درون زمین چه خبر است؟

ما انسان‌ها، تقریبا کل سطح سیاره‌ی خود را کشف کرده‌ایم. طی هزاران سال زندگی بر روی زمین، همه‌ی خشکی‌ها را کاویده‌ایم و اکنون به راحتی در هوا پرواز و در عمق اقیانوس‌ها جستجو می‌کنیم. جالب این‌جاست که از زمین خارج شده‌ایم و به کره‌ی ماه هم رفته‌ایم؛ با این حال، به جز در داستان «سفر به اعماق زمین» ژول ورن، هیچ وقت نتوانسته‌ایم به مرکز زمین برویم. در واقع حتی به آن نزدیک هم نشده‌ایم. عمیق‌ترین چاهی که تا به حال حفر کرده‌ایم، «چاه حفاری کولا» (Kola Superdeep Boehole) در روسیه است که عمق آن به ۱۲.۳ کیلومتر می‌رسد. این درحالیست که مرکز زمین چیزی در حدود ۶۰۰۰ کیلومتر با ما فاصله دارد. ولی واقعا درون زمین چه خبر است؟ هسته‌ی زمین چیست و از چه تشکیل شده است؟ آیا ممکن است روزی بتوانیم به مرکز زمین سفر کنیم؟

در رمان «سفر به اعماق زمین» ژول ورن، پروفسوری آلمانی به نام «اوتو لیدنبروک» (otto lidenbrock) با همراهانش از دهانه‌ی آتش‌فشانی خاموش در ایسلند به عمق زمین می‌روند. آن‌ها از تونل‌هایی زیرزمینی گذر می‌کنند و در سفر خود به چیزهای عجیب و غریب، از پدیده‌های طبیعی گرفته تا جانوران باستانی منقرض شده، برخورد می‌کنند. در آخر نیز از آتش‌فشانی در جنوب ایتالیا بیرون می‌آیند. با این حال، این فقط یک رمان است و واقعیت درون زمین فرق می‌کند. ما نمی‌توانیم به درون زمین سفر کنیم و در عوض باید از روی نشانه‌ّهایی که زمین بر روی سطحش به ما نشان می‌دهد، از راز درونی آن با خبر شویم.

بیشتر پدیده‌های زمین‌شناسی که می‌بینیم، در نتیجه‌ی فعالیت لایه‌های بالایی سیاره‌ی ما هستند. مثلا گدازه‌هایی که از دهانه‌ی آتش‌فشان‌ها با فشار بیرون می‌زنند، در چند صد کیلومتری عمق زمین تشکیل شده‌اند. حتی الماس که برای بوجود آمدن، به فشار و دمای خیلی زیاد احتیاج دارد، در صخره‌های واقع در عمق ۵۰۰ کیلومتری زمین درست می‌شود.

«سایمون ردفرن» (Simon Redfern) از دانشگاه کمبریج می‌گوید: «یک راه خوب برای کاوش مواد تشکیل دهنده‌ی زمین، بررسی جرم آن است.» ما می‌توانیم با مشاهده‌ی اثر گرانشی زمین بر اجسام روی سطح آن، جرم زمین را تخمین بزنیم. به نظر می‌رسد که جرم زمین چیزی در حدود ۵.۹ سکزتیلیون تن (عدد ۵۹ با بیست صفر جلوی آن) است. ردفرن می‌گوید: «چگالی موادی که در سطح زمین قرار دارند، خیلی کمتر از میانگین چگالی کل زمین است. بدین معنی که قسمتی از زمین باید چگالی خیلی زیادتری داشته باشد؛ این نخستین نشانه است.»

بیشتر جرم زمین در مرکز آن قرار دارد؛ به قسمت مرکزی زمین، هسته می‌گوییم. احتمالا حدود ۸۰ درصد از ماده‌ی هسته را آهن تشکیل داده است. مهم‌ترین مدرک ما برای دریافت این موضوع،‌ مقدار خیلی زیاد آهن در جهان پیرامون ماست. در حقیقت باید گفت که آهن، جزو ۱۰ عنصر رایج کهکشان ماست و به راحتی در شهاب‌سنگ‌ها پیدا می‌شود. هرچند این عنصر خیلی رایج است، ولی آن‌قدر که انتظار می‌رود، در پوسته‌ی زمین وجود ندارد. بنابراین نظریه‌ی غالب این است که ۴.۵ میلیارد سال پیش، وقتی زمین در حال شکل گرفتن بود، بیشتر آهن زمین به مرکزش فرو رفت.

آهن یک عنصر خیلی رایج در همه‌ی جهان است؛ از آن‌جا که آهن موجود در پوسته‌ی زمین خیلی از حد انتظار کمتر است، دانشمندان نتیجه گرفتند که این آهن باید به جایی در اعماق زمین رفته باشد.

بیشتر جرم زمین در هسته قرار گرفته و بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که بیشتر آهن زمین آن‌جا جمع شده است. آهن در شرایط معمولی، عنصری نسبتا چگال است. ولی در فشار زیاد مرکز زمین، چگالی آن بیشتر هم می‌شود. با این حال اینکه آهن چگونه به مرکز زمین نفوذ کرده نیز خود یک سوال بزرگ است. بیشتر زمین از صخره‌های سیلیکاتی سخت تشکیل شده و آهن مذاب به زحمت می‌تواند درون آن نفوذ کند. راه‌حل محتمل برای این مشکل را در سال ۲۰۱۳، «وندی مائو» (Wendy Mao) و همکارانش از دانشگاه استنفورد کالیفرنیا مطرح کردند. آن‌ها به این فکر کردند که اگر آهن و سیلیکات در معرض فشار زیاد قرار بگیرند؛ یعنی همان اتفاقی که در عمق زمین می‌افتد، ممکن است آهن بتواند به درون سیلیکات نفوذ کند. آن‌ها با استفاده از الماس، هر دو ماده را به یکدیگر فشرده کردند. با قرار گرفتن تحت فشار خیلی زیاد، آهن مذاب توانست راهش را از درون سیلیکات پیدا کند. مائو می‌گوید: «فشار باعث تغییر در خاصیت واکنش آهن با سیلیکات می‌شود. در فشار زیاد، شبکه‌ای مذاب شکل می‌گیرد.» این بدین معنیست که آهن طی میلیون‌ها سال، به صورت مذاب و فشرده، به تدریج به مرکز زمین رسیده است.

علم زلزله‌شناسی کمک زیادی به فهم ما از اندازه‌ی هسته‌ی زمین کرد. وقتی زمین‌لرزه اتفاق می‌افتد، امواج ضربه‌ای به سراسر سیاره‌ی زمین نفوذ می‌کنند. زلزله‌شناسان، این امواج را ثبت می‌کنند. مثل این است که کسی با پتک به قسمتی از زمین بکوبد، و فردی دیگر، با قرار دادن گوش خود بر روی سطح زمین، صدای آن را بشنود. ردفرن می‌گوید: «در سال ۱۹۶۰ زمین‌لرزه‌ای در شیلی رخ داد که باعث شد بتوانیم اطلاعات زیادی از درون زمین کسب کنیم. همه‌ی ایستگاه‌های لرزه‌نگاری در مکان‌های مختلف دنیا، لرزش آن را ثبت کردند.»

امواج در راه رسیدن به لرزه‌نگارها، در مسیرهای مختلفی از درون زمین عبور می‌کنند و این باعث می‌شود که صدای آن‌ها از یکدیگر متفاوت باشد. از سال‌ها پیش، مشخص شده بود که بعضی امواج لرزه‌ای در عمق زمین گم می‌شوند و به حسگرهای لرزه‌نگار نمی‌رسند. انتظار می‌رفت که وقتی این امواج در قسمتی از زمین تولید می‌شوند، همیشه در سمت دیگر شنیده شوند، ولی گاهی اوقات این‌طور نمی‌شد. این اتفاق منجر به کشف جالبی شد. در زمین‌لرزه، امواجی پیدا شد که نام آن‌ها را «امواج ثانویه» یا «امواج برشی» گذاشتند. این امواج برخلاف موج‌های سطحی می‌توانند از درون جامدات، از جمله سنگ‌های زمین عبور کنند. این امواج فقط می‌توانند از مواد جامد رد شوند و از مایعات گذر نمی‌کنند. دانشمندان حدس زدند احتمالا امواجی که از سوی دیگر زمین می‌آیند، به چیزی مذاب در مرکز زمین برمی‌خورند و نمی‌توانند از آن گذر کنند. با نقشه‌برداری از مسیر امواج برشی، مشخص شد که در عمق حدود ۳۰۰۰ کیلومتری زمین، سنگ‌ها به حالت مذاب قرار دارند. دانشمندان با تحلیل این موضوع پیشنهاد کردند که احتمالا کل هسته‌ی زمین مذاب است.

امواج ثانویه‌ی زمین لرزه، از درون مایعات عبور نمی‌کنند، دانشمندان با مطالعه‌ی این امواج فهمیدند که هسته‌ی زمین مذاب است.

در سال ۱۹۳۰، یک زلزله‌شناس دانمارکی به نام «اینگه لمان» (Inge Lehmann) به نوع دیگری از امواج به نام «امواج اولیه» یا «امواج فشاری» برخورد که می‌توانند از هسته‌ی زمین هم عبور کنند و در سوی دیگر شناسایی شوند. او توضیح جالبی داد: «هسته‌ی زمین به دو لایه تقسیم شده‌است. هسته‌ی درونی، از عمق ۵۰۰۰ کیلومتری شروع می‌شود و جامد است. ولی هسته‌ی بیرونی مذاب است.» ایده‌ی لمان در نهایت در سال ۱۹۷۰ پذیرفته شد.

فقط زمین لرزه‌ها نیستند که می‌توانند در زمین امواج ضربه‌ای ایجاد کنند. در حقیقت، زلزله‌شناسان تا حد زیادی اطلاعات خود را مدیون آزمایش‌ سلاح‌های هسته‌ای هستند. انفجارهای هسته‌ای می‌توانند در زمین موج ایجاد کنند. جالب این‌جاست که یکی از راه‌های جاسوسی کشورها برای اینکه ببینند کشور دیگر آزمایش هسته‌ای انجام می‌دهد یا خیر، گوش دادن به همین امواج است. در دوران جنگ سرد، این موضوع خیلی مورد اهمیت قرار گرفت و زلزله‌شناسانی مثل لمان، حسابی از این موقعیت استفاده کردند. کشورهای رقیب، گوش بزنگ آزمایش‌های هسته‌ای یکدیگر بودند و در همین حین، زلزله‌شناسان چیزهای زیادی یاد گرفتند. ما اکنون می‌توانیم شکل درونی زمین را خیلی خوب ترسیم کنیم. زمین در مرکز خود دارای یک هسته‌ی بیرونی مذاب است که تقریبا در نیمه‌ی راه رسیدن به مرکز زمین شروع می‌شود. درون این هسته‌ی بیرونی، هسته‌ی درونی با قطر ۱۲۲۰ کیلومتر وجود دارد.

ولی هنوز چیزهای زیادی برای دانستن درباره‌ی هسته‌ی مرکزی وجود دارد. مثلا اینکه دمای آن چقدر است؟ «لیدونکا ووکالدو» (Lidunka Vocadlo) از کالج دانشگاهی لندن می‌گوید: «دانستن دمای هسته‌ی زمین تا حد زیادی مشکل است. ما نمی‌توانیم آن‌جا یک دماسنج بگذاریم. تنها راه این است که در آزمایشگاه، فشاری به اندازه‌ی مرکز زمین ایجاد کنیم.» در سال ۲۰۱۳، گروهی از پژوهشگران فرانسوی، بهترین تخمین از دمای مرکز زمین را ارائه دادند. آن‌ها مقداری آهن خالص را به فشاری کمی‌ بیشتر از فشار مرکز زمین رساندند. دانشمندان از این آزمایش نتیجه گرفتند که نقطه‌ی ذوب آهن خالص در هسته‌ی زمین، ۶۲۳۰ درجه‌ی سانتیگراد است. وجود دیگر مواد در هسته، باعث می‌شود که دمای هسته تا حد ۶۰۰۰ درجه پایین بیاید.

هسته‌ی زمین دمای زمان پیدایش‌اش را حفظ کرده است. در ضمن بر اثر اصطکاک هم مقداری دما وجود می‌آید. عامل دیگر بوجود آمدن گرما، فروپاشی عناصر رادیواکتیو است. با این حال هسته‌ی زمین در هر یک میلیارد سال، ۱۰۰ درجه‌ی سانتیگراد سرد می‌شود. دانستن دمای زمین بسیار مهم است چرا که می‌تواند مشخص کننده‌ی سرعت عبور لرزه‌ها از درون هسته باشد.

سرعت امواج اولیه، به هنگام عبور از هسته‌ی زمین، به شدت کم می‌شود. به صورتی که حتی اگر از درون آهن مذاب خالص رد می‌شد، سرعت آن بیشتر بود. ووکالدو می‌گوید: «سرعت موجی که زلزله‌شناسان در زمین‌لرزه اندازه‌گیری می‌کنند، کاملا پایین‌تر از سرعتی است که ما در آزمایشگاه حساب می‌کنیم.» آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که ماده‌ی دیگری در این میان وجود دارد.

فلز دیگری در هسته‌ی زمین وجود دارد به نام نیکل. دانشمندان چگونگی گذر موج‌های لرزه‌ای از درون آلیاژ آهن-نیکل را بررسی کرده‌اند، ولی باز هم با داده‌های واقعی هماهنگی ندارد. ووکالدو و همکارانش اکنون فکر می‌کنند که ممکن است در مرکز زمین عناصر دیگری نیز مثل سولفور یا سیلیکون وجود داشته باشد. هنوز هیچ دانشمندی نتوانسته نظریه‌ای درباره‌ی هسته‌ی مرکزی بدهد که بتواند همه را راضی کند.

ووکالدو سعی می‌کند که مواد هسته‌ی درونی را با کامپیوتر شبیه‌سازی کند. او امیدوار است بتواند ترکیبی از مواد، دماها و فشارهایی را بیابد که بتوانند به میزان کافی، سرعت موج‌های لرزه‌ای را کم کنند. او می‌گوید که پاسخ معما می‌تواند در این واقعیت نهفته باشد که هسته‌ی درونی تقریبا در دمای ذوب قرار دارد. در نتیجه، ویژگی‌های مشخص مواد می‌توانند با حالت جامد مواد متفاوت باشد. این شاید بتواند توضیح بدهد که چرا امواج لرزه‌ای به هنگام عبور از هسته، آهسته‌تر از حد انتظار گذر می‌کنند.

سرعت امواج اولیه وقتی که از درون هسته‌ی زمین رد می‌شوند بسیار کندتر از حد انتظار داست. دانشمندان سعی می‌کنند در آزمایشگاه ترکیبی از مواد را شبیه‌سازی کنند که بتواند این سرعت کم را توجیه کند.

هنوز چیستان‌های زیادی درباره‌ی هسته‌ی زمین وجود دارد. با این حال تا همین‌جای کار نیز دانشمندان چیزهای زیادی درباره‌ی آن‌چه در اعماق زمین وجود دارد کشف کرده‌اند. این اتفاقات پنهان زیر زمین، در زندگی ما تاثیر زیادی دارد. تاثیراتی که بسیاری از آن‌ها را نمی‌شناسیم. زمین دارای میدان مغناطیسی خیلی قدرتمندی است و این میدان مغناطیسی به دلیل وجود هسته‌ی بیرونی مذاب آن بوجود آمده. حرکت ثابت هسته‌ی مذاب بیرونی، یک جریان الکتریکی را درون هسته ایجاد می‌کند و باعث می‌شود که زمین یک آهنربای بزرگ شود و میدان مغناطیسی بزرگی که شکل داده، تا هزاران کیلومتر در فضا ادامه داشته باشد. میدان مغناطیسی باعث می‌شود که ما از تابش‌های مضر خورشید در امان بمانیم. اگر هسته‌ی زمین به این شکل نبود، هیچ گونه میدان مغناطیسی وجود نداشت و به احتمال زیاد ما نیز وجود نداشتیم.