แกนโลกประกอบด้วยอะไรบ้าง?

(หนังสือพิมพ์แดนตรี) - แกนโลกที่เป็นของแข็งไม่ได้ประกอบด้วยเหล็กเพียงอย่างเดียว แต่ยังประกอบด้วยคาร์บอน ออกซิเจน และซิลิคอน การค้นพบนี้เปิดประตูสู่การไขปริศนาที่ค้างคามานานหลายศตวรรษเกี่ยวกับวิธีการก่อตัวของแกนโลกและการรักษาสนามแม่เหล็กที่ปกป้องสิ่งมีชีวิต

แกนโลกไม่น่าจะมีแค่เหล็กอย่างเดียว ดูเหมือนว่าจะมีคาร์บอนอยู่ด้วย งานวิจัยใหม่พบว่ามันยังประกอบด้วยออกซิเจนและซิลิคอนอีกด้วย (ภาพ: Getty Images)

แกนกลางของโลกซึ่งอุดมไปด้วยธาตุเหล็กมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อวิวัฒนาการของโลก มันไม่เพียงแต่เป็นแหล่งพลังงานของสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นเกราะป้องกันชั้นบรรยากาศและมหาสมุทรจากรังสีจากดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังเป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก ทำให้ทวีปต่างๆ เปลี่ยนแปลงรูปร่างอยู่ตลอดเวลา

แม้ว่าแกนโลกจะมีความสำคัญมาก แต่คุณสมบัติพื้นฐานหลายอย่างของแกนโลกยังคงเป็นปริศนาอยู่ เช่น แกนโลกมีอุณหภูมิเท่าใด ประกอบด้วยอะไรบ้าง และจะเริ่มแข็งตัวเมื่อใด การค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้ได้ช่วยให้ นักวิทยาศาสตร์ เข้าใกล้คำตอบของคำถามทั้งสามข้อนี้มากขึ้น

คาดว่าแกนกลางของโลกมีอุณหภูมิประมาณ 5,000 เคลวิน (4,727 องศาเซลเซียส) ในช่วงแรกแกนกลางอยู่ในสถานะของเหลว แต่จะค่อยๆ เย็นลงเมื่อเวลาผ่านไป จนตกผลึกกลายเป็นส่วนประกอบที่เป็นของแข็งและขยายตัวออกไป ความร้อนที่ปล่อยออกมานี้ทำให้เกิดการไหลของแผ่นเปลือกโลก

การเย็นตัวลงยังเป็นแหล่งกำเนิดของสนามแม่เหล็กโลก พลังงานแม่เหล็กส่วนใหญ่ในปัจจุบันเกิดจากการแข็งตัวของแกนโลกชั้นนอกที่เป็นของเหลว ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานให้กับแกนโลกที่เป็นของแข็งตรงกลาง

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่สามารถเข้าถึงแกนโลกได้โดยตรง นักวิทยาศาสตร์จึงต้องอาศัยการประมาณค่าเพื่อทำความเข้าใจกลไกการเย็นตัวและคุณสมบัติของแกนโลก โดยปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือการหาจุดหลอมเหลวของมัน

ด้วยความรู้ทางด้านแผ่นดินไหววิทยา ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว ทำให้เรารู้ได้อย่างแน่ชัดว่าขอบเขตระหว่างแกนโลกที่เป็นของแข็งและของเหลวอยู่ที่ใด อุณหภูมิ ณ ขอบเขตนี้ก็คือจุดหลอมเหลว ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการแข็งตัว

ดังนั้น หากสามารถกำหนดจุดหลอมเหลวได้อย่างแม่นยำ มนุษย์ก็จะมีความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับอุณหภูมิที่แท้จริงของแกนกลางและองค์ประกอบทางเคมีภายใน

เคมีลึกลับ

มีสองแนวทางหลักในการทำความเข้าใจองค์ประกอบของแกนโลก ได้แก่ การศึกษาอุกกาบาตและการวิเคราะห์ข้อมูลแผ่นดินไหว

อุกกาบาตถือเป็น "เศษซาก" ของดาวเคราะห์ที่ยังไม่ก่อตัว หรือเศษชิ้นส่วนจากแกนกลางของดาวเคราะห์ที่ถูกทำลายไปแล้ว องค์ประกอบทางเคมีของอุกกาบาตบ่งชี้ว่าแกนกลางของโลกส่วนใหญ่ประกอบด้วยเหล็กและนิกเกล อาจมีซิลิคอนหรือกำมะถันอยู่บ้างเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ข้อมูลนี้เป็นเพียงข้อมูลเบื้องต้นและยังไม่ละเอียดเพียงพอที่จะยืนยันอะไรได้อย่างแน่ชัด

