9 دقیقه
تصور کنید دو کورهٔ کندسوز در ته گوشته آرام گرفتهاند؛ تقریباً بیحرکت اما در عین حال شخصیت مغناطیسی سیارهٔ ما را شکل میدهند. عجیب به نظر میرسد، نه؟ در عمق زیر قارهٔ آفریقا و اقیانوس آرام، لرزهنگاران نواحی عظیمی را نقشهبرداری کردهاند—که به صورت غیررسمی «بلابها» نامیده شدهاند—که رفتارشان با سنگهای اطراف تفاوت دارد. این تودهها جامدند، اما برای امواج لرزهای بهطرز غیرعادی کند عمل میکنند. آنها رمزآلودند. و پژوهشهای جدید نشان میدهد که این نواحی فقط «آرام نشستن» نیستند: آنها به پایداری میدان مغناطیسی زمین کمک میکنند.
این بلابها چه هستند و چرا اهمیت دارند
ما نمیتوانیم تا هستهٔ زمین حفر کنیم. نمیتوانیم کاوشگری را به درون اقیانوسِ حدود سه هزار کیلومتر عمقِ آهن مذابِ هستهٔ بیرونی بفرستیم. بنابراین شناخت ما از درونِ عمیق زمین از سیگنالهای غیرمستقیم بهدست میآید—امواج لرزهای، آزمایشهای فیزیک مواد معدنی در آزمایشگاه، و ثبتهای مغناطیسی نگاشتهشده در سنگهای باستانی. آن ثبتها نوعی کپسول زمانیاند: سنگهای آذرین هنگام خنکشدن در میدان مغناطیسی زمین امضای جهتی را قفل میکنند که نشان میدهد میدان وقتی آن سنگ شکل گرفته چگونه بوده است؛ این دادهها کلید فهم تاریخ میدان مغناطیسی هستند و بخشی از شاخصهای دیرینهمغناطیسی (پئالومغنتیسم) به شمار میروند.
گوشته عمدتاً از سنگی نسبتاً جامد تشکیل شده است که با سرعتهای زمینشناختی—میلیمتر در سال—جریان پیدا میکند، اما پایینترین بخش آن ناهمگونی قابلتوجهی نشان میدهد. دو ناحیهٔ بزرگ با سرعت موج پایین، یکی تقریباً زیر آفریقا و دیگری زیر نیمهٔ مرکزی اقیانوس آرام، برجستهاند. در این نواحی، امواج لرزهای کند میشوند که نشاندهندهٔ دمای بالاتر، تفاوت ترکیبی شیمیایی، یا هر دو است. اینها همان بلابها هستند، یا به زبان فنی "استانهای بزرگ با سرعت برشی پایین" (LLSVP). اگر این تودهها نسبت به گوشتهٔ پیرامون داغتر باشند، اختلاف دمایی آنها میتواند نحوهٔ خروج گرما از هستهٔ مایع زیرین را تغییر دهد—گرمایی که دیناموی زمین را هدایت میکند و به تبع آن، میدان مغناطیسیای که زندگی را در برابر تابشهای کیهانی محافظت میکند.
از سنگها تا مدلها: چگونه دانشمندان بلابها را به میدان مغناطیسی ربط دادند
پژوهشگران جهتهای مغناطیسی باستانی محفوظ در سنگها—برخی از آنها به یک جدول زمانی تا حدود ۲۵۰ میلیون سال پیش پیوند خوردهاند—را با میدانهای مغناطیسی تولیدشده در شبیهسازیهای دیناموی ژئومغناطیسی در ابررایانهها مقایسه کردند. مشاهدهای لطیف اما مستمر پدیدار شد: در عرضهای جغرافیایی پایین، جهتهای ثبتشدهٔ مغناطیسی با طول جغرافیایی تغییر میکردند. به زبان سادهتر، میدان مغناطیسی در یک عرض مشخص به این وابسته به نظر میرسید که سنگ در کدام نقطهٔ طول جغرافیایی شکل گرفته است. این وابستگی به طول جغرافیایی نشان میداد ساختاری عمیقنشین و بلندمدت در حال تأثیرگذاری بر میدان است.
شبیهسازیهایی که فرض میکردند شار حرارتی در سراسر مرز هسته-گوشته یکنواخت است، نتوانستند این الگو را بازتولید کنند. میدانهای تولیدشده یا فاقد ساختار طولی بودند یا به وضعیتهای بههمریخته و آشوبناک نزول میکردند که با شواهد زمینشناسی سازگار نبود. وقتی مدلسازان الگویی از جریان گرمای ناهمگن را بر مرز هسته-گوشته تحمیل کردند—الگویی که بلابهای بزرگ و داغ را شبیهسازی میکرد که خروج گرما را مهار میکنند—دیناموی زمین رفتار متفاوتی نشان داد. میدانهای مغناطیسی ردپاهای طولیدار پیدا کردند که به ثبتهای سنگهای باستانی شباهت داشت و در مجموع میدان در برابر فروپاشیهای فاجعهبار به حالتهای ضعیف و چندقطبی مقاومتر شد.
