل سکونت بودن
این نتایج تنها برای تاریخ زمین مهم نیستند؛ فهم مکانیزمهای ذخیرهٔ گازها و مایعات فرّار (volatiles) در شرایط شدید فشار و دما برای مدلسازی دیگر سیارات سنگی و سیارات فراخورشیدی نیز حیاتی است. اگر یک مینرال رایج گوشته مانند بریجمانیت بتواند در زمان اوج دمای سیاره حجم زیادی آب را به دام اندازد، آنگاه سیارات سنگیای که دورههای اقیانوس ماگمایی اولیه را تجربه کردهاند ممکن است ظرفیت نگهداری فرّارها را داشته باشند تا بعدها اتمسفر و آب سطحی تشکیل دهند — عناصر کلیدی برای قابل سکونت بودن. بنابراین این پژوهش بینشهایی برای طبقهبندی شرایط اولیهٔ سیارات دوردست ارائه میدهد و میتواند به انتخاب اهداف برای جستجوی حیات در منظومههای دیگر کمک کند.
برای زمینشناسان، این یافتهها نیاز به بازنگری در بودجهٔ کلی آب زمین و دینامیک گوشته را مطرح میکنند. همچنین حساسیت چرخههای ژئوشیمیایی به دما در طول تفکیک سیارهای اولیه و اهمیت آزمایشهای فشار-بالا و دما-بالا را برجسته میسازند. این پژوهش نشان میدهد که دادههای آزمایشگاهی با شرایطی نزدیکتر به واقعیتِ سیارهای میتوانند پارادایمهای کنونی را تغییر دهند و بر مدلسازیهای اقلیم اولیه، ردیابی ایزوتوپها و سنجش تاریخ آبیِ زمین تأثیر بگذارند.
دیدگاه کارشناسی
«این مطالعه روایت ما دربارهٔ محل اقامت آب زمین در خشنترین دوران آن را تغییر میدهد»، میگوید دکتر ماریا آلوارز، ژئوفیزیکدان سیارهای که در این تحقیق نقش مستقیمی نداشته است. «با نشان دادن اینکه بریجمانیت میتواند بهعنوان یک مخزنِ وابسته به دما عمل کند، تیم تحقیقاتی یک پیوند مکانیکی بین تبلور اولیه، دینامیک گوشته و ظهور بعدی اقیانوسهای سطحی برقرار میکند. این کمک میکند توضیح دهیم چگونه زمین میتوانست اجزای لازم برای قابل سکونت ماندن را علیرغم گرمایشهای اولیهٔ شدید حفظ کند.»
دکتر آلوارز میافزاید که رویکرد تجربی — ترکیب آزمایشهای سلول سندان الماس با دماهای بسیار بالا بههمراه NanoSIMS و APT — یک استاندارد جدید برای بررسی رفتار فرّارها در شرایط داخلی سیاره تعیین میکند. او همچنین تأکید میکند که ترکیب چندین تکنیک آنالیزی و مدلسازی تئوریک، کیفیت شواهد را تقویت و اطمینان علمی را بالا برده است.
نتیجهگیری
با نشان دادن اینکه بریجمانیت میتواند در دماهای اقیانوس ماگمایی مقدار قابلتوجهی آب را محبوس کند، پژوهش جدید یک مسیر معتبر برای توضیح نحوهٔ حفظ آب زمین در دوران پرآشوب اولیه ارائه میدهد. ایدهٔ یک مخزن عمیق و در ابتدا پنهان از آب نحوهٔ درک ما از تکامل سیارهای را بازتعریف میکند و رفتار میکروسکوپی مینرالها را به فرآیندهای سطحی و در مقیاس جهانی پیوند میزند که زمین را قابل زیست ساختند. کارهای آتی که این محدودیتهای تجربی را با مدلهای ژئودینامیک و ایزوتوپی تلفیق میکنند، میزان دقیقتری از مقدار آب ذخیرهشده و سپس بازیافتشده به سطح ارائه خواهند داد — گامی مهم در جهت تدوین تاریخچهٔ یکپارچهٔ آب زمین.
چند نکتهٔ تکمیلی برای محققان و خوانندگان فنی:
- پارامترهای حساس در مدلها شامل فراوانی اولیهٔ هیدروژن در سیارهٔ اولیه، نرخ تبلور بریجمانیت از ماگما، و کارایی مکانسازهای انتقال آب از ساختارهای میکروسکوپی به مقیاسهای بزرگتر است.
- آزمایشهای بیشتر با طیف گستردهتری از فشار و دما و استفاده از ایزوتوپهای ردیاب میتوانند عدم قطعیتها را کاهش دهند و گسستگی بین مشاهدات آزمایشی و دادههای زمینشناسی را پر کنند.
- پیوند دادن نتایج آزمایشگاهی با شواهد ژئوشیمیایی از شهابسنگها و نمونههای زمینی قدیمی ممکن است سرنخهایی دربارهٔ منشاء آب سطحی و تغییرات ترکیبی آن در زمان ارائه دهد.
بهطور خلاصه، این تحقیق نه تنها یک پاسخ علمی به پرسش تاریخیِ «منبع آب زمین چیست» ارائه میدهد، بلکه چارچوبی برای کاوشهای آینده در زمینهٔ ذخیرهٔ آب درونی سیارات و پیامدهای آن برای تشکیل اتمسفرها و امکان حیات میسازد. ترکیب تکنیکهای پیشرفتهٔ آزمایشگاهی، آنالیز مقیاس-ریز و مدلسازی تبلور، راه را برای درک بهتر چرخهٔ آب درونی و نقش آن در تاریخ زمین هموار میکند.
منبع: scitechdaily
نظرات
تریپمند
نکته مهم اینه که مدلها هنوز عدم قطعیت دارن، ولی ایده ذخیره عمیق آب مسیر خوبی رو نشون میده.
بیونیکس
من هم توی لابراتوار با میکروسکوپهای ریز کار کردم، دیدن APT و NanoSIMS واقعا قانعکنندهست.
ارسال نظر