هسته‌ی زمین تنها ۱ میلیارد سال قدمت دارد

زمین و محیط زیست, مجله اینترنتی

نتایج یک پژوهش تازه که به کمک اندازه‌گیری آزمایشگاهی انجام شده، نشان می‌دهد که هسته‌ی درونی جامد زمین تنها حدود یک سوم سن سیاره یعنی یک تقریباً میلیارد سال قدمت دارد.

زمین مانند یک کیک چندلایه است، با پوسته‌ی بیرونی جامد، یک گوشته‌ی غلیظ و داغ، یک هسته‌ی بیرونی مایع و یک هسته‌ی درونی جامد. این هسته‌ی درونی جامد به وسیله‌ی آهنی که در هسته‌ی مایع سرد و متبلور می‌شود، به آرامی در حال رشد است.

این فرآیند به قدرت گرفتن چرخش هسته‌ی مایع بیرونی کمک می‌کند که به نوبه‌ی خود باعث ایجاد میدان مغناطیسی زمین می‌شود و به محافظت از سیاره در برابر پرتوهای مضر کیهانی کمک می‌کند. به عبارت دیگر هسته‌ی درونی نقش بسیار مهمی در حیات زمینی دارد.

اما درباره‌ی تاریخچه‌ی این گوی آهنی با ۲۴۴۲ کیلومتر عرض، اطلاع زیادی در دست نیست. تخمین‌های درنظر گرفته شده برای آن از نیم میلیارد سال تا بیش از ۴ میلیارد سال را دربر می‌گیرد. تقریبا به اندازه‌ی سن زمین که ۴.۴ میلیارد سال است.

اکنون پژوهشگران کوشیده‌اند با روشی دقیق‌تر از قبل، سن این هسته‌ی درونی جامد را تخمین بزنند. «یونگ‌فو لین» (Jung-Fu Lin) دانشمند علوم زمین در دانشگاه آستین تگزاس در این زمینه گفت: «زمین در منظومه‌ی شمسی یکتاست زیرا میدان مغناطیسی قوی دارد و قابل سکونت است. در نهایت می‌توان از نتایج پژوهش انجام شده برای اندیشیدن به اینکه چرا سیارات منظومه‌ی شمسی میدان مغناطیسی دارند استفاده کرد.»

دینام زمین

میدان مغناطیسی زمین توسط آنچه که دانشمندان آن را «دینام زمین» (Geodynamo) می‌خوانند تأمین می‌شود. این پدیده شامل حرکت هسته‌ی خارجی غنی از آهن زمین است که سیاره‌ی ما را به یک آهنربای غول‌پیکر، اگرچه کمی به‌هم‌ریخته، تبدیل می‌کند. دینام زمین با ایجاد میدان مغناطیسی، مسئول شکل‌گیری قطب شمال و جنوب مغناطیسی و سپر محافظ نامرئی سیاره در برابر ذرات باردار خورشیدی است.

بخشی از حرکت هسته‌ی درونی توسط گرما ایجاد می‌شود که به عنوان منبع انرژی گرمایی آن شناخته می‌شود. همین‌طور که هسته‌ی زمین به تدریج سرد می‌شود، از درون به بیرون متبلور شده و این فرآیند تبلور انرژی آزاد می‌کند که می‌تواند قدرت حرکت هسته‌ی بیرونی مایع را بیشتر کند. این انرژی ناشی از متبلور شدن، منبع انرژی ترکیبی ژئودینام نام دارد.

لین و همکارانش قصد داشتند از شواهد تجربی برای تعیین میزان انرژی از هر یک از این منابع استفاده کنند. دانستن میزان انرژی به آنها امکان می‌داد تا سن هسته‌ی درونی زمین را تخمین بزنند.

برای انجام این کار، پژوهشگران شرایط هسته را در مقیاس کوچک بازسازی کردند. آنها یک قطعه آهن به قطر ۶ میکرون را تا دمای ۲۷۲۷ درجه‌ی سانتی‌گراد گرم کردند و سپس بین دو قطعه الماس فشردند تا با فشارهای شدید هسته‌ی زمین مطابقت داشته باشد. پس از آن رسانش آهن را تحت این شرایط اندازه‌گیری کردند.

dac wheat

طرحی گرافیکی از شیوه‌ی بررسی نمونه‌ی آهن
Credit: The University of Texas at Austin

هسته‌ای جوان

اندازه‌گیری رسانایی آهن به پژوهشگران امکان داد تا میزان سرد شدن هسته را که در نهایت به تأمین انرژی ژئودینام منجر می‌شود، اندازه‌گیری کنند. آنان دریافتند که ژئودینام در حدود ۱۰ تراوات (۱۰ به توان ۱۲ وات) انرژی از هسته‌ی در حال سرد شدن زمین کسب می‌کند. بیش از یک پنجم گرمایی که زمین از طریق سطح خود به فضا منتشر می‌کند که ۴۶ تراوات است.

لین در مقاله‌ای که ۱۳ آگوست در نشریه‌ی Physical Review Letters منتشر شده گفت: «با محاسبه‌ی میزان اتلاف این انرژی، پژوهشگران می‌توانند سن هسته‌ی زمین را تخمین بزنند. زیرا به کمک نرخ اتلاف انرژی پژوهشگران می‌توانند محاسبه کنند که فرآیند تبدیل یک گوشته‌ی مایع آهنی به هسته‌ی جامد امروزی چقدر طول می‌کشد.»

به گفته‌ی او نتیجه‌ی این پژوهش، بین ۱ تا ۱.۳ میلیارد سال را نشان می‌دهد. تخمینی که حتی از برخی تخمین‌های گذشته با روش‌های مشابه، بیشتر است. برای نمونه یک محاسبه در سال ۲۰۱۶ سن هسته‌ی جامد زمین را ۷۰۰ میلیون سال ذکر کرده بود. به گفته‌ی لین با توجه به دقت و اطمینان بالای روش‌هایی که او و همکارانش به‌کار برده‌اند، چنین سن کمی بعید به نظر می‌رسد.

از سویی بر اساس مقاله‌ی که سال ۲۰۱۵ در نشریه‌ی Nature منتشر شد، بررسی سنگ‌های مغناطیسی باستانی نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی زمین بین ۱ تا ۱.۵ میلیارد سال پیش به طور ناگهانی تقویت شده است. چیزی که به گفته‌ی لین به خوبی با نتایج جدید سازگار است زیرا تشکیل هسته‌ی جامد می‌تواند عامل این تقویت بوده باشد.

هنوز پرسش‌های زیادی درباره‌ی توزیع گرما در هسته وجود دارد. برخلاف نمونه‌ی آزمایشگاهی، هسته‌ی زمین فقط از آهن تشکیل نشده بلکه شامل عناصر سبک‌تر مانند کربن، هیدروژن، اکسیژن سیلیسیوم و گوگرد نیز هست.

اما نسبت این عناصر اندک، ناشناخته است و دانستن از چگونگی اثرگذاری بر رسانش هسته‌ی درونی را دشوار می‌کند. کاری که لین و همکارانش مشغول انجام آن هستند. او اشاره داشت: «ما تلاش می‌کنیم شیوه‌ی اثرگذاری این عناصر را در فشار و دمای بالا بررسی کنیم.»

0 Comments

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *