All change at the Earth's core
همه‌چيز در هسته‌ي زمين تغيير مي‌کند

 Earth

            پي بردن به اين که در بيش از 3000 کيلومتري زيرپاي ما چه مي‌گذرد دشوار است، اما تا چندي پيش دانشمندان تقريباً مطمئن بودند که مي‌دانند اتم‌هاي آهن در مرکز زمين چه‌طور در کنار هم قرار گرفته‌اند. با اين همه، پژوهش‌هاي جديد اين طرز فکر را دگرگون ساخته و نشان داده است که ساختار هسته‌ي زمين آن‌طور که زماني تصور مي‌شد چندان سر راست نيست.

 

فشار و دما در هسته‌ي زمين شگفت‌انگيز است، بيش از 5/3 مگابار وK 7000، و باز توليد اين شرايط در آزمايشگاه فعلاً ناممکن است. اطلاعات ما درباره‌ي هسته‌ي زمين از بررسي‌هاي چگونگي حرکت امواج زلزله در آن، برون‌يابي داده‌هاي تجربي، و مطالعه‌ي شهاب‌سنگ‌هاي غني از آهن به دست آمده‌اند. در نتيجه مي‌دانيم که هسته‌ي زمين عمدتاً از آهن تشکيل شده است، اما بايد شامل ناخالصي‌هاي سبک مانند اکسيژن، سيلسيم،گوگرد، هيدروژن ومنيزيم هم باشد ( چون چگالي هسته‌ي زمين کم‌تر از آن است که متشکل از آهن خالص باشد). گمان مي‌رود که مهم‌ترين ناخالصي آن نيکل باشد، که بين 5 تا 15 درصد ترکيب آن را تشکيل مي‌دهد.

بيش‌تر بررسي‌هاي انجام شده بر روي هسته‌ي زمين ترکيب آن را آهن خالص تقريب زده‌اند. ايگور آبريکوزوف ( Igor Abrikosov)  فيزيک‌دان نظري دانشگاه لينکوپينک (Linkoping )در سوئد اظهار داشت « قبلاً فرض مي‌شد که عناصر آلياژي براي ويژگي‌هاي ساختاري کشسان هسته‌ي زمين اهميت چنداني نداشته باشند.»

 

مطالعات تجربي و نظري بر روي آهن خالص به « مدل استاندارد» براي اين هسته انجاميد که با توجه به آن اتم‌هاي آهن در تشکل‌هاي « شش ضلعي نزديک به هم» قرار داشتند. اين تشکل مانند شانه‌ي عسل است که در آن اتم‌ها در لايه‌هاي متراکم شش ضلعي قرار دارند که در آن هر لايه مستقيماً روي لايه‌ي همتاي دو تا پايين‌تر از خود قرار دارد.

ساير ساختارهاي بسته‌بندي کنار گذاشته مي‌شدند، زيرا گمان مي‌رفت که به لحاظ انرژي کارآمدي کم‌تري دارند. به گفته‌ي آبريکوزوف، « ساختارهاي ديگر در فشارهاي متوسط خاصيت مغناطيسي کم‌تري دارند و معلوم شده که پايداري آن‌ها کم‌تر است.»

 

انجام آزمايش در شرايط نزديک به فشار و دماي هسته‌ي زمين تقريباً ‌ناممکن است.« براي حصول به فشارهاي بسيار زياد نمونه بايد بسيار کوچک شود و در اين شرايط تشخيص طرح‌هاي پراش از خود ساختارها بسيار دشوار مي‌شود. مهم‌تر از آن، در دماهاي زياد آهن تمايل به پخش شدن و واکنش با کربن موجود در سلول سنداني الماس دارد که ابزاري است که نمونه‌ها را بين دو نقطه‌ي الماس نگه مي‌دارد و فشارهاي بسيار زياد توليد مي‌کند.

 

ناتواني در باز توليد شرايط هسته‌ي زمين مانع از شناخت کامل ما از آن شده بود، اما در سال‌هاي اخير مدل‌‌هاي توانمند رايانه‌اي وارد کار شده‌اند. به گفته‌ي ابريکوزوف « مهارت لازم براي محاسبه‌ي اصول اوليه به دست آمده است و مي‌توانيد برون‌يابي‌هاي با کيفيت بالاتري را براي شناخت شرايط هسته‌اي زمين انجام دهيم.»

 

علاوه بر آن، با فشارها و دماهاي زيادي که اخيراً در سلول‌هاي سنداني الماس حاصل شده‌اند، آزمايش‌ها بهبود قابل ملاحظه‌اي يافته‌اند. دانشمندان با بهره‌گيري ازاين موارد واستفاده از تابش سنکروترون توانسته‌اند ساختارها را درشرايطي مشاهده کنند که به شرايط هسته‌ي خارجي زمين نزديک‌تر است.

 

ابريکوزوف و همکارانش با بهره‌گيري از اين ترکيب نظريه، آزمايش‌‌ها، و شبيه‌سازي‌ها نگاهي دوباره به هسته‌ي زمين انداخته‌اند. اين بار آن‌ها عناصر آلياژي چدن، نيکل و منيزيم را نيز وارد محاسبه‌هاي خود کرده‌اند و در نهايت تعجب دريافته‌اندکه اين موضوع تأثيري قابل ملاحظه‌ دارد.

 

به گفته‌ي ابريکوزوف، « در فشارهاي زياد، منيزيم از ديگر ساختارها بيرون رانده مي‌شود و همگي آن‌ها داراي پايداري مشابه مي‌شوند. پژوهش‌هاي جديد نشان داده است که ساختارهاي « مکعبي مرکز سطحي» و «‌مکعبي مرکز حجمي» را نمي‌توان کنار گذاشت و تمام اين ساختار‌ها به لحاظ انرژي امکان‌پذيرند.

 

ساختارهاي مکعبي مرکز سطحي داراي يک اتم در مرکز هر رخ و نيز اتم‌هايي در هر گوشه هستند، در حالي که مکعبي مرکز حجمي داراي يک اتم در مرکز مکعب هستند. ساختارهاي مکعبي مرکز سطحي در مقايسه با ساختار شش ضلعي نزديک به هم در هر سه لايه به تناوب تغيير مي‌کنند، و اتم‌ها در لايه‌هاي مختلف مارپيچي را به‌وجود مي‌آورند. به احتمال زياد عناصر نيکل، سيليسيم، اکسيژن و منيزيم نيز در چگونگي بسته‌بندي اتم‌هاي هسته‌ي زمين نقشي کليدي دارند. آزمايش‌هاي اخير نشان داده‌اند که در فشارهاي بسيار زياد اتم‌هاي منيزيم چنان متراکم مي‌شوند که مي‌توان آن‌ها را به راحتي در ساختارهاي آهن قرار داد. علاوه بر آن، عنصر نيکل در ساختار « مکعبي مرکز سطحي» راحت‌تر از آهن است.

 

بنابراين، چرا اين موضوع مهم است و اين ساختارها چه تفاوتي را در هسته‌ي زمين به وجود مي‌آورند؟ اهميت آن‌ها در ناهمسانگردي هسته‌ي زمين است.

 

مطالعات امواج زلزله نشان داده است که حرکت امواج در هسته‌ي زمين در جهت شمال- جنوب سريع‌تر و در جهت شرق- غرب کُندتر است. پديده‌اي که دانشمندان آن را ناهمسانگرد مي‌نامند. چگونگي بسته‌بندي اتم‌ها در هسته‌ي زمين در شناخت اين ناهمسانگردي اهميتي فراوان دارد.

 

مهم‌تر از آن‌، هسته‌ي زمين ميدان مغناطيسي توليد مي‌کند. بدون اين ميدان مغناطيسي زمين در معرض بمباران پرتوهاي کيهاني خطرناک قرار مي‌گرفت و حيات براي بقاي خود دچار مشکل مي‌شد. ميدان مغناطيسي زمين علاوه بر محافظت ما، براي جهت‌يابي و قرار گرفتن ماهواره‌ها در جاي خود نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد. حيات بر روي زمين به ميدان مغناطيسي آن بستگي دارد، اما بدون شناخت هسته‌ي آن نمي‌توانيم بفهميم که چگونه اين ميدان به وجود آمده است، و چه‌طور احتمالي دارد که تغيير کند.

 

براي دانشمنداني که هسته‌ي زمين را بررسي مي‌کنند وقت آن است که به تخته رسم‌هاي خود برگردند و در مورد آن‌چه زيرپاي ما قرار دارد بازانديشي کنند. با اين همه، نسل جديد شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي، همراه با آزمايش‌هايي که قبلاً فقط مي‌توانستيم در رؤياي آن‌ها باشيم، به معني آن است که خوش‌بيني زيادي در اين مورد وجود دارد و دانشمندان اطمينان دارند که هسته‌ي زمين به زودي اسرار خود را آشکار خواهد ساخت.

 

ترجمه : دکتر منیژه رهبر

مرجع