ในขณะเดียวกัน วิชาแผ่นดินไหววิทยาให้มุมมองที่เป็นรูปธรรมมากกว่า คลื่นแผ่นดินไหวเมื่อเดินทางผ่านโลกจะเปลี่ยนความเร็วไปตามชนิดของวัสดุที่มันผ่านไป โดยการเปรียบเทียบเวลาที่คลื่นใช้ในการเดินทางไปยังสถานีตรวจวัดกับผลการทดลองเกี่ยวกับความเร็วในการส่งผ่านในแร่ธาตุและโลหะ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแบบจำลองโครงสร้างภายในของโลกได้

ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าแก่นโลกมีน้ำหนักเบากว่าเหล็กบริสุทธิ์ประมาณ 10% ที่น่าสังเกตคือ แก่นโลกชั้นนอกซึ่งอยู่ในสถานะของเหลวมีความหนาแน่นมากกว่าแก่นโลกชั้นใน ซึ่งเป็นความขัดแย้งที่สามารถอธิบายได้ด้วยการมีอยู่ของธาตุแปลกปลอมบางชนิดเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม แม้จะจำกัดองค์ประกอบที่เป็นไปได้ลงแล้ว ปัญหาก็ยังไม่ได้รับการแก้ไข สถานการณ์ที่แตกต่างกันส่งผลให้จุดหลอมเหลวแตกต่างกันหลายร้อยองศาเซลเซียส ทำให้การกำหนดคุณสมบัติของแกนกลางอย่างแม่นยำเป็นเรื่องยาก

ข้อจำกัดใหม่

ในการวิจัยใหม่ นักวิทยาศาสตร์ใช้แร่ธาตุวิทยาเพื่อทำความเข้าใจว่าแกนโลกเริ่มแข็งตัวได้อย่างไร ซึ่งเป็นแนวทางที่เจาะจงกว่าทั้งอุตุนิยมวิทยาและแผ่นดินไหววิทยา

จากการจำลองพบว่า เมื่ออะตอมในโลหะเหลวตกผลึกกลายเป็นของแข็ง โลหะผสมแต่ละชนิดต้องการระดับ "การทำความเย็นยิ่งยวด" ที่แตกต่างกัน กล่าวคือ ต้องลดอุณหภูมิลงต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ยิ่งกระบวนการนี้เข้มข้นมากเท่าไร โลหะเหลวก็จะยิ่งแข็งตัวได้ง่ายขึ้นเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น น้ำในช่องแช่แข็งสามารถคงความเย็นจัดที่ -5°C ได้นานหลายชั่วโมงก่อนที่จะแข็งตัว ในขณะที่หยดน้ำในก้อนเมฆจะกลายเป็นลูกเห็บได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่นาทีที่อุณหภูมิ -30°C

จากการคำนวณพบว่า อุณหภูมิการเย็นตัวยิ่งยวดสูงสุดของแกนโลกนั้นต่ำกว่าจุดหลอมเหลวประมาณ 420 องศาเซลเซียส หากอุณหภูมิสูงกว่านี้ แกนโลกชั้นในจะมีขนาดใหญ่ผิดปกติเมื่อเทียบกับข้อมูลทางแผ่นดินไหว ในขณะเดียวกัน เหล็กบริสุทธิ์ต้องการอุณหภูมิ 1,000 องศาเซลเซียสในการตกผลึก ซึ่งเป็นไปไม่ได้ เพราะแกนโลกทั้งหมดจะแข็งตัวไปแล้วก่อนหน้านั้น

การเติมซิลิคอนหรือกำมะถันไม่ได้ช่วยอะไร และอาจจำเป็นต้องลดอุณหภูมิของแกนกลางให้ต่ำลงไปอีก

ภาพนี้จะสมเหตุสมผลก็ต่อเมื่อพิจารณาถึงคาร์บอนด้วย หากคาร์บอนคิดเป็น 2.4% ของมวลแกนกลาง จะต้องใช้ความร้อนประมาณ 420°C ในการแช่แข็งแกนกลางชั้นใน แต่ถ้ามีคาร์บอน 3.8% อุณหภูมิที่ต้องการจะลดลงเหลือ 266°C ซึ่งเป็นตัวเลขที่สมเหตุสมผลกว่ามาก นี่เป็นหลักฐานแรกที่บ่งชี้ว่าคาร์บอนมีบทบาทสำคัญในกระบวนการตกผลึกของแกนกลาง

อย่างไรก็ตาม แกนโลกไม่น่าจะประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอนเพียงอย่างเดียว เพราะข้อมูลทางธรณีวิทยาบ่งชี้ว่ามีธาตุอื่นอย่างน้อยหนึ่งชนิดอยู่ด้วย งานวิจัยชี้ให้เห็นความเป็นไปได้ว่าแกนโลกอาจมีออกซิเจน หรือแม้แต่ซิลิคอนอยู่ด้วย

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