แก่นโลกประกอบด้วยอะไรบ้าง?

(แดน ทรี) - แกนโลกอันแข็งแกร่งไม่ได้ประกอบด้วยเหล็กเพียงอย่างเดียว แต่ยังประกอบด้วยคาร์บอน ออกซิเจน และซิลิคอนด้วย การค้นพบนี้เปิดทางสู่การไขปริศนาอันยาวนานหลายศตวรรษว่าแกนโลกก่อตัวและรักษาสนามแม่เหล็กที่ปกป้องสิ่งมีชีวิตไว้ได้อย่างไร

แกนโลกอาจไม่ได้ประกอบด้วยเหล็กเพียงอย่างเดียว แต่ดูเหมือนว่าจะมีคาร์บอนอยู่ด้วย งานวิจัยใหม่พบว่าแกนโลกประกอบด้วยออกซิเจนและซิลิกอนด้วย (ภาพ: Getty Images)

แกนโลกที่อุดมไปด้วยธาตุเหล็กมีบทบาทสำคัญในวิวัฒนาการของดาวเคราะห์ดวงนี้ ไม่เพียงแต่เป็นพลังงานให้กับสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นเกราะป้องกันชั้นบรรยากาศและมหาสมุทรจากรังสีดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังเป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก ซึ่งส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของทวีปต่างๆ อย่างต่อเนื่อง

แม้จะมีความสำคัญ แต่คุณสมบัติพื้นฐานหลายประการของแกนโลกยังคงเป็นปริศนา เช่น ร้อนแค่ไหน ทำมาจากอะไร และเริ่มแข็งตัวเมื่อใด การค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้ทำให้ นักวิทยาศาสตร์ เข้าใกล้คำตอบทั้งสามข้อนี้มากขึ้น

อุณหภูมิของแกนโลกชั้นในประมาณว่าอยู่ที่ประมาณ 5,000 เคลวิน (4,727°C) ในตอนแรกแกนโลกเป็นของเหลว เมื่อเวลาผ่านไป แกนโลกจะเย็นตัวลง ตกผลึกเป็นของแข็งภายในและขยายตัวออกสู่ภายนอก ความร้อนที่ปล่อยออกมานี้ก่อให้เกิดกระแสการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก

การเย็นตัวลงยังเป็นแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กของโลกอีกด้วย พลังงานแม่เหล็กส่วนใหญ่ในปัจจุบันคงอยู่โดยการแข็งตัวของแกนโลกชั้นนอกที่เป็นของเหลว ซึ่งให้พลังงานแก่แกนโลกชั้นกลางที่เป็นของแข็ง

อย่างไรก็ตาม หากปราศจากการเข้าถึงโดยตรง นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องอาศัยการประมาณการเพื่อทำความเข้าใจกลไกการทำความเย็นและคุณสมบัติของแกนกลาง เพื่อความชัดเจน ปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือการกำหนดอุณหภูมิหลอมเหลว

ด้วยวิชาแผ่นดินไหววิทยา ซึ่งเป็นการศึกษาเกี่ยวกับคลื่นแผ่นดินไหว เราจึงทราบแน่ชัดว่าขอบเขตระหว่างแกนของแข็งและของเหลวอยู่ตรงไหน อุณหภูมิที่ขอบเขตนี้ยังเป็นจุดเริ่มต้นของการหลอมเหลว ซึ่งเป็นจุดที่การแข็งตัวเริ่มต้นขึ้น

ดังนั้น หากสามารถระบุอุณหภูมิการหลอมเหลวได้อย่างแม่นยำ ผู้คนก็จะเข้าใจอุณหภูมิที่แท้จริงของแกนกลางและองค์ประกอบทางเคมีภายในได้ดียิ่งขึ้น

เคมีลึกลับ

มีแนวทางหลักสองประการในการทำความเข้าใจองค์ประกอบของแกนโลก ได้แก่ การศึกษาอุกกาบาตและการวิเคราะห์ข้อมูลแผ่นดินไหว

อุกกาบาตถือเป็น "เศษซาก" ของดาวเคราะห์ที่ยังไม่ก่อตัว หรือเศษซากจากแกนกลางของดาวเคราะห์ที่ถูกทำลาย องค์ประกอบทางเคมีของอุกกาบาตบ่งชี้ว่าแกนกลางของโลกประกอบด้วยเหล็กและนิกเกิลเป็นหลัก ซึ่งอาจผสมกับซิลิคอนหรือกำมะถันอีกเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ข้อมูลเหล่านี้เป็นเพียงข้อมูลเบื้องต้นและยังไม่ละเอียดพอที่จะสรุปได้แน่ชัด

ในทางกลับกัน วิชาแผ่นดินไหววิทยาให้มุมมองที่ละเอียดกว่ามาก คลื่นไหวสะเทือนจากแผ่นดินไหวเดินทางผ่านโลกด้วยความเร็วที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับวัสดุที่เคลื่อนผ่าน นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแบบจำลองภายในโลกได้ โดยการเปรียบเทียบเวลาที่คลื่นมาถึงสถานีวัดกับผลการทดลองเกี่ยวกับความเร็วในการเดินทางของแร่ธาตุและโลหะ

ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าแกนโลกมีน้ำหนักเบากว่าเหล็กบริสุทธิ์ประมาณ 10% โดยเฉพาะอย่างยิ่งแกนโลกชั้นนอกที่เป็นของเหลวมีความหนาแน่นมากกว่าแกนโลกชั้นในที่เป็นของแข็ง ซึ่งเป็นความขัดแย้งที่สามารถอธิบายได้ด้วยการมีอยู่ของธาตุรองบางชนิดเท่านั้น

แม้จะจำกัดขอบเขตขององค์ประกอบที่เป็นไปได้ให้แคบลง แต่ปริศนาก็ยังคงไม่คลี่คลาย สถานการณ์ที่แตกต่างกันทำให้อุณหภูมิหลอมเหลวแตกต่างกันหลายร้อยองศาเซลเซียส ทำให้การระบุคุณสมบัติแกนกลางที่แน่นอนเป็นเรื่องยาก

ข้อจำกัดใหม่

ในการศึกษาวิจัยครั้งใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้ฟิสิกส์แร่ธาตุเพื่อทำความเข้าใจว่าแกนโลกเริ่มแข็งตัวได้อย่างไร ซึ่งเป็นแนวทางที่เฉพาะเจาะจงกว่าทั้งอุตุนิยมวิทยาและแผ่นดินไหว

การจำลองแสดงให้เห็นว่าเมื่ออะตอมในโลหะเหลวตกผลึกเป็นของแข็ง โลหะผสมแต่ละชนิดต้องการระดับ “supercooling” หรือการลดอุณหภูมิให้ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวที่แตกต่างกัน ยิ่งกระบวนการเข้มข้นมากเท่าใด โอกาสที่ของเหลวจะแข็งตัวก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น น้ำในช่องแช่แข็งอาจเย็นจัดถึง -5°C เป็นเวลาหลายชั่วโมงก่อนที่จะแข็งตัว ในขณะที่ละอองน้ำในเมฆอาจกลายเป็นลูกเห็บได้หลังจากอยู่ที่ -30°C เพียงไม่กี่นาที

จากการคำนวณพบว่าอุณหภูมิสูงสุดของแกนโลกที่เย็นยิ่งยวด (supercooling) อยู่ที่ประมาณ 420°C ต่ำกว่าจุดหลอมเหลว หากอุณหภูมินี้สูงกว่านี้ แกนโลกชั้นในจะมีขนาดใหญ่ผิดปกติเมื่อเทียบกับข้อมูลแผ่นดินไหว ในขณะเดียวกัน เหล็กบริสุทธิ์จะต้องใช้อุณหภูมิ 1,000°C จึงจะตกผลึก ซึ่งเป็นไปไม่ได้เนื่องจากแกนโลกทั้งหมดจะแข็งตัวแล้ว

การเติมซิลิกอนหรือกำมะถันก็ไม่ได้ช่วยอะไร และอาจทำให้แกนเย็นลงมากยิ่งขึ้น

ภาพรวมจะสมเหตุสมผลก็ต่อเมื่อพิจารณาถึงคาร์บอน หากมวลแกนโลก 2.4% เป็นคาร์บอน อุณหภูมิแกนโลกชั้นในจะอยู่ที่ประมาณ 420°C แต่ถ้ามีคาร์บอน 3.8% อุณหภูมิจะลดลงเหลือ 266°C ซึ่งเป็นตัวเลขที่น่าเชื่อถือกว่ามาก นี่เป็นหลักฐานแรกที่บ่งชี้ว่าคาร์บอนมีบทบาทสำคัญในการตกผลึกของแกนโลก

อย่างไรก็ตาม แกนโลกไม่สามารถประกอบด้วยเพียงเหล็กและคาร์บอนได้ เนื่องจากข้อมูลแผ่นดินไหวต้องการธาตุอื่นอย่างน้อยหนึ่งชนิด งานวิจัยชี้ให้เห็นว่าแกนโลกอาจประกอบด้วยออกซิเจนและแม้แต่ซิลิคอนด้วย

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