دمای هسته زمین شاید هزار درجه کمتر از تصور پیشین دانشمندان باشد

دانشمندان بر پایه‌ی روشی تازه برای اندازه‌گیری دمای آهن مذاب در فشارهای بسیار شدید، می‌گویند دمای هسته‌ی زمین ممکن است تا هزار درجه‌ی سانتی‌گراد کمتر از برآوردهای پیشین باشد. یافته‌هایی تازه که در نشست گولدشمیت در ۱۷ ژوئیه ارائه شد، می‌تواند به حل معمایی دیرینه کمک کند؛ معمایی درباره‌ی این‌که میدان مغناطیسی زمین چگونه میلیاردها سال دوام آورد، پیش از آن‌که هسته‌ی داخلی جامد که امروز به پایداری آن کمک می‌کند، شکل بگیرد.

به‌گزارش ساینس، برنی وود، پتروگراف آزمایشی در دانشگاه آکسفورد، می‌گوید: «به‌نظر می‌رسد راه‌حلی تازه و نسبتا ظریف برای این مسئله وجود داشته باشد». با‌این‌حال، او انتظار دارد نتایج بحث‌برانگیز شوند، چون پژوهشگرانی که دهه‌ها برای بازآفرینی شرایط مرکز زمین تلاش کرده‌اند، معمولا به دماهای بالاتری رسیده‌اند. مایکل والتر، پژوهشگر فشاربالا در مؤسسه‌ی کارنگی برای علم و سرپرست پژوهش، گفت: «دماها در فرضیه‌ی ما خیلی کمتر از نتایج دیگر هستند. فکر می‌کنم قانع‌کردن دیگران زمان ببرد.»

مریم صفدری

دمای هسته زمین چقدر است و دانشمندان چگونه آن را محاسبه کرده‌اند؟

مطالعه '5

هسته‌ی زمین که اندازه‌ای قابل‌مقایسه با مریخ دارد، عمدتا از آهن تشکیل شده و هسته‌ی بیرونی مذاب آن، هسته‌ی داخلی جامدی به اندازه‌ی ماه را در بر می‌گیرد. میدان مغناطیسی سیاره از حرکت و همرفت آهن مذاب در هسته‌ی بیرونی تولید می‌شود و دست‌کم چهار میلیارد سال است که وجود دارد.

امروزه، سامانه‌ی مولد میدان مغناطیسی زمین یا «ژئودینامو» عمدتا با انرژی حاصل از یخ‌زدن آهسته‌ی هسته‌ی داخلی تقویت می‌شود؛ فرایندی که گرما و عناصر سبک شناور را به فلز مایع مذاب اطراف هسته‌ی داخلی آزاد می‌کند. اما برخی مدل‌های تاریخ سردشدن زمین نشان می‌دهند هسته‌ی داخلی تنها کمی بیش از نیم میلیارد سال پیش شروع به شکل‌گیری کرده است؛ موضوعی که «پارادوکس هسته‌ی نو» را پیش می‌کشد و می‌پرسد چه چیزی ژئودینامو را برای ۳٫۵ میلیارد سال پیش از پیدایش هسته‌ی داخلی فعال نگه داشته بود؟

پاسخ، به شرایط اعماق سیاره بستگی دارد. چون هسته‌ی داخلی جامد است، نباید در فشارهای عظیم آن‌قدر داغ باشد که ذوب شود. از همین‌رو، تعیین نقطه‌ی ذوب آهن در فشارهای هم‌ارز با هسته، یکی از بهترین برآوردها برای دمای هسته به شمار می‌رود. بسیاری از برآوردها این دما را بیش از شش هزار کلوین می‌دانند.

والتر و همکارانش بیش از پنج سال برای توسعه‌ی روش تازه وقت گذاشتند. آن‌ها مانند آزمایش‌های پیشین، نمونه‌های بسیار کوچک آهن را میان نوک سندان‌های الماسی فشردند تا به فشارهایی نزدیک به دو میلیون اتمسفر برسند؛ شرایطی که مشابه فشارهای اعماق هسته‌ی زمین است. اما برخلاف روش‌های رایج که از لیزر برای گرم‌کردن نمونه استفاده می‌کنند، پژوهشگران با اعمال پالس‌های الکتریکی بسیار کوتاه در مقیاس میکروثانیه، کنترل دقیق‌تری بر فرایند گرمایش به دست آوردند. سپس به‌جای جست‌وجوی مستقیم نشانه‌های ذوب آهن، تغییر رفتار دما را بررسی کردند؛ یعنی نقطه‌ای که انرژی واردشده دیگر صرف افزایش دما نمی‌شود و برای ذوب‌شدن فلز مصرف می‌شود.

تیم پژوهشی دریافت که در فشار مرز هسته‌ی داخلی، آهن خالص باید در بازه‌ی ۴٬۴۲۰ تا ۵٬۲۲۰ کلوین ذوب شود؛ رقمی که بیش از هزار درجه‌ی سانتی‌گراد پایین‌تر از برآوردهای قبلی قرار می‌گیرد. والتر می‌گوید بیشتر فقدان قطعیت از برون‌یابی اندازه‌گیری‌هایی ناشی می‌شود که در فشارهای هسته‌ی بیرونی انجام و سپس به مرز هسته‌ی داخلی تعمیم داده شده‌اند. دمای برآوردشده پس از اصلاح اثر عناصر سبک‌تر آمیخته با هسته‌ی زمین، حتی پایین‌تر می‌آید و به برآورد مرکزی ۴٬۲۸۴ کلوین می‌رسد.

سپس پژوهشگران برآورد تازه از دمای ذوب آهن را همراه با داده‌های مربوط به رسانش گرما در فشارهای بسیار بالا، وارد مدل‌های تکامل حرارتی زمین کردند. نتایج نشان داد که سردشدن تدریجی خود هسته می‌توانسته در بیشتر تاریخ زمین انرژی لازم برای فعال‌ماندن ژئودینامو را فراهم کند؛ تا زمانی که هسته‌ی داخلی کمی بیش از نیم میلیارد سال پیش شروع به انجماد کرد. والتر می‌گوید این محاسبات، سناریوی ژئودینامویی را که نیروی محرک آن عمدتا انرژی گرمایی حاصل از سردشدن هسته است، محتمل‌تر می‌کند.

دمای پایین‌تر پیامد دیگری هم دارد: مرز میان هسته و گوشته‌ی زمین نیز ممکن است سردتر از برآوردهای پیشین باشد. در چنین شرایطی، ذوب‌شدن سنگ‌ها در این ناحیه دشوارتر خواهد بود و این موضوع می‌تواند برخی فرضیه‌ها درباره‌ی منشأ توده‌های عظیم و مرموزی را که در نزدیکی مرز هسته و گوشته قرار دارند، زیر سؤال ببرد. این ساختارها که به‌دلیل کاهش غیرعادی سرعت امواج لرزه‌ای در اعماق زمین شناسایی شده‌اند، گاهی به‌عنوان نواحی غنی از مواد داغ یا حتی تا حدی مذاب تفسیر شده‌اند. والتر می‌گوید این یافته‌ها می‌تواند درک دانشمندان از یکی از ناشناخته‌ترین بخش‌های درون زمین را تغییر دهد.

داریو آلفه، فیزیک‌دان کانی‌شناسی در کالج دانشگاهی لندن که پژوهش‌هایش به تثبیت برآوردهای بالاتر دمای هسته کمک کرده بود، می‌گوید اندازه‌گیری‌های تازه نوعی «بازگشت به گذشته» به‌شمار می‌آیند و بحثی را زنده می‌کنند که بسیاری از پژوهشگران تصور می‌کردند تا حد زیادی بسته شده است. با‌این‌حال، او هنوز قانع نشده است. آلفه می‌گوید: «این‌که فرضیه درست باشد یا نه، تشخیص دشوار است و قطعا بدون بررسی دقیق روش‌ها نمی‌شود نظر داد. صادقانه بگویم، آن‌قدر از عمر حرفه‌ای‌ام را روی این موضوع گذاشته‌ام که دلم نمی‌خواهد این بحث را دوباره باز کنم.»