چرا کاهش خروج گرما زیر بلابها اهمیت دارد؟ پاسخ در دینامیک سیالات نهفته است. خروج گرما از بالای هستهٔ بیرونی باعث میشود پاکتهایی از فلز مایع خنکتر و چگالتر فرو بروند؛ حرکت آنها جریانهای آشفتهای را تجدید و تغذیه میکند که القای الکترومغناطیسی لازم برای تولید میدان مغناطیسی را حفظ میکند. در محلهایی که بلابها قرار دارند، دمای بالاتر و اثر عایقکنندگی آنها این انقباض حرارتی و فروزانش (downwelling) را کاهش میدهد. فلز مایع زیر این بلابها بهصورت حوضچهای نسبتاً ساکن درمیآید و نقش کمتری در دینامو ایفا میکند. آن نواحی ساکن مانند پردهٔ هادی عمل میکنند—شنوایی یا شکلدهی میدان مغناطیسی که به سطح میرسد را میکاهد، درست همانطور که یک پوشش فلزی میتواند امواج رادیویی را تضعیف کند.
پیامدها برای تاریخ مغناطیسی زمین و زیستپذیری
میدان مغناطیسی که ما با قطبنما با آن کار میکنیم، در اغلب زمانها شبیه به یک مغناطیس میلهای است که با محور چرخش زمین همراستا است. اما میدان در طول تاریخ دچار گشتوگذارها (excursions) و موارد گاهبهگاه چندقطبی شده است—دورانی که جهتهای قطبنما غیرقابلاعتماد شدند و سپر جهانی تضعیف گردید. شبیهسازیها نشان میدهند که وارد کردن ناهمگونی حرارتی پایدار در مرز هسته-گوشته فرکانس و شدت چنین فروپاشیهایی را کاهش میدهد. به عبارت دیگر، بلابها ممکن است بهعنوان تثبیتکننده عمل کنند و فضای پارامتری دینامو را گسترش دهند که در آن میدان دوقطبی قوی پایدار بماند.
این مسئله برای زیستپذیری اهمیت دارد. یک میدان مغناطیسی پایدار ذرات باردارِ باد خورشیدی و پرتوهای کیهانی را منحرف میکند، جو را از فرسایش تدریجی محافظت میکند و سطح زمین را در برابر تابشهای مضر میپوشاند. بدون یک دیناموی فعال و بلندمدت، زمین ممکن بود مشابه مریخ یا زهره به سکوت مغناطیسی کشیده شود—نتیجهای با پیامدهای عمیق برای ترکیب جو و توانمندی حفظ حیات روی سطح.
روشها، مدلها و محدودیتها
این مطالعه، دیرینهمغناطیس (پئالومغنتیسم)—اندازهگیریهای مگنتیزاسیون سنگهای باستانی—را با مدلهای عددی مغناطیدینامیک-هیدرومکانیکی (magnetohydrodynamic) اجراشده روی ابررایانهها تلفیق کرد. مجموعهدادههای دیرینهمغناطیسی محدودیتهای مشاهدهای فراهم میکنند: رکوردهای جهتی، شدتها و توزیع جغرافیایی آنها در طول زمان. مدلها معادلات جفتشدهٔ حرکت سیال، انتقال گرما و القای الکترومغناطیسی را در پوستهای کروی که نمایندهٔ هستهٔ بیرونی است، حل میکنند. با تغییر الگوی فلوکس حرارتی اعمالشده در بالای هسته، پژوهشگران بررسی کردند کدام تنظیمات میدانهایی تولید میکنند که با بایگانی زمینشناسی سازگارند.
تمام مدلها دارای کمبودها و ناخالصیهایی هستند. رئولوژی گوشته (رفتار مکانیکی درازمدت)، ترکیب دقیق بلابها، و تکامل حرارتی بلندمدت زمین عدمقطعیتهایی ایجاد میکنند. شبیهسازیها باید بین واقعگرایی فیزیکی و امکانپذیری محاسباتی مصالحه کنند؛ در حال حاضر آنها هنوز نمیتوانند همه مقیاسهای آشفتگی (تلاطم) موجود در هستهٔ واقعی را بازتولید کنند. با این حال، همگرایی بین مشاهدات دیرینهمغناطیسی مستقل و خروجی مدلها، تفسیرِ تأثیر ساختار ناهمگن گوشته بر دینامو را تقویت میکند. افزون بر این، وجود سازوکارهای فیزیکی منطقی—از جمله اثرات آستانهای در جریان حرارتی و تغییرات محلی در همرفت—حمایت نظری بیشتری برای این ایده فراهم میآورد.
دیدگاه کارشناسان
«پیوند دادن ساختار عمیق گوشته به پایداری بلندمدت میدان مغناطیسی روشی تازه برای خواندن سلامت داخلی زمین به ما میدهد،» میگوید دکتر لیلا مورنو، ژئوفیزیکشناس در دانشگاه آکسفورد. «این پلِ زیبایی است بین تصویربرداری لرزهای و دادههای دیرینهمغناطیسی: دو نشانگر کاملاً متفاوت که به یک داستان واحد همگرا میشوند. بلابها فقط چیزهای کنجکاوانه نیستند؛ بهنظر میرسد اجزای جداییناپذیر ماشین مغناطیسی زمین باشند.»
دکتر مورنو اضافه میکند: «پیشرفت آینده از نقشهبرداری بهتر شار گرمایی در مرز هسته-گوشته و ثبتهای دیرینهمغناطیسی بهبودیافته از مناطق کمنمونهبرداریشده حاصل خواهد شد. با واقعگراتر شدن مدلها، خواهیم توانست آزمایش کنیم که آیا بلابها ناهنجاریهای صرفاً حرارتیاند یا بازیگران فعالی در تبادل شیمیایی هسته-گوشته.»
نگاه به آینده: مشاهدات و فناوریهایی که تصویر را دقیقتر میکنند
پیشرفت در توموگرافی لرزهای، آزمایشهای فیزیک مواد معدنی در فشارها و دماهای بسیار بالا، و نمونهبرداری دیرینهمغناطیسی متراکمتر محدودیتها را تنگتر خواهد کرد. شبکههای مشاهدهای عمیقزمین برنامهریزیشده و پروژههای محاسباتی با کارایی بالا اجازهٔ اجرای شبیهسازیهایی نزدیکتر به رژیمهای پارامتری واقعیتر را میدهند. همچنین فضای زیادی برای کارهای بینرشتهای وجود دارد: شیمیزمینشناسان، لرزهشناسان و مدلسازان دینامو میتوانند با هم بررسی کنند که آیا بلابها صرفاً حرارتیاند، دارای امضاهای ترکیبیاند، یا هر دو—که هر گزینه پیامدهای متفاوتی برای تکامل و تعامل آنها با هسته خواهد داشت.
اگر واقعاً بلابها به حفظ سپر مغناطیسی پایدار کمک میکنند، آنگاه آنها بخشی از معماری سیارهایاند که سطح زمین را قابلسکونت کرده است. هنوز نمیتوانیم بگوییم آیا ساختارهای مشابهی روی دیگر سیارات سنگی وجود دارد یا چگونه معماریهای متفاوت هسته-گوشته نتایج مغناطیسی را تغییر میدهند، اما ارتباط میان فرایندهای کند و عمیق گوشته و دینامیک سریع دیناموی زمین این نکته را یادآور میشود: سپر زمین محصول تمام سیاره است، از آهن مذاب تا پوستهٔ سخت.
ما به دادههای بیشتر نیاز خواهیم داشت. مدلهای بیشتر. و صبر—فرایندهای زمینشناختی در بازههای زمانی طولانی عمل میکنند و دیدگاههای درازمدت میطلبند. در این میان، ایدهٔ اینکه بلابهای آرام در ته گوشته نقشی در حفاظت از حیات روی سطح دارند، شبیه یکی از رازهای آرام اما سرنوشتسازِ این سیاره است.
نکات کلیدی و کلمات کلیدی مرتبط (برای جستجوگرها): بلابها، گوشتهٔ عمیق، مرز هسته-گوشته (CMB)، دیناموی زمین، میدان مغناطیسی زمین، دیرینهمغناطیس، توموگرافی لرزهای، پایداری میدان مغناطیسی، زیستپذیری سیارهای.
منبع: sciencealert
نظرات
اتو_ر
تو پایاننامهم روی مرز CMB کار کردم، بعضی اثرها رو دیده بودم؛ خوشحال شدم هماهنگی بین داده و مدل هست، ولی سوالا هنوز زیاده...
دانیکس
معقوله که بلابها نقش تثبیتکننده داشته باشن. کاش یه نقشه ساده یا یه gif هم میذاشتن برا آدمای معمولی.
پمپزون
بنظرم کمی بزرگش کردن؛ مدلها امیدوارکنندهان ولی فرضیه زیاده. صبر کنیم تا مشاهدات جدید بیاد.
آرمین
ترکیب لرزهنگاری و پئالومغنتیسم واقعا جذابه، یعنی باید رشتهها بیشتر با هم کار کنن؛ با این حال، دادههای بیشتر لازمِ.
بیونیکس
واقعاً... این همه نتیجه از مدلها؟ نتایج دیرینهمغناطیسی چقدر قابل اتکا هستن، یا مدلسازی زیادی سادهسازی کرده ؟
رودکس
وای، یعنی یه چیز اینقد عمیق میتونه تاثیر مستقیم رو میدان مغناطیسی بذاره؟ حس میکنم زمین یه موجود زندهست.
ارسال نظر