هسته زمین شامل چه چیزهایی است؟

(روزنامه دن تری) - هسته جامد زمین نه تنها از آهن تشکیل شده است، بلکه حاوی کربن، اکسیژن و سیلیکون نیز می‌باشد. این کشف، دریچه‌ای به سوی حل اسرار چند صد ساله در مورد چگونگی تشکیل هسته و حفظ میدان مغناطیسی آن که از حیات محافظت می‌کند، می‌گشاید.

هسته زمین نمی‌تواند فقط از آهن باشد؛ 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 حیاتی 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: واقعاً چقدر داغ است، از چه چیزی ساخته شده است و چه زمانی شروع به یخ زدن می‌کند؟ یک کشف اخیر دانشمندان را به پاسخ هر سه سوال نزدیک‌تر کرده است.

تخمین زده می‌شود که هسته داخلی دمایی حدود ۵۰۰۰ کلوین (۴۷۲۷ درجه سانتیگراد) داشته باشد. در ابتدا در حالت مایع، هسته به تدریج با گذشت زمان سرد می‌شود، به یک جزء جامد متبلور می‌شود و به سمت بیرون گسترش می‌یابد. این آزادسازی گرما، جریان‌های صفحه‌ای تکتونیکی را ایجاد می‌کند.

سرد شدن همچنین منبع میدان مغناطیسی زمین است. بخش زیادی از انرژی مغناطیسی امروزی توسط انجماد هسته بیرونی مایع حفظ می‌شود که به هسته جامد در مرکز آن نیرو می‌دهد.

با این حال، از آنجا که دسترسی مستقیم غیرممکن است، دانشمندان مجبورند برای درک مکانیسم‌های خنک‌کننده و خواص هسته به تخمین‌ها تکیه کنند. برای روشن شدن این موضوع، مهم‌ترین عامل تعیین نقطه ذوب آن است.

به لطف زلزله‌شناسی - علمی که امواج زلزله را مطالعه می‌کند - ما دقیقاً می‌دانیم مرز بین هسته‌های جامد و مایع کجاست. دمای این مرز همچنین نقطه ذوب، نقطه شروع انجماد، است.

بنابراین، اگر نقطه ذوب به طور دقیق تعیین شود، انسان درک بهتری از دمای واقعی هسته و ترکیب شیمیایی داخلی آن به دست خواهد آورد.

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 «بقایای» سیاراتی در نظر گرفته می‌شوند که هنوز تشکیل نشده‌اند یا قطعاتی از هسته سیاراتی هستند که قبلاً نابود شده‌اند. ترکیب شیمیایی آنها نشان می‌دهد که هسته زمین در درجه اول از آهن و نیکل تشکیل شده است، احتمالاً با چند درصد سیلیکون یا گوگرد. با این حال، این داده‌ها فقط مقدماتی هستند و به اندازه کافی دقیق نیستند تا چیزی را به طور قطعی تأیید کنند.

در همین حال، لرزه‌شناسی دیدگاه بسیار ملموس‌تری ارائه می‌دهد. امواج لرزه‌ای ناشی از زمین‌لرزه‌ها، هنگام عبور از زمین، بسته به نوع ماده‌ای که از آن عبور می‌کنند، سرعتشان تغییر می‌کند. با مقایسه زمانی که طول می‌کشد تا امواج به ایستگاه‌های نظارتی برسند با نتایج تجربی در مورد سرعت انتقال در مواد معدنی و فلزات، دانشمندان می‌توانند مدل‌هایی از ساختار داخلی سیاره بسازند.

نتایج نشان می‌دهد که هسته زمین حدود ۱۰٪ سبک‌تر از آهن خالص است. نکته قابل توجه این است که هسته بیرونی که در حالت مایع است، چگال‌تر از هسته داخلی است، تناقضی که تنها با وجود برخی عناصر خارجی قابل توضیح است.

با این حال، حتی پس از محدود کردن ترکیب احتمالی، این مشکل همچنان حل نشده باقی می‌ماند. سناریوهای مختلف، دمای ذوبی را نشان می‌دهند که صدها درجه سانتیگراد متفاوت است و تعیین دقیق خواص هسته را به یک چالش تبدیل می‌کند.

یک محدودیت جدید

در تحقیقات جدید، دانشمندان از کانی‌شناسی برای درک چگونگی شروع انجماد هسته زمین استفاده کردند - رویکردی دقیق‌تر از هواشناسی و زلزله‌شناسی.

شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که وقتی اتم‌های فلز مایع به جامد تبدیل می‌شوند، هر آلیاژ به سطح متفاوتی از «فوق‌سرمایش» نیاز دارد، یعنی به زیر نقطه ذوب خود کاهش می‌یابد. هرچه این فرآیند قوی‌تر باشد، مایع راحت‌تر منجمد می‌شود.

برای مثال، آب در فریزر می‌تواند ساعت‌ها قبل از یخ زدن در دمای ۵- درجه سانتیگراد بسیار سرد بماند، در حالی که یک قطره آب در ابر تنها در عرض چند دقیقه در دمای ۳۰- درجه سانتیگراد به تگرگ تبدیل می‌شود.

محاسبات نشان می‌دهد که حداکثر دمای فوق‌سرد شدن هسته تقریباً ۴۲۰ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از نقطه ذوب آن است. اگر از این دما 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 تا آن زمان جامد شده است.

افزودن سیلیکون یا گوگرد کمکی نمی‌کند؛ حتی ممکن است لازم باشد هسته بیشتر فوق سرد شود.

تنها زمانی که کربن در نظر گرفته شود، این تصویر معنی پیدا می‌کند. اگر ۲.۴٪ از جرم هسته را کربن تشکیل دهد، تقریباً ۴۲۰ درجه سانتیگراد برای انجماد هسته داخلی لازم 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 حیاتی در فرآیند تبلور هسته ایفا می‌کند.

با این حال، هسته نمی‌تواند منحصراً از آهن و کربن تشکیل شده باشد، زیرا داده‌های لرزه‌نگاری وجود حداقل یک عنصر دیگر را نشان می‌دهد. تحقیقات نشان می‌دهد که این احتمال وجود دارد که هسته حاوی اکسیژن یا حتی سیلیکون نیز باشد.

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