اکنون تنها سرآغاز شناخت حقیقت درونی‌ترین بخش زمین را تجربه می‌کنیم

هسته‌ی زمین نمی‌تواند فقط از آهن ساخته شده باشد؛ شواهد تازه نشان می‌دهند که این بخش عمیق و اسرارآمیز از سیاره‌ی ما، علاوه بر آهن، مقداری کربن نیز در خود جای داده است. پژوهش‌های اخیر همچنین پیشنهاد می‌کنند که اندکی اکسیژن و شاید سیلیکون هم در ترکیب هسته‌ی زمین وجود داشته باشد.

هسته‌ی غنی از آهن که در مرکز زمین جای گرفته، در طول تاریخ زمین‌شناسی، نقشی اساسی در تکامل و پایداری سیاره ایفا کرده است. این هسته است که میدان مغناطیسی زمین را ایجاد می‌کند؛ میدانی که همچون سپری نیرومند، جو و اقیانوس‌های ما را در برابر پرتوهای خورشیدی محافظت می‌کند. علاوه بر این، هسته بر فرایند «تکتونیک صفحه‌ای» نیز اثرگذار است؛ فرایندی که به طور مداوم قاره‌ها را جابه‌جا کرده و چهره‌ی زمین را دگرگون ساخته است.

با وجود چنین اهمیت شگرفی، هنوز هم ویژگی‌های بنیادی هسته تا حد زیادی ناشناخته باقی مانده‌اند. ما به درستی نمی‌دانیم دمای واقعی هسته چقدر است، ترکیب دقیق آن چیست، و چه زمانی فرایند انجماد آن آغاز شده است. خوشبختانه، کشف تازه‌ای که من و همکارانم به آن رسیده‌ایم، ما را به پاسخ این سه پرسش مهم بسیار نزدیک‌تر کرده است.

دمای هسته درونی؛ حدود ۵۰۰۰ کلوین

دانشمندان برآورد می‌کنند که دمای هسته‌ی درونی زمین در حدود ۵۰۰۰ کلوین، یعنی چیزی نزدیک به ۴۷۲۷ درجه‌ی سلسیوس باشد. هسته در آغاز به صورت مایع وجود داشته، اما با گذر زمان سرد شده و به تدریج جامد گردیده است. این سرد شدن همراه با انبساط به بیرون گسترش یافته و هم‌زمان گرما را به گوشته‌ی بالایی انتقال داده است. این انتقال گرما همان نیروی محرکه‌ای است که جریان‌های تکتونیکی و حرکت صفحات قاره‌ای را به وجود می‌آورد.

از سوی دیگر، همین فرایند سرد شدن منشأ میدان مغناطیسی زمین نیز به شمار می‌رود. بیشتر انرژی این میدان امروزه از یخ‌زدگی بخش مایع هسته و رشد هسته‌ی درونی جامد در مرکز زمین تأمین می‌شود.

با این حال، از آن‌جا که دسترسی مستقیم به هسته برای ما ممکن نیست، ناچاریم برای شناخت ویژگی‌های آن به برآوردها و شواهد غیرمستقیم تکیه کنیم.

چرا دمای ذوب مهم است؟

یکی از کلیدهای شناخت هسته، تعیین «دمای ذوب» آن است. دانش زلزله‌شناسی به ما می‌گوید که مرز میان هسته‌ی درونی جامد و هسته‌ی بیرونی مایع دقیقاً کجاست. در این مرز، دمای هسته باید دقیقاً برابر با دمای ذوب ترکیب شیمیایی آن باشد، چرا که در همین نقطه است که ماده از حالت مایع به جامد تبدیل می‌شود. بنابراین اگر بتوانیم دمای ذوب را با دقت تعیین کنیم، خواهیم توانست دمای واقعی هسته و ترکیب دقیق آن را نیز بهتر دریابیم.

شیمی اسرارآمیز هسته

تا امروز، دو مسیر اصلی برای شناخت ترکیب هسته وجود داشته است: مطالعه‌ی شهاب‌سنگ‌ها و بهره‌گیری از زلزله‌شناسی.

شهاب‌سنگ‌ها: بسیاری از شهاب‌سنگ‌ها تکه‌هایی از سیاره‌هایی هستند که هرگز به طور کامل شکل نگرفته‌اند یا بقایای هسته‌ی سیاراتی شبیه زمین به شمار می‌روند که در گذشته نابود شده‌اند. با بررسی ترکیب شیمیایی این اجرام، دانشمندان سرنخ‌هایی از آنچه ممکن است در هسته‌ی زمین وجود داشته باشد به دست آورده‌اند. این مطالعات نشان می‌دهد که هسته‌ی زمین باید عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده باشد و شاید چند درصد سیلیکون یا گوگرد نیز در آن حضور داشته باشد. اما این فقط یک تصویر کلی است و دقت چندانی ندارد.
زلزله‌شناسی: در این روش، امواج ناشی از زمین‌لرزه‌ها کلید اصلی محسوب می‌شوند. وقتی این امواج درون زمین حرکت می‌کنند، سرعتشان بسته به ماده‌ای که از آن عبور می‌کنند تغییر می‌یابد. با مقایسه‌ی زمان رسیدن امواج از کانون زمین‌لرزه به لرزه‌نگارها، و همچنین آزمایش‌های آزمایشگاهی بر روی مواد معدنی و فلزی، می‌توان به ترکیب درونی زمین پی برد. یافته‌ها نشان می‌دهد که هسته‌ی زمین حدود ۱۰ درصد کم‌چگال‌تر از آهن خالص است. همچنین هسته‌ی بیرونی مایع نسبت به هسته‌ی درونی جامد چگال‌تر است. تنها برخی ترکیب‌های شیمیایی خاص می‌توانند چنین ویژگی‌هایی را توضیح دهند.

با این وجود، حتی در میان ترکیب‌های محتمل، دماهای ذوب ممکن است صدها درجه اختلاف داشته باشند. این مسئله باعث می‌شود که هنوز نتوانیم به قطعیت درباره‌ی ویژگی‌های دقیق هسته سخن بگوییم.

محدودیت تازه و کشف جدید

در پژوهش تازه‌ی ما، از «فیزیک کانی‌ها» برای مطالعه‌ی چگونگی آغاز انجماد هسته بهره گرفتیم. ما راه تازه‌ای برای درک شیمی هسته یافتیم که حتی دقیق‌تر از شهاب‌سنگ‌ها و زلزله‌شناسی عمل می‌کند.

شبیه‌سازی‌هایی که نحوه‌ی کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها در فلزات مایع و تشکیل جامدات را بررسی می‌کنند، نشان داده‌اند که برخی آلیاژها به «فراسرمایش» بیشتری نیاز دارند. فراسرمایش حالتی است که در آن یک مایع تا زیر دمای ذوبش سرد می‌شود. هرچه این فراسرمایش شدیدتر باشد، احتمال تشکیل بلورهای جامد بیشتر شده و مایع سریع‌تر منجمد می‌شود. برای مثال، بطری آبی که در فریزر قرار دارد ممکن است ساعت‌ها تا دمای ۵- درجه‌ی سلسیوس سرد شود بدون آن‌که یخ بزند، اما قطرات آب درون ابرها در دمای ۳۰- درجه در عرض چند دقیقه به تگرگ تبدیل می‌شوند.

با بررسی تمامی دماهای ذوب احتمالی برای هسته‌ی زمین دریافتیم که بیشترین میزان فراسرمایش ممکن، حدود ۴۲۰ درجه‌ی سلسیوس کمتر از دمای ذوب است. اگر بیشتر از این می‌بود، هسته‌ی درونی باید بسیار بزرگ‌تر از آن چیزی می‌بود که زلزله‌شناسی نشان می‌دهد. اما آهن خالص برای انجماد نیازمند حدود ۱۰۰۰ درجه فراسرمایش است که عملاً غیرممکن است؛ زیرا در آن صورت کل هسته منجمد می‌شد، در حالی که داده‌های زلزله‌شناسی خلاف این را نشان می‌دهند.

افزودن سیلیکون و گوگرد به ترکیب، همان‌طور که شهاب‌سنگ‌ها و داده‌های زلزله‌ای نیز پیشنهاد می‌کنند، اوضاع را بدتر می‌کند؛ زیرا میزان فراسرمایش لازم را باز هم افزایش می‌دهد.

نقش کلیدی کربن

پژوهش تازه‌ی ما اثر کربن در هسته را بررسی کرده است. اگر ۲٫۴ درصد جرم هسته از کربن تشکیل شده باشد، حدود ۴۲۰ درجه‌ی فراسرمایش برای آغاز انجماد هسته‌ی درونی کافی است. این نخستین بار است که نشان داده می‌شود انجماد هسته‌ی زمین امکان‌پذیر است. اگر میزان کربن ۳٫۸ درصد باشد، تنها ۲۶۶ درجه فراسرمایش کافی خواهد بود؛ رقمی که همچنان زیاد است اما به مراتب محتمل‌تر از سناریوهای پیشین.

این یافته‌ی تازه نشان می‌دهد که گرچه زلزله‌شناسی می‌تواند ترکیب هسته را به چند گزینه محدود کند، اما بسیاری از آن‌ها نمی‌توانند توضیح دهند که چرا در مرکز زمین هسته‌ی جامدی وجود دارد.

ترکیب واقعی؛ آهن، کربن و چیزی بیشتر

بر اساس نتایج ما، هسته نمی‌تواند فقط از آهن و کربن تشکیل شده باشد؛ زیرا ویژگی‌های لرزه‌ای آن وجود دست‌کم یک عنصر دیگر را نیز الزامی می‌سازد. پژوهش ما پیشنهاد می‌کند که احتمالاً اندکی اکسیژن و شاید سیلیکون هم در هسته حضور داشته باشند.

این دستاورد گامی مهم در مسیر درک ترکیب واقعی هسته‌ی زمین است؛ دانشی که نه تنها به پرسش درباره‌ی چگونگی آغاز انجماد هسته پاسخ می‌دهد، بلکه به ما نشان می‌دهد این بخش درونی چگونه از آغاز تا امروز، در شکل‌گیری و پایداری سیاره‌ی ما نقش‌آفرینی کرده است.