از کجا می دانیم در مرکز زمین چه خبر است؟
وقتی نویسنده پیشرو داستان های علمی – تخیلی، ژول ورن (Jules Verne) رمان جذاب «سفر به مرکز زمین» را در سال 1864 نوشت، احتمالاً به خوبی می دانست طرح داستانش چیزی جز خیال بافی ناب نیست. شخصیت های داستان، تنها چند کیلومتر به درون زمین رفتند؛ اما این ایده که کسی حتی بتواند خیال سفر به مرکز زمین را داشته باشد، مدت ها پیش از دوران ویکتوریایی رد شده بود. حتی امروزه، بیشترین مسافتی که بشر توانسته است به عمق سیاره نفوذ کند، حفاری تا عمق 12 کیلومتر است؛ در حالی که فاصله ما تا مرکز سیاره حدود 500 برابر بیشتر (حدود 6370 کیلومتر) است. بنابراین این پرسش مطرح می شود که از کجا می دانیم زیر پایمان چه خبر است؟
ما روی سطح سیاره ای چگال و سنگی زندگی می کنیم و هنوز نتوانسته ایم چندان در اعماق آن نفوذ کنیم. با وجود این، بدون حضور فیزیکی توانسته ایم تا ژرف ترین اعماق زمین را شناسایی کنیم. در این مقاله شما می توانید با دانشمندان پیشرو و یافته های آنها که به ما در درک سیاره زمین کمک کرده است، آشنا شوید.
زندگی روی توپ
این ایده که سیاره زمین باید دارای هسته باشد، پا به پای حقیقت کروی بودن آن شکل گرفته است. دانش ما از زندگی روی یک توپ بزرگ آسمانی و نه یک صفحه مسطح، به مدت ها پیش باز می گردد. بیش از 2200 سال پیش، اراتوستن (Eratosthenes) یونانی نخستین اندازه گیری قطر و محیط کره زمین را انجام داد و از همان موقع هم مشخص بود که چنین جرم بزرگی باید دارای یک هسته مشخص باشد.
با وجود این، چنین گفته ای به معنی این نیست که فلاسفه نخستین، زمین را همانند چیزی تصور می کردند که ما امروزه می شناسیم. فیزیکدانان یونان باستان عقیده داشتند زمین از مجموعه ای از کرات هم مرکز و از چهار عنصر اصلی ساخته شده است: آب، هوا، خاک و در نهایت آتش. در این تصویر علمی باستانی، مرکز سیاره باید حالت جامد می داشت، زیرا هوا نمی توانست درون کره زمین محبوس شده باشد. همچنین به وضوح مشخص بود کره زمین کاملاً با آب احاطه نشده است؛ بنابراین تصور می شد بخشی از سیاره باید حالتی بیرون زده پیدا کرده باشد که باعث ظهور خشکی ها شده است و در نتیجه، فقط یک قاره واحد می تواند وجود داشته باشد. اما کشف آمریکا را می توان نخستین نتیجه یک آزمایش علمی دانست که ایده وجود قاره واحد را نقض کرد و نقش مهمی در بی اعتبارسازی علوم یونان باستان (دست کم دانش زمین شناسی آنها) داشت.
از همان زمان های قدیم، ایده توخالی بودن زمین یا وجود غارهایی پهناور که به مرکز زمین می رسیدند (آنطور که در کتاب ژول ورن توصیف شده بود)، در ادبیات و اسطوره ها بسیار محبوب بودند و همچنین در نظریه های شبه علمی بسیار نمود پیدا می کردند. با وجود این، هیچ مدرکی وجود ندارد که نشان دهد به غیر از ادموند هالی (ستاره شناس) که برای توجیه بعضی قرائت های غیر عادی قطب نماها در سال 1692 ایده زمین توخالی را مطرح کرد، دانشمند دیگری چنین نظریه هایی را جدی گرفته باشد. سرانجام هم در سال 1798 دانشمند انگلیسی، هنری کاوندیش (Henry Cavendish) میخ آخر را بر تابوت فرضیه «زمین توخالی» کوبید؛ کاری که از راه وزن کردن سیاره به دست این اعجوبه انجام شد.
