دمای هسته زمین شاید هزار درجه کمتر از تصور پیشین دانشمندان باشد
زومیت: روش جدید اندازه گیری آهن مذاب نشان می دهد که هسته زمین شاید تا هزار درجه سانتیگراد سردتر است. این می تواند معمای قدیمی میدان مغناطیسی را حل کند.
بر اساس روشی جدید برای اندازه گیری دمای آهن مذاب تحت فشار شدید، دانشمندان می گویند دمای هسته زمین ممکن است تا 1000 درجه سانتیگراد کمتر از تخمین قبلی باشد. یافته های جدید ارائه شده در نشست گلداشمیت در 17 جولای می تواند به حل یک معمای دیرینه کمک کند. معمایی در مورد چگونگی زنده ماندن میدان مغناطیسی زمین برای میلیاردها سال قبل از تشکیل هسته درونی جامد که امروز به تثبیت آن کمک می کند.
برنی وود، سنگشناس تجربی در دانشگاه آکسفورد، گفت: به نظر میرسد راهحلی جدید و نسبتاً ظریف برای این مشکل وجود دارد. با این حال، او انتظار دارد که نتایج بحث برانگیز باشد، زیرا محققانی که چندین دهه تلاش کرده اند تا شرایط را در مرکز زمین بازسازی کنند، معمولا به دمای بسیار بالاتری رسیده اند. مایکل والتر، محقق فشار بالا در مؤسسه علمی کارنگی که این مطالعه را رهبری میکرد، میگوید: «دما در فرضیه ما بسیار پایینتر از نتایج دیگر است». فکر می کنم متقاعد کردن دیگران به زمان نیاز دارد.”
هسته زمین که از نظر اندازه با مریخ قابل مقایسه است، عمدتاً از آهن تشکیل شده است و هسته بیرونی مذاب آن یک هسته داخلی جامد به اندازه ماه را در بر گرفته است. میدان مغناطیسی سیاره از حرکت و جابجایی آهن مذاب در هسته بیرونی ایجاد می شود و حداقل چهار میلیارد سال است که وجود داشته است.
امروزه، سیستم تولید میدان مغناطیسی زمین یا “ژئودینامو” عمدتاً از انرژی حاصل از انجماد آهسته هسته داخلی تغذیه می شود. فرآیندی که گرما و عناصر نوری شناور را در فلز مایع مذاب اطراف هسته داخلی آزاد می کند. اما برخی از مدلهای تاریخ سرد شدن زمین نشان میدهند که هسته داخلی تنها کمی بیش از نیم میلیارد سال پیش شروع به شکلگیری کرد. موضوعی که «پارادوکس هسته جدید» را پیش میبرد و میپرسد چه چیزی ژئودینامو را 3.5 میلیارد سال قبل از تولد هسته درونی ادامه داد؟
پاسخ به شرایط اعماق سیاره بستگی دارد. از آنجایی که هسته داخلی جامد است، نباید آنقدر داغ باشد که در فشارهای بالا ذوب شود. بنابراین، تعیین نقطه ذوب آهن در فشارهای معادل هسته یکی از بهترین برآوردها برای دمای هسته است. بسیاری از برآوردها این دما را بیش از شش هزار کلوین می دانند.
والتر و همکارانش بیش از پنج سال را صرف توسعه روش جدید کردند. مانند آزمایشهای قبلی، آنها نمونههای بسیار کوچکی از آهن را بین نوک سندانهای الماس فشار دادند تا به فشاری نزدیک به دو میلیون اتمسفر برسند. شرایطی که مشابه فشارهای عمیق در هسته زمین است. اما برخلاف روشهای رایجی که از لیزر برای گرم کردن نمونه استفاده میکنند، محققان با اعمال پالسهای الکتریکی بسیار کوتاه در مقیاس میکروثانیه، کنترل دقیقتری بر فرآیند گرمایش به دست آوردند. سپس به جای اینکه مستقیماً به دنبال نشانههای ذوب آهن باشند، تغییر رفتار دما را بررسی کردند. یعنی نقطه ای که دیگر انرژی ورودی برای افزایش دما مصرف نمی شود و برای ذوب فلز استفاده می شود.
تیم تحقیقاتی دریافت که در فشار مرز هسته داخلی، آهن خالص باید در محدوده 4420 تا 5220 کلوین ذوب شود. رقمی که بیش از هزار درجه سانتیگراد کمتر از برآوردهای قبلی است. والتر میگوید بسیاری از عدم قطعیت ناشی از برونیابی اندازهگیریهای انجامشده در فشارهای هسته بیرونی و سپس برونیابی به مرز هسته داخلی است. پس از تصحیح اثر عناصر سبک تر مخلوط شده با هسته زمین، دمای تخمین زده شده حتی پایین تر است و به تخمین مرکزی 4284 کلوین می رسد.
محققان سپس تخمین جدید دمای ذوب آهن را به همراه دادههای مربوط به رسانش گرما در فشارهای بسیار بالا در مدلهای تکامل حرارتی زمین گنجاندند. نتایج نشان داد که سرد شدن تدریجی هسته خود می تواند انرژی لازم را برای فعال شدن ژئودینامو در طول بیشتر تاریخ زمین فراهم کند. تا اینکه حدود نیم میلیارد سال پیش هسته داخلی شروع به یخ زدن کرد. والتر می گوید این محاسبات سناریوی ژئودینامیکی را که در آن نیروی محرکه عمدتا انرژی حرارتی ناشی از خنک شدن هسته است، محتمل تر می کند.
دمای پایینتر پیامد دیگری نیز دارد: مرز بین هسته و گوشته زمین نیز ممکن است سردتر از آنچه قبلاً تخمین زده میشد باشد. در چنین شرایطی ذوب سنگها در این منطقه دشوارتر خواهد بود و همین موضوع میتواند برخی فرضیهها را درباره منشأ تودههای عظیم و مرموزی که در نزدیکی مرز هسته و گوشته قرار دارند زیر سوال ببرد. این ساختارها که با کندی غیرعادی امواج لرزه ای در عمق زمین شناسایی می شوند، گاهی اوقات به عنوان مناطقی غنی از مواد داغ یا حتی تا حدی مذاب تفسیر می شوند. والتر می گوید این یافته ها می تواند درک دانشمندان را از یکی از ناشناخته ترین قسمت های داخلی زمین تغییر دهد.
داریو آلفه، فیزیکدان کانیشناسی در دانشگاه کالج لندن که تحقیقاتش به ایجاد تخمینهای بالاتر از دمای هسته کمک کرد، گفت که اندازهگیریهای جدید یک “بازگشت” بود و بحثی را که بسیاری از محققان فکر میکردند تا حد زیادی بسته شده بود، زنده کرد. با این حال، او هنوز قانع نشده است. آلفه میگوید: «تعیین اینکه آیا این فرضیه درست است یا خیر دشوار است و مطمئناً نمیتوان بدون بررسی دقیق روشها درباره آن اظهار نظر کرد. صادقانه بگویم، من آنقدر از عمرم را صرف این موضوع کردهام که نمیخواهم این بحث را دوباره باز کنم.»
