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

خلاصه مقاله:

• اگر به اعماق زمین سفر کنیم، با محیطی روبه‌رو می‌شویم که فشار و دمای آن آن‌قدر شدید است که فناوری‌های امروزی توان تحمل مستقیم آن را ندارند. در مرکز زمین، هسته‌ای بسیار داغ و متراکم قرار دارد که از دو بخش بیرونی مایع و درونی جامد تشکیل شده و نقش مهمی در میدان مغناطیسی و حیات سیاره دارد.
• دمای هسته زمین به‌طور مستقیم اندازه‌گیری نشده، اما دانشمندان آن را با روش‌های غیرمستقیم حدود ۵۰۰۰ تا بیش از ۵۵۰۰ درجه سانتی‌گراد برآورد می‌کنند. این برآوردها بر پایه بررسی امواج لرزه‌ای، آزمایش روی آهن در فشارهای بسیار بالا و مطالعه ترکیب شهاب‌سنگ‌ها انجام می‌شود.
• فشار بسیار زیاد اعماق زمین باعث می‌شود که با وجود دمای بالا، هسته درونی جامد باقی بماند و هسته بیرونی حالت مایع داشته باشد. گرمای درونی زمین علاوه بر کمک به ایجاد میدان مغناطیسی، در شکل‌گیری زمین و ادامه فرایندهای زمین‌شناسی و حیات روی سیاره نقش اساسی دارد.

اگر بتوانید به اعماق زمین سفر کنید، با محیطی روبه‌رو می‌شوید که فشار و دمای آن به‌قدری شدید است که تقریباً هیچ فناوری امروزی توان تحملش را ندارد. در مرکز سیاره ما هسته‌ای فوق‌العاده داغ و متراکم قرار دارد و همین بخش نقش مهمی در شکل‌گیری میدان مغناطیسی زمین، فعالیت‌های زمین‌شناسی و حتی امکان ادامه حیات روی سیاره ایفا می‌کند. اما هسته زمین دقیقاً چقدر داغ است و دانشمندان چگونه بدون دسترسی مستقیم به آن، دمای آن را تخمین زده‌اند؟

زمین حدود ۴٫۵ میلیارد سال پیش شکل گرفت. در آن زمان، سیاره جوان ما توده‌ای عظیم از سنگ‌های مذاب بود. با گذشت زمان، عناصر سنگین‌تر مانند آهن و نیکل به دلیل نیروی گرانش به مرکز زمین فرو رفتند و هسته اولیه سیاره را تشکیل دادند، درحالی‌که مواد سبک‌تر در لایه‌های بالاتر باقی ماندند.

امروزه هسته زمین همچنان ساختاری بسیار داغ و چگال دارد و در اعماق سیاره پنهان شده است. این هسته از دو بخش اصلی تشکیل شده است: هسته بیرونی که مایع است و هسته درونی که جامد باقی مانده است.

هسته بیرونی از عمق حدود ۲۹۰۰ کیلومتری زیر سطح زمین آغاز می‌شود و تا حدود ۲۲۰۰ کیلومتر ضخامت دارد. درون آن نیز هسته درونی قرار گرفته که از عمق حدود ۵۱۵۰ کیلومتری شروع می‌شود و شعاعی نزدیک به ۱۲۲۰ کیلومتر دارد.

دانشمندان تخمین می‌زنند که دمای هسته زمین تقریباً با دمای سطح خورشید برابری می‌کند. براساس این برآوردها، دمای بخش‌های داغ هسته بین حدود ۵۰۰۰ تا بیش از ۵۵۰۰ درجه سانتی‌گراد است. تصور می‌شود داغ‌ترین ناحیه، مرز میان هسته بیرونی و هسته درونی باشد.

البته دمای هسته زمین هرگز به‌صورت مستقیم اندازه‌گیری نشده است، زیرا بشر هنوز نتوانسته حتی به بخش کوچکی از عمق هسته نفوذ کند. عمیق‌ترین حفاری بشر، «چاه ابرژرف کولا» در روسیه، فقط حدود ۱۲ کیلومتر عمق داشت که در مقایسه با فاصله بیش از ۶۳۰۰ کیلومتری سطح زمین تا مرکز آن، ناچیز است.

در نتیجه، دانشمندان مجبور شده‌اند با استفاده از روش‌های غیرمستقیم دمای هسته را محاسبه کنند. یکی از مهم‌ترین سرنخ‌ها ترکیب شیمیایی هسته زمین است. پژوهش‌ها نشان می‌دهد مرکز زمین عمدتاً از آهن تشکیل شده و حدود ۸۵ درصد آن را این فلز می‌سازد. بقیه ترکیب هسته عمدتاً شامل نیکل و عناصر سبک‌تر است.

امواج لرزه‌ای هنگام عبور از درون زمین رفتار متفاوتی نشان می‌دهند. برخی امواج در بخش‌هایی از هسته منحرف می‌شوند یا حتی ناپدید می‌شوند. همین رفتار به دانشمندان کمک کرده است تا بفهمند کدام بخش‌های درونی زمین مایع و کدام بخش‌ها جامد هستند.

از آنجا که هسته بیرونی زمین عمدتاً از آهن مایع تشکیل شده، دمای آن باید از نقطه ذوب آهن بیشتر باشد. در شرایط عادی روی سطح زمین، آهن خالص در دمای حدود ۱۵۳۸ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. اما شرایط در اعماق زمین کاملاً متفاوت است.

کوئنتین ویلیامز، فیزیکدان مواد معدنی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز توضیح می‌دهد که فشار فوق‌العاده زیاد اعماق زمین باعث افزایش نقطه ذوب آهن و بسیاری از مواد دیگر می‌شود. به همین دلیل، هسته درونی زمین با وجود دمای بسیار بالا همچنان جامد باقی مانده است، زیرا فشار آن به‌قدری زیاد است که اجازه ذوب شدن کامل را نمی‌دهد.

برای شبیه‌سازی شرایط هسته زمین، پژوهشگران آزمایش‌های پیچیده‌ای طراحی کرده‌اند. در برخی از این آزمایش‌ها، قطعه کوچکی از آهن میان دو الماس بسیار سخت فشرده می‌شود. این ابزار سلول سندان الماسی (Diamond Anvil Cell) نام دارد و می‌تواند فشارهایی شبیه فشار اعماق زمین ایجاد کند. سپس با استفاده از لیزر، آهن تا دماهای بسیار بالا گرم می‌شود تا دانشمندان بتوانند رفتار آن را بررسی کنند. در روش‌های دیگر، پژوهشگران با استفاده از پرتابه‌های فوق‌سریع یا امواج شوکی بسیار قدرتمند، فشارهای عظیمی روی نمونه‌های آهن ایجاد می‌کنند تا شرایط خردکننده اعماق سیاره را بازسازی کنند.

سپس نتایج این آزمایش‌ها با مدل‌های فیزیکی ترکیب می‌شود و به شرایط واقعی مرز