هسته زمین شامل چه چیزهایی است؟

(دن تری) - هسته جامد زمین نه تنها از آهن ساخته شده، بلکه حاوی کربن، اکسیژن و سیلیکون نیز هست. این کشف، راه حلی برای معمای چند صد ساله چگونگی تشکیل و حفظ میدان مغناطیسی هسته که از حیات محافظت می‌کند، ارائه می‌دهد.

هسته زمین ممکن است فقط از آهن تشکیل نشده باشد، اما به نظر می‌رسد حاوی کربن نیز هست. تحقیقات جدید نشان داده است که حاوی اکسیژن و سیلیکون نیز هست (عکس: گتی ایمیجز).

هسته غنی از آهن در مرکز زمین نقش کلیدی در تکامل این سیاره ایفا می‌کند. این هسته نه تنها میدان مغناطیسی - سپری که از جو و اقیانوس‌ها در برابر تابش خورشیدی محافظت می‌کند - را تقویت می‌کند، بلکه تکتونیک صفحه‌ای را نیز هدایت می‌کند و دائماً قاره‌ها را تغییر شکل می‌دهد.

با وجود اهمیت آن، بسیاری از ویژگی‌های اساسی هسته زمین همچنان یک راز باقی مانده است: چقدر داغ است، از چه چیزی ساخته شده است و چه زمانی شروع به یخ زدن کرده است؟ یک کشف اخیر دانشمندان را به پاسخ هر سه سوال نزدیک‌تر می‌کند.

دمای هسته داخلی حدود ۵۰۰۰ کلوین (۴۷۲۷ درجه سانتیگراد) تخمین زده می‌شود. در ابتدا مایع است، اما با گذشت زمان هسته سرد می‌شود، بخش جامد داخلی آن متبلور شده و به سمت بیرون گسترش می‌یابد. این آزادسازی گرما، جریان‌های تکتونیکی صفحه‌ای را ایجاد می‌کند.

این سرمایش همچنین منبع میدان مغناطیسی زمین است. بخش زیادی از انرژی مغناطیسی امروزه توسط انجماد هسته بیرونی مایع حفظ می‌شود که به هسته مرکزی جامد نیرو می‌دهد.

با این حال، بدون دسترسی مستقیم، دانشمندان مجبورند برای درک مکانیسم خنک شدن و خواص هسته به تخمین‌ها تکیه کنند. برای روشن شدن این موضوع، مهمترین عامل تعیین دمای ذوب آن است.

به لطف لرزه‌شناسی - مطالعه امواج زلزله - ما دقیقاً می‌دانیم مرز بین هسته‌های جامد و مایع کجاست. دمای این مرز همچنین نقطه ذوب است، نقطه‌ای که انجماد از آن شروع می‌شود.

بنابراین، اگر بتوان دمای ذوب را به طور دقیق تعیین کرد، مردم درک بهتری از دمای واقعی هسته و ترکیب شیمیایی درون آن خواهند داشت.

شیمی اسرارآمیز

دو رویکرد اصلی برای درک ترکیب هسته زمین وجود دارد: مطالعه شهاب سنگ ها و تجزیه و تحلیل داده های لرزه نگاری.

شهاب‌سنگ‌ها به عنوان «بقایای» سیاراتی که هنوز تشکیل نشده‌اند یا قطعاتی از هسته سیارات نابود شده در نظر گرفته می‌شوند. ترکیب شیمیایی آنها نشان می‌دهد که هسته زمین عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده است که احتمالاً با چند درصد سیلیکون یا گوگرد مخلوط شده است. با این حال، این داده‌ها فقط مقدماتی هستند و به اندازه کافی دقیق نیستند تا قطعی باشند.

از سوی دیگر، لرزه‌شناسی دیدگاه بسیار دقیق‌تری ارائه می‌دهد. امواج لرزه‌ای ناشی از زمین‌لرزه‌ها بسته به ماده‌ای که از آن عبور می‌کنند، با سرعت‌های مختلفی در زمین حرکت می‌کنند. دانشمندان با مقایسه زمان رسیدن موج به ایستگاه‌های اندازه‌گیری با نتایج تجربی سرعت حرکت در مواد معدنی و فلزات، می‌توانند مدل‌هایی از فضای داخلی سیاره بسازند.

نتایج نشان داد که هسته زمین حدود ۱۰٪ سبک‌تر از آهن خالص است. به طور خاص، هسته بیرونی مایع چگال‌تر از هسته داخلی جامد است - تناقضی که تنها با وجود برخی عناصر جزئی قابل توضیح است.

اما حتی با محدود شدن دامنه ترکیبات احتمالی، این معما همچنان حل نشده باقی مانده است. سناریوهای مختلف، دمای ذوبی را ایجاد می‌کنند که صدها درجه سانتیگراد با هم متفاوت است و تعیین دقیق خواص هسته را چالش برانگیز می‌کند.

یک محدودیت جدید

در این مطالعه جدید، دانشمندان از فیزیک معدنی برای درک چگونگی شروع انجماد هسته زمین استفاده کردند - رویکردی دقیق‌تر از هواشناسی و زلزله‌شناسی.

شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که وقتی اتم‌های یک فلز مایع به جامد تبدیل می‌شوند، هر آلیاژ به سطح متفاوتی از «فوق‌سرمایش» یا پایین آمدن از نقطه ذوب خود نیاز دارد. هرچه این فرآیند شدیدتر باشد، احتمال یخ زدن مایع بیشتر می‌شود.

برای مثال، آب موجود در فریزر می‌تواند ساعت‌ها قبل از یخ زدن تا دمای منفی ۵ درجه سانتیگراد فوق سرد شود، در حالی که قطرات آب موجود در ابرها می‌توانند تنها پس از چند دقیقه در دمای منفی ۳۰ درجه سانتیگراد به تگرگ تبدیل شوند.

محاسبات نشان می‌دهد که حداکثر دمای فوق‌سرمایش هسته حدود ۴۲۰ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از نقطه ذوب آن است. اگر از این مقدار تجاوز شود، هسته داخلی در مقایسه با داده‌های لرزه‌ای به‌طور غیرمعمولی بزرگ خواهد بود. در همین حال، آهن خالص برای تبلور به ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد نیاز دارد که غیرممکن است زیرا کل هسته جامد می‌شود.

افزودن سیلیکون یا گوگرد نیز کمکی نمی‌کند و حتی ممکن است هسته را بیش از حد سرد کند.

تنها زمانی که کربن در نظر گرفته شود، این تصویر معنی پیدا می‌کند. اگر ۲.۴٪ از جرم هسته زمین کربن باشد، برای انجماد هسته داخلی به حدود ۴۲۰ درجه سانتیگراد نیاز است؛ با ۳.۸٪ کربن، این دما به ۲۶۶ درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد. رقمی بسیار محتمل‌تر. این اولین مدرکی است که نشان می‌دهد کربن نقش مهمی در تبلور هسته ایفا می‌کند.

با این حال، هسته نمی‌تواند فقط از آهن و کربن تشکیل شده باشد، زیرا داده‌های لرزه‌نگاری حداقل به یک عنصر دیگر نیاز دارند. تحقیقات نشان می‌دهد که هسته ممکن است حاوی اکسیژن و حتی سیلیکون نیز باشد.

منبع: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/loi-trai-dat-chua-dung-nhung-gi-20250923025913011.htm