مقالات

سفر به اعماق زمین؛ فیزیک درباره هسته زمین چه می گوید؟

هسته زمین
نوشته شده توسط عرفان کسرایی

هرچند که هسته زمین در اعماق دور؛ زیر پای ما قرار دارد اما مورد توجه ستاره شناسان نیز هست. ستاره شناسانی که معمولا مشغول رصد آسمان و تحلیل رویدادهای آن هستند. اما آنچه که در داخل سیاره ما در جریان است؛ بی ارتباط با آنچه که در کیهان اتفاق می افتد نیست.
در ستاره شناسی عموما نگاه ها به سمت آسمان است. گاهی اما می ارزد که به پایین هم نگاه کنیم و ببینم در  زیر زمین چه می گذرد. مرکز زمین تقریبا ۶۳۷۰ کیلومتر زیر سطح آن است. اما ناحیه ای که طبق تعریف آن را هسته زمین می شناسیم از عمق ۲۹۰۰ کیلومتری شروع می شود.  کل هسته زمین با قطر حدود ۷۰۰۰ کیلومتر تقریبا دوبرابر بزرگتر از ماه است. هسته زمین بیش از آن که بتوان تصور کرد با سطح زمین متفاوت است. بر خلاف آسمان و اطلاعاتی که می توان با مشاهده از رویدادهای نجومی کسب کرد؛ درون زمین را نمی توان مشاهده کرد. با حفاری خیلی نمی توانیم به اعماق زمین دست پیدا کنیم. عمیق ترین حفاری که بشر تا کنون انجام داده تنها ۱۲ کیلومتر بوده که در دهه های ۷۰ و ۸۰ میلادی در روسیه انجام شده است. در حالیکه برای رسیدن به هسته زمین هنوز در حدود ۲۹۰۰ کیلومتر دیگر لازم است!
خوشبختانه روش های غیرمستقیمی وجود دارند که با آن می توان دریافت آن زیر چه اتفاقاتی در جریان است. اولین اطلاعات مهم از درون زمین را دانشمند بریتانیایی هنری کاوندیش  Henry Cavendishدر سال ۱۷۹۷ دریافت. پیش از آن ایزاک نیوتن  Isaac Newton قوانین گرانش خود را منتشر کرده بود و به کمک این قوانین می شد توضیح داد که جاذبه بین دو جرم چگونه عمل می کند. اندازه گیری میزان جاذبه میان دو جسم برای اجسام سنگین طبق این معادلات چندان سخت نیست. اما زمانی که با اجسام نه چندان سنگین سر و کار داریم این اثر بسیار کوچک است.
کاوندیش به فکر انجام یک آزمایش افتاد که با آن می شد میزان نیروی جاذبه میان دو جرم را با تقریب خوبی اندازه گرفت. این آزمایش شامل دو گوی سنگین بود که به یک ترازوی فنری یا پیچشی بسیار حساس متصل شده بودند. فایده این آزمایش آن بود که در نهایت می شد جرم زمین را تخمین زد.  کاوندیش می توانست از طریق اندازه گیری نیروی جاذبه میان دو گوی؛ میزان اثر نیروی گرانش زمین بر هر گوی و همچنین جرم زمین را اندازه گیری کند.
ابعاد زمین پیش از آن شناخته شده و محاسبه آن با تقریب نسبتا خوب از زمان یونان باستان در دسترس بود. حال با داشتن جرم و همچنین ابعاد زمین یک عدد مهم به دست می آید. چگالی متوسط زمین!
اما عدد به دست آمده معادل ۵.۵ گرم در سانتی متر مکعب برای زمین بیش از حد انتظار زیاد بود.  به خصوص وقتی که آن را با چگالی متوسط سنگ ها مقایسه می کنیم که در حدود ۲ یا ۳ گرم بر سانتی متر مکعب است. با در نظر گرفتن سطح زمین این رقم معقول به نظر نمی رسید. در زیر زمین باید چیز دیگری می بود که این چگالی را به نحوی توجیه کند.
اطلاعات دقیق تر در این خصوص اما با آغاز قرن بیستم به دست آمد. زمین شناسان شروع به پژوهش روی جزییات امواج ناشی از زلزله کردند. آنها دریافتند وقتی که جایی زلزله قدرتمندی به وقوع می پیوندد؛ اثر آن فقط در محیط اطراف آن حس نمی شود و امواج زلزله در جهت های مختلف در زمین منتشر می شوند. به نحوی که ایستگاه های سنجش زلزله با استفاده از دستگاه های حساس می توانند امواج زلزله ای که در سوی دیگر دنیا رخ داده است را اندازه گیری کنند.
با کمک این مشاهدات و پژوهش ها دانشمندان به این نتیجه رسیدند؛ که این امواج همیشه با سرعت یکسان جابجا نمی شوند.  گاهی سریعتر و گاهی کندتر.  در سال ۱۹۰۶ زمین شناس بریتانیایی ریچارد دیکسون اولدهام حدس زد که زمین یک گوی همگن نیست. او تخمین زد که در جایی حدود ۲۵۰۰ کیلومتری اعماق زمین؛ به نوعی بایستی نوع دیگری از ماده وجود داشته باشد. مطالعات بعدی این مرز را دقیق تر در ۲۹۰۰ کیلومتری زمین محاسبه می کرد.
نخستین پژوهش امواج زلزله که در واقع وجود هسته زمین را اثبات می کرد توسط زلزله شناس دانمارکی اینگه لمان Inge Lehmann  در سال ۱۹۳۶ انجام شد. امروزه می دانیم که در زمین نه یک هسته؛ بلکه در واقع دو هسته وجود دارد.
پوسته زمین ؛ یعنی بخشی از آن که ما همه روزه روی آن راه می رویم و زندگی می کنیم تقریبا ۴۰ کیلومتر ضخامت دارد. زیر آن لایه ای است که تا ۲۹۰۰ کیلومتردر عمق زمین ادامه دارد. از آن پس هسته  خارجی زمین به ضخامت ۲۲۰۰ تقریبی کیلومتر آغاز می شود. زیر آن نیز در عمق ۵۱۵۰ کیلومتری زیر پای ما؛ هسته داخلی زمین شروع می شود. هسته ای به شعاع حدود ۱۲۰۰ کیلومتر.
هسته داخلی و خارجی زمین بسیار با هم متفاوت هستند. این موضوع را با استفاده از بررسی امواج زلزله می شود دریافت. انواع مختلفی از امواج زلزله وجود دارد که در انواع مختلف ماده و به همین سبب با سرعت های مختلف انتقال پیدا می کنند. مثلا بعضی از امواج  فقط توسط حالت جامد ماده منتقل می شود نه به عنوان مثال توسط مایع. روی همین استدلال و با بررسی امواج زلزله مشخص شد که آهن بایستی عمده ترین ماده بخش تشکیل دهنده هسته باشد. آهن به قدر کافی سنگین است و وجود آن در هسته زمین می تواند دلیل چگالی بالای زمین را توضیح دهد.
دلیل دیگر اینکه این استدلال (مبنی بر اینکه هسته زمین از آهن تشکیل شده) قانع کننده است به ستاره شناسی نیز مرتبط می شود. از دیگاه نجومی فقط دو عنصر شیمیایی متداول وجود دارد! هیدروژن و هیلیوم؛ که هر دو نیز بعد از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) ایجاد شده  اند.
سایر عناصر در زمان‌های طولانی بعد از آن و به میزان بسیار کمتر؛ توسط همجوشی هسته ای در داخل ستارگان ایجاد شده اند. هر چند که ما در ناحیه ای زندگی می کنیم که در آن عناصر جدید (در مقیاس عمر کیهان) حاکم است. بخش بزرگی از این ناحیه از جهان که ما در آن زندگی می  کنیم از همین عناصر نسبتا جدید تشکیل شده است.  در مقیاس عمر کیهان هر چیزی که هیدروژن و هیلیوم نباشد تنها خرده ریزها و اضافات جهان جدید است!
آهن به نوعی خاکستر به جا مانده از همجوشی در ستارگان محسوب می شود و از این رو به صورت اعجاب انگیزی نیز فراوان تر از حد تصور است.  از تمام عناصر شیمیایی کهکشان راه شیری ۷۳.۹ درصد سهم هیدروژن است. هیلیوم با ۲۴ درصد در جایگاه دوم و پس از آن اکسیژن با یک درصد. همچنین کربن با ۴۶صدم درصد و ﻧﯯن با ۱۳ صدم درصد. اما در جایگاه ششم آهن با ۱۱ صدم درصد ایستاده و  میزان آن از بسیاری عناصر شیمیایی سبک؛ فراوان تر است.
در منظومه شمسی ما آهن جزو ۹ عنصر متداول است و به همین سبب تعجبی هم ندارد که در زمین ما نیز تا این حد فراوان است.  آهن در بسیاری از شهاب سنگ هایی که به زمین می خوردند نیز وجود دارد. حال یا خود آهن یا ترکیب آن با فلز نیکل.

آهن به همراه سایر عناصر شیمیایی در حدود ۵ میلیارد سال پیش؛ بخشی از ابر بزرگ کیهانی بوده است. ابر بزرگ کیهانی که از آن خورشید و سیارات شکل گرفته اند. به مرور و به همین ترتیب سنگ ها؛ فلزات و قطعه های خرده ریز پراکنده در فضا شگل گرفتند. در اجرام کوچک؛ سنگ ها و فلز ها کاملا با هم مخلوط هستند و از یکدیگر جدا نیستند. به همان نسبت که اجسام بزرگتر بودند؛ برخوردها  نیز شدیدتر بود. به واسطهء انرژی آزاد شده این برخوردها ذوب می شدند و عناصر سنگین مانند آهن پایین می رفتند و از سنگ ها تفکیک می شدند. به همین سبب شاهد پوسته ای از سنگ و هسته از فلز هستیم. در این بین نقش عناصر رادیواکتیو را نباید نادیده گرفت. عناصر رادیواکتیواغلب جایی هستند که فلزاتی مانند آهن نیز وجود دارند. این عناصر انرژی آزاد می کنند و محیط اطراف شان را داغ می کنند و به این ترتیب فلزات سنگین و سنگ های سبک از هم تفکیک می شوند. اتفاقی که در زمین می افتد به این شکل است که زیر پوسته ای از سنگ؛ هسته ای از فلز قرار دارد.  چگالی هسته خارجی از ۹.۹ گرم برسانتی متر مکعب شروع شده و در ادامه تا ۱۲.۲ گرم بر سانتی متر مکعب افزایش پیدا می کند.
البته اگر هسته خارجی تنها از آهن و نیکل تشکیل شده بود این مقدار قدری بیشتر می شد.  تقریبا ۱۵ درصد از هسته خارجی از عناصری مانند سیلیسیوم؛ اکسیژن؛ گوگرد  و کربن تشکیل شده است.
درجه حرارت در آن بین ۴۰۰۰ تا ۵۷۰۰ درجه سلسیوس می باشد و به کمک امواج زلزله می دانیم که ماده در این ناحیه به صورت جامد نیست. در هسته داخلی چگالی تا ۱۳ گرم بر سانتی متر مکعب افزایش می یابد و درجه حرارت تقریبا ۶۰۰۰ درجه سانتیگراد است.فشار در این ناحیه به قدری زیاد است که ماده دیگر نمی تواند به صورت سیال باشد بلکه مجددا جامد است. طبق مطالعات ؛ ۸۰ درصد هسته داخلی زمین از آهن و ۲۰ درصد از نیکل تشکیل شده است. با این وجود مطالعات سالهای اخیر نشان می دهد که در هسته زمین؛ چیزهای بسیاری هست که از آن اطلاعی نداریم. برای  مثال نقش عناصر رادیواکتیو؛ یا اینکه چه مدت طول کشیده است که دو هسته از هم جدا شکل گرفته است.  همانطور که در ابتدای بحث گفته شد ؛ مشاهده اعماق زمین بر خلاف نجوم که می توان آسمان را مشاهده کرد ممکن نیست. زیر پای ما در اعماق زمین؛ گوی آهنینی قرار گرفته که از ماه بزرگتر است و مانند سطح خورشید  داغ است. دنیای حیرت برانگیز و پرتلاطمی که هنوز راه زیادی تا شناخت کامل آن داریم.

درباره نویسنده

عرفان کسرایی

کسرایی، عضو انجمن فلسفه علم آلمان و پژوهشگر مطالعات علم و فناوری در دانشگاه کاسل است
زمینه های پژوهشی او عبارتند از:
-فلسفه فیزیک؛ منطق مدلسازی در ریاضیات مهندسی
-ارتباطات علم و جامعه شناسی شبه علم در ایران
-تاریخ فیزیک مدرن در قرن بیستم

دیدگاه شما چیست