هسته زمین و اهمیتش برای سیاره
پژوهشهای اخیر نشان میدهد که حضور مقدار اندکی کربن در هسته سیاره زمین میتواند کلید پاسخ به چند پرسش بنیادین درباره دمای ذوب، ترکیب شیمیایی و زمان شروع انجماد هسته درونی باشد. هسته غنی از آهن در مرکز زمین نه تنها منبع میدان مغناطیسی است که جو و اقیانوسها را از تابش خورشیدی محافظت میکند، بلکه با آزادسازی گرما به گوشته، جریانهایی را به وجود میآورد که عامل صفحههای تکتونیکی و جابجایی قارهها هستند.
با این حال، به دلیل عدم دسترسی مستقیم به هسته، بسیاری از ویژگیهای اساسی آن همچنان نامشخص است: دمای دقیق هسته، ترکیب عناصر سازنده و زمان آغاز فرایند انجماد و نمو هستهٔ درونی. یافتن دمای ذوب در مرز بین هستهٔ درونی جامد و هستهٔ بیرونی مایع یکی از راههای مهم برای بازسازی این تاریخ و شناسایی ترکیب شیمیایی هسته است. این مرز از طریق زلزلهنگاری شناسایی میشود؛ جایی که امواج لرزهای تغییر سرعت میدهند و نشان میدهند چه موادی داخل زمین وجود دارد.
زمینهٔ علمی: شواهد شیمیایی و زلزلهنگاری
دو روش اصلی برای استنتاج ترکیب هسته وجود دارد: مطالعه شیمی شهابسنگها و زلزلهنگاری. شهابسنگها — بهویژه آنهایی که تصور میشود بازماندهٔ بخشهایی از سیاراتیاند که شکل نگرفته یا نابود شدهاند — سرنخهایی دربارهٔ نسبت فلزات در هستهها ارائه میدهند. این شواهد نشان میدهد که هسته باید عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده و احتمالاً درصدی از سیلیکون، گوگرد یا دیگر عناصر سبک را نیز در بر داشته باشد؛ اما این اطلاعات بهتنهایی گمانهزنیهای محدودی را امکانپذیر میسازند.
زلزلهنگاری اما اطلاعات دقیقتری فراهم میکند: سرعت عبور امواج لرزهای درون سیاره نشان میدهد که چگالی هسته حدود 10٪ کمتر از آهن خالص است و هستهٔ بیرونی مایع از هستهٔ درونی جامد چگالتر است. فقط ترکیبهای شیمیایی خاصی میتوانند چنین مشخصاتی را توضیح دهند. با این حال حتی در میان این ترکیبها، دمای ذوب ممکن است صدها درجه متفاوت باشد که هنوز پاسخگویی به پرسشِ دمای واقعی هسته را دشوار میسازد.
یافتهٔ جدید: نقش کربن و «فراسرمایش» (supercooling)
مطالعه جدیدی که بر پایهٔ فیزیک مواد معدنی و شبیهسازیهای اتمی انجام شده، مسیر تازهای برای محدودسازی ترکیب هسته پیشنهاد میکند. تیم پژوهشی بررسی کرده است که چگونه اتمها در فلزات مذاب سازمان مییابند تا به حالت جامد درآیند؛ فرایندی که به «فراسرمایش» یا سردسازی بیش از حد نیاز دارد. برخی آلیاژها برای آغاز بلورینگی به میزان بیشتری فراسرمایش نیاز دارند و این خصوصیت میتواند نشانگر ترکیب شیمیایی اولیهٔ هسته باشد.
نتایج مهم این پژوهش اینکه اگر حدود 2.4 درصد از جرم هسته را کربن تشکیل میداد، آغاز انجماد هستهٔ درونی به تقریباً 420 درجهٔ سانتیگراد فراسرمایش نیاز داشت. این نخستین بار است که نشان داده میشود انجماد هسته در شرایط معقول امکانپذیر است. اگر میزان کربن 3.8 درصد فرض شود، مقدار لازم فراسرمایش به 266 درجهٔ سانتیگراد کاهش مییابد که از نظر فیزیکی معقولتر است. این یافتهها نشان میدهد بسیاری از ترکیبهای پیشنهادی که صرفاً بر پایهٔ شهابسنگ یا زلزلهنگاری مطرح شدهاند، قادر به توضیح وجود هستهٔ درونی جامد نخواهند بود.
دلیل اهمیت عددهای فراسرمایش
فراسرمایش مقدار اضافی سردی است که یک مایع باید تجربه کند تا آغاز بلورینگی رخ دهد؛ در شرایط فشار و دمای بالای هسته، تفاوت چند صد درجه میتواند تعیینکنندهٔ امکانپذیری یا غیرممکن بودن تشکیل هستهٔ درونی جامد باشد. بنابراین اندازهگیریهای آزمایشگاهی و شبیهسازیهای اتمی که رابطهٔ فراسرمایش را با ترکیب شیمیایی نشان میدهند، ابزاری جدید و اختصاصی برای فیلتر کردن ترکیبهای احتمالی هسته فراهم میآورند.
نتایج، پیامدها و ترکیبات احتمالی
تحلیلهای زلزلهنگاری نشان میدهد که هسته نمیتواند تنها از آهن و کربن تشکیل شده باشد؛ برای مطابقت با دادههای لرزهای لازم است دستکم یک عنصر سبکِ دیگر (مثلاً اکسیژن یا سیلیکون) نیز حضور داشته باشد. پژوهش جدید بر احتمال حضور کمی اکسیژن و احتمالاً سیلیکون در کنار کربن تأکید دارد. وجود این عناصر بر دمای ذوب، چگالی و هدایت گرمایی هسته تأثیر میگذارد و از اینرو بر پویایی میدان مغناطیسی و رفتار صفحههای تکتونیکی مؤثر است.
این کشف گامی مهم در جهت روشنکردن اینکه هسته از چه ترکیباتی ساخته شده، چگونه و چه زمانی شروع به انجماد کرده و چگونه از درون بر تکامل زمین تأثیر گذاشته، بهشمار میآید. افزون بر این، محدودسازی ترکیب شیمیایی هسته به بهبود مدلهای نظری دربارهٔ تولید میدان مغناطیسی و انتقال گرما درونی کمک خواهد کرد.
روشها، فناوریها و چشماندازهای آینده
برای رسیدن به این نتایج از ترکیب شبیهسازیهای اتمی، آزمایشات فشاری-دما بالا (مانند سلول میخ الماس) و تحلیلهای مقایسهای با دادههای زلزلهنگاری استفاده شده است. نسخههای پیشرفتهتر این مطالعات میتوانند با مدلسازیهای اَبَررایانهای و آزمایشهای دقیقتر تحت فشار هستهای، محدودهٔ ترکیبی عناصر سبک را بیشتر محدود کنند.
در آینده، همکاری میان زمینشناسان آزمایشگاهی، فیزیکدانان مادهٔ چگال و زلزلهشناسان، بهویژه با گسترش دادههای لرزهای جهانی و پیشرفت در تکنیکهای آزمایشی، میتواند نشان دهد کدامیک از عناصر سبک دقیقاً در هسته حضور دارند و چقدر در رفتار میدان مغناطیسی و تکامل گرمایی زمین نقش دارند.
نتیجهگیری
یافتههای اخیر حاکی از آن است که حضور میزان اندکی کربن در هسته زمین میتواند توضیحدهندهٔ آغاز انجماد هسته درونی و شکلگیری آن باشد. این رویکرد مبتنی بر فیزیک مواد معدنی و مفهوم فراسرمایش، امکان محدودسازی ترکیب شیمیایی هسته را فراتر از روشهای سنتی شهابسنگشناسی و زلزلهنگاری فراهم میآورد. نتایج نشان میدهد که هسته احتمالاً علاوه بر آهن و کربن، حاوی درصدی اکسیژن و شاید سیلیکون نیز هست—اطلاعاتی که برای درک بهتر میدان مغناطیسی زمین، انتقال گرما و تاریخ تکاملی سیاره حیاتیاند. پژوهشهای تکمیلی با آزمایشهای فشار-دما بالا و مدلسازیهای دقیقتر میتواند این تصویر را شفافتر کند و سرنخهایی دربارهٔ منشأ و تکامل عناصر سبک در هسته فراهم آورد.