ابرسرد شدن هسته درونی زمین ممکن است در نهایت نشان دهد که چقدر قدیمی است

در اعماق زیر پای ما، در عمق حیرت آور بیش از 5100 کیلومتر، هسته داخلی زمین قرار دارد – یک توپ جامد از آهن و نیکل که نقش مهمی در شکل دادن به شرایطی که ما روی سطح تجربه می کنیم ایفا می کند. در واقع، بدون آن ما حتی بعید بود که وجود داشته باشیم.

اما علیرغم اهمیت آن، چگونگی شکل گیری و توسعه آن کمی معمایی است. ما حتی نمی دانیم چند ساله است. خوشبختانه، فیزیک معدنی ما را به حل این معما نزدیک‌تر می‌کند.

هسته داخلی مسئول میدان مغناطیسی زمین است که مانند یک سپر عمل می کند و از ما در برابر تشعشعات مضر خورشید محافظت می کند. این میدان مغناطیسی ممکن است برای ایجاد شرایطی که میلیاردها سال پیش به حیات اجازه رشد می دهد، مهم بوده است.

هسته درونی زمین زمانی مایع بود، اما در طول زمان جامد شده است. همانطور که زمین به تدریج سرد می شود، هسته داخلی به سمت بیرون منبسط می شود و مایع غنی از آهن اطراف ‘یخ می زند’. با این حال، هنوز هم بسیار گرم است، حداقل 5000 کلوین (K) (4726.85 درجه سانتیگراد).

این فرآیند انجماد عناصری مانند اکسیژن و کربن را آزاد می‌کند که با قرار گرفتن در یک جامد داغ سازگار نیستند. این یک مایع گرم و شناور در پایین هسته بیرونی ایجاد می کند. مایع به درون هسته بیرونی مایع بالا می رود و با آن مخلوط می شود، که جریان الکتریکی ایجاد می کند (از طریق ‘عمل دینام’)، که میدان مغناطیسی ما را تولید می کند.

تا به حال به این فکر کرده اید که چه چیزی باعث رقص نورهای شمالی در آسمان می شود؟ می توانید از هسته داخلی تشکر کنید.

تبلور رمزی

برای درک چگونگی تکامل میدان مغناطیسی زمین در طول تاریخ، ژئوفیزیکدانان از مدل هایی استفاده می کنند که حالت حرارتی هسته و گوشته را شبیه سازی می کند.

این مدل‌ها به ما کمک می‌کنند بفهمیم که چگونه گرما در داخل زمین توزیع و منتقل می‌شود. آنها فرض می کنند که هسته داخلی جامد برای اولین بار زمانی ظاهر شد که مایع تا نقطه ذوب خود خنک شد، و این زمانی است که شروع به یخ زدن می کند. مشکل اینجاست که فرآیند انجماد را به درستی منعکس نمی کند.

بنابراین دانشمندان فرآیند ‘فوق خنک سازی’ را بررسی کرده اند. ابرسرد شدن زمانی است که یک مایع در زیر نقطه انجماد خنک شود بدون اینکه به جامد تبدیل شود. این اتفاق در مورد آب موجود در اتمسفر رخ می دهد که گاهی اوقات قبل از تشکیل تگرگ به منفی 30 درجه سانتیگراد می رسد و همچنین با آهن در هسته زمین اتفاق می افتد.

محاسبات نشان می دهد که برای انجماد آهن خالص در هسته زمین به 1000 هزار کلوین ابر خنک کننده نیاز است. با توجه به اینکه رسانایی هسته دلالت بر سرد شدن آن با سرعت 100-200K در هر میلیارد سال دارد، این یک چالش مهم است. این سطح از ابرسرد شدن به این معنی است که هسته در تمام طول تاریخ خود (1000 تا 500 میلیون سال قدمت) باید زیر نقطه ذوب خود قرار داشته باشد که عوارض بیشتری را به همراه دارد.

از آنجایی که ما نمی توانیم به طور فیزیکی به هسته دسترسی داشته باشیم – انسان ها تنها 12 کیلومتر در زمین حفاری کرده اند – ما تقریباً به طور کامل به زلزله شناسی برای درک فضای داخلی سیاره خود متکی هستیم. هسته داخلی در سال 1936 کشف شد و اندازه آن (حدود 20 درصد شعاع زمین) یکی از بهترین ویژگی های محدود شده اعماق زمین است. ما از این اطلاعات برای تخمین دمای هسته استفاده می کنیم، با این فرض که مرز بین جامد و مایع نشان دهنده تقاطع نقطه ذوب و دمای هسته است.

این فرض همچنین به ما کمک می‌کند تا حداکثر میزان ابرسرد شدن را که می‌توانسته پیش از تشکیل هسته داخلی از یک هسته ترکیبی داخلی و خارجی رخ دهد، تخمین بزنیم. اگر هسته نسبتاً اخیراً منجمد شده باشد، وضعیت حرارتی فعلی در مرز هسته داخلی و هسته خارجی نشان می‌دهد که هسته ترکیبی ممکن است در زمانی که هسته داخلی برای اولین بار شروع به یخ زدن کرد، چقدر زیر نقطه ذوب خود قرار داشته باشد. این به ما نشان می‌دهد که حداکثر، هسته می‌توانست تا حدود 400K فوق خنک شود.

این حداقل دو برابر چیزی است که زلزله شناسی اجازه می دهد. اگر هسته قبل از انجماد 1000K فوق سرد شده باشد، هسته داخلی باید بسیار بزرگتر از آنچه مشاهده می شود باشد. متناوبا، اگر 1000K برای انجماد ضروری است و هرگز به دست نیامده است، هسته داخلی اصلاً نباید وجود داشته باشد. واضح است که هیچ کدام از این دو سناریو دقیق نیستند، پس توضیح چه می تواند باشد؟

فیزیکدانان معدنی آهن خالص و سایر مخلوط‌ها را آزمایش کرده‌اند تا تعیین کنند که برای شروع تشکیل هسته داخلی چقدر به ابرسرد کردن نیاز است. در حالی که این مطالعات هنوز پاسخ قطعی ارائه نکرده اند، پیشرفت های امیدوارکننده ای وجود دارد.

به عنوان مثال، ما آموخته‌ایم که ساختارهای کریستالی غیرمنتظره و وجود کربن ممکن است بر ابرسرد شدن تأثیر بگذارد. این یافته‌ها نشان می‌دهد که شیمی یا ساختار خاصی که قبلاً در نظر گرفته نشده بود، ممکن است به چنین ابرسرد کردن بی‌دلیل بزرگی نیاز نداشته باشد. اگر هسته می تواند در کمتر از 400K فوق خنک کننده منجمد شود، می تواند وجود هسته داخلی را همانطور که امروز می بینیم توضیح دهد.

پیامدهای عدم درک شکل گیری هسته درونی بسیار گسترده است. تخمین های قبلی از سن هسته داخلی بین محدوده ای از 500 تا 1000 میلیون سال است. اما اینها مسئله فوق خنک کننده را به حساب نمی آورند. حتی یک ابر خنک کننده متوسط ​​100K می تواند به این معنی باشد که هسته داخلی چند صد میلیون سال جوانتر از آنچه قبلا تصور می شد است.

درک امضای تشکیل هسته داخلی در رکورد سنگ های دیرینه مغناطیسی – آرشیو میدان مغناطیسی زمین – برای کسانی که تاثیر تابش خورشید بر انقراض های دسته جمعی را مطالعه می کنند بسیار مهم است.

تا زمانی که تاریخ میدان مغناطیسی را بهتر درک نکنیم، نمی‌توانیم نقش آن را در پیدایش شرایط و حیات قابل سکونت به طور کامل تعیین کنیم.