وزن کردن سیاره
کاوندیش آدم عجیبی بود؛ برای نمونه برای اجتناب از رو در رویی با خدمتکارانش، از طریق یادداشت با آنها ارتباط برقرار می کرد. با وجود این پیش زمینه اشرافی، کاوندیش تمام عمرش را به معنی واقعی وقف علم کرده بود و در هر دو رشته شیمی و فیزیک کار می کرد؛ اما عمده شهرت او به خاطر طراحی آزمایش هوشمندانه ای بود که به کمک آن توانست چگالی و وزن سیاره را محاسبه کند. با استفاده از یک ترازوی فنری ساده، که نیروی پیچشی ناشی از کشش گرانش یک جفت توپ بزرگ را روی جفت توپی کوچکتر اندازه گیری می کرد، کاوندیش توانست جاذبه گرانشی ضعیف بین این دو جفت توپ را محاسبه کند. با مقایسه این مقدار با نیروی کشش گرانشی زمین، او توانست چگالی (و از آنجا که اندازه زمین از پیش معلوم بود، وزن سیاره) زمین را بدست آورد. اما مقدار بدست آمده نشان می داد بخش عمده سیاره ما باید جامد باشد یا اینکه مواد ناشناخته فوق العاده چگالی در اعماق آن مدفون باشند.
راهنمایی: ترازوی فنری یا پیچشی، دستگاهی شامل یک میله است که بوسیله رشته یا فنری پیچ خورده از یک چهارچوب آویزان است. وقتی میله جابجا می شود، نیرویی به رشته وارد می کند. هر چقدر نیرو بیشتر باشد، رشته بیشتر پیچ می خورد.
امروزه ما سیاره زمین را به سه ناحیه تقسیم می کنیم: پوسته که بیرونی ترین بخش سیاره را شکل می دهد و بین 5 تا 75 کیلومتر ضخامت دارد؛ گوشته که تا عمق حدود 2900 کیلومتری زیر پایمان ادامه دارد و هسته زمین که به فاصله حدود 3500 کیلومتر از مرکز زمین گسترده شده است.
هسته زمین به دو بخش کاملاً مجزا تقسیم می شود. در قلب هسته، کره فوق العاده داغ اما جامد از جنس آهن – نیکل قرار گرفته است که حدود 1200 کیلومتر قطر دارد و با دمایی نزدیک به 5400 درجه سلسیوس، هم دما با سطح خورشید است. باقی هسته اگرچه از همان جنس آهن – نیکل است، اما حالت مایع دارد و هسته خارجی را شکل می دهد. اما چطور می توانیم چنین جزئیاتی را درباره جایی بدست آورده باشیم که دسترسی ناپذیر است؟
بیشتر دانش ما از هسته زمین به شکل غیر مستقیم و به لطف علم لرزه نگاری بدست آمده است، دانشی که به مطالعه زمین لرزه ها می پردازند. پس از وقوع زلزله، امواج لرزه ای از میان زمین عبور می کنند و بسته به ماده ای که در مسیر خود از آن می گذرند، شکل و جهت شان تغییر می کند. ژئوفیزیکدانان با استفاده از این اطلاعات ساختار هسته زمین را استنباط کرده اند. لرزه نگارها، ابزارهایی که چنین امواجی را اندازه گیری می کنند، همانند تلسکوپ هایی بودند که به درون زمین نشانه رفتند و ساختار آن را برای ما آشکار کردند.
تا آغاز قرن بیستم، افزایش دما با افزایش عمق حفاری در دل زمین، در ترکیب با تحلیل های لرزه نگاری امواج لرزه ای بیانگر این بود که بخش های درونی زمین باید دست کم تا اندازه ای حالت مایع داشته باشند. در این میان، کشف های کلیدی بوسیله زمین شناس انگلیسی، ریچارد اولدهام (Richard Dixon Oldham) و زلزله شناس دانمارکی، اینگه لیمان (Inge Lehmann) انجام شد.
امواج جادویی
وقتی به موج فکر می کنید، احتمالاً امواج «سطحی» را در ذهن می آورید؛ از همان امواجی که در سطح دریا و برکه ها دیده اید. اما بسیاری از امواج، مثل امواج صوتی، «درون» محیط مادی حرکت می کنند. اگرچه امواج لرزه ای که باعث خرابی های زمین لرزه می شوند، آنهایی هستند که روی سطح حرکت می کنند؛ اما دو نوع موج لرزه ای وجود دارد. امواج P یا امواج اولیه از نوع موج طولی هستند. آنها در راستای حرکت خود ارتعاش می کنند و عبورشان باعث فشرده و کشیده شدن زمین می شود. امواج طولی بسیار هم سریع حرکت می کنند؛ حدود پنج کیلومتر در ثانیه در صخره هایی مثل گرانیت و حدود 14 کیلومتر بر ثانیه درون گوشته. در مقابل آنها، امواج S یا امواج ثانویه وجود دارند که امواجی کندتر و از جنس امواج عرضی هستند. برخلاف امواج طولی، آنها نمی توانند از درون مایعات عبور کنند و به همین دلیل، این دو نوع موج لرزه ای نقشی حیاتی در کمک به درک هسته زمین ایفا کردند.
راهنمایی: امواج طولی، امواجی هستند که از مجموعه ای فشردگی و وارفتگی در جهت انتشار موج تشکیل شده اند. به عبارت دیگر، جهت جابجایی محیط واسط و موج یکسان است. امواج صوتی و موج P زلزله از نوع امواج طولی هستند. امواج عرضی، امواجی هستند که از مجموعه ای قله و دره تشکیل شده است؛ مانند موج برداشتن یک طناب وقتی یک انتهای آن را بالا و پایین می بریم. امواج نور و موج S زلزله از نوع امواج عرضی هستند.
فرض کنید زلزله عظیمی رخ داده است. با وقوع زمین لرزه، امواج لرزه ای به شکل کروی از کانون زمین لرزه خارج و درون زمین پخش می شوند. امواج P به سرعت در مسیر مستقیم حرکت می کنند؛ در حالی که امواج S با تقریباً نصف سرعت، آنها را پشت سرشان تعقیب می کنند. هر دو نوع این امواج بوسیله لرزه نگارها ثبت می شوند؛ ابزارهایی که برای اندازه گیری ارتعاشات زمین در سراسر سیاره بکار گرفته می شوند. اما وقتی امواج لرزه ای از درون هسته عبور می کنند تا به ایستگاه لرزه نگاری دوردستی در آن سوی کره زمین برسند، اصطلاحاً ناحیه ای موسوم به «منطقه سایه» ایجاد می شود. اگر از رومرکز زلزله به اندازه 104 درجه روی محیط زمین حرکت کنید، امواج زلزله ناپدید می شوند؛ اما از زاویه حدود 140 درجه نسبت به رومرکز، امواج P دوباره بوسیله لرزه نگارها ثبت می شوند، در حالی که دیگر خبری از امواج S نیست که آنها را تعقیب کنند. کشف علت این موضوع، پرده از راز هسته زمین برداشت.
راهنمایی: رومرکز نقطه ای روی سطح زمین است که مستقیماً بالای کانون زلزله، جایی که زمین لرزه سرچشمه می گیرد، قرار دارد.
سال 1906، ریچارد اولدهام توانست علت ایجاد این سایه مرموز را توضیح دهد. اولدهام بخش عمده ای از دوران حرفه ای خود را به انجام نقشه برداری زمین شناسی هندوستان سپری کرده بود و بیشتر هم در منطقه هیمالیا کار می کرد. وقتی در سال 1903 بازنشسته شد و به انگلستان بازگشت، با استفاده از داده هایی که طی چند سال پیش جمع آوری کرده بود، به کاوش درباره ساختار داخلی زمین پرداخت. او متوجه شد رفتار مشاهده شده امواج P و S را می توان با مایع بودن هسته زمین توضیح داد. در این حالت، امواج P بوسیله هسته دچار «شکست» می شوند و خمیدگی آنها یک ناحیه سایه مشخص را ایجاد می کند. در مقابل، امواج S کاملاً بوسیله هسته مایع جذب و متوقف می شوند.
راهنمایی: وقتی موج با زاویه به سطح جدا کننده دو محیط برخورد می کند، جهت آن تغییر می کند. این پدیده را شکست موج می گویند. برای مثال، شکست امواج نور هنگام عبور از سطح بین هوا و آب باعث می شود نی در لیوان آب خمیده به نظر رسد.
دستاورد اولدهام باعث شد تصویر هسته ای مایع بطور گسترده مورد پذیرش جامعه علمی قرار گیرد؛ اما 30 سال بعد، اینگه لیمان دانمارکی متوجه شد ایده اولدهام در عین درستی، بیش از اندازه ساده است. شکست امواج P بوسیله مایع چگال موجود در مرکز زمین باید یک منطقه سایه کامل ایجاد می کرد. با وجود این، اندازه گیری های انجام شده بوسیله لرزه نگارهای حساس تری که در زمان لیمان در دسترس بودند، نشان داد امواج P ضعیفی کماکان در منطقه سایه دریافت می شوند. با استفاده از داده های زلزله 1929 نیوزیلند، لیمان این ایده را مطرح کرد که این امواج ضعیف از روی مرز یک هسته جامد داخلی و هسته مایع خارجی بازتاب می شوند. نتیجه مطالعات او که در سال 1936 منتشر شد، دو سال بعد بوسیله بنو گوتنبرگ (Beno Gutenberg) و چارلز ریشتر (Charles Francis Richter) که اثرات یک هسته جامد را به دقت مدل کردند، تایید شد. در نهایت دانشمندان در سال 1970 موفق شدند این امواج لرزه ای بازتاب شده را مستقیماً اندازه گیری کنند.
تحت فشار
مطالعات بیشتر روی تاخیر زمان رسیدن امواج به لرزه نگارها نشان داد دسته ای از امواج هم وجود دارند که اگرچه به شکل موج P از هسته مایع خارجی عبور می کنند؛ اما در هسته جامد داخلی به امواج عرضی S تبدیل می شوند و سپس هنگام خروج از این هسته، دوباره به شکل امواج P در می آیند. این یافته که تایید صحت آن تا سال 2005 طول کشید، اثبات دیگری بر وجود یک هسته جامد بود.
با وجود این، ماهیت دقیق هسته داخلی زمین هنوز محل شک و تردید است. برای مثال، دمای هسته را تنها از مطالعات آزمایشگاهی روی نحوه ذوب شدن و جامد شدن دوباره مواد تحت فشار بالا می توان استنباط کرد. همچنین این فرضیه که هسته زمین عمدتاً از آهن و نیکل ساخته شده است، از ترکیب دانش ما درباره فراوانی عناصر مختلف در سامانه خورشیدی و درک ما از نحوه شکل گیری سیاره زمین استخراج شده است.
از سوی دیگر، تحت فشار خرد کننده مرکز زمین که سه میلیون برابر فشار جو زمین است، مواد ممکن است به شکل کاملاً متفاوتی نسبت به ماده معمولی رفتار کنند. در حالی که محتمل ترین گزینه برای هسته داخلی زمین آلیاژی از جنس آهن و نیکل است، اما این احتمال هم وجود دارد که در آنجا با نوعی پلاسما (حالت ماده موجود در ستارگان) فوق چگال روبرو باشیم که مشخصات مشابهی دارد. مشکل اینجا است که ما نمی دانیم مواد در چنین محیطی چطور رفتار می کنند. واقعیت این است که ما هرگز به نزدیکی هسته زمین هم نخواهیم رسید. حتی اگر بتوانیم با حفاری راه خودمان را از میان 6000 کیلومتر صخره و فلز باز کنیم، شدت گرما، فشار و پرتوزایی به حدی است که هیچ کاوشگری در آنجا دوام نخواهد آورد. در مقایسه با رسیدن به هسته زمین، رفتن به ورای مرزهای سامانه خورشیدی مثل آب خوردن است.
خوشبختانه ارتعاشات داخلی سیاره که بوسیله زمین لرزه ها ایجاد و بدست دانشمندان تفسیر می شوند، ابزار لازم برای کاوش مرکز آن را در اختیار ما قرار می دهند.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «از کجا می دانیم در مرکز زمین چه خبر است؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله محمود حاج زمان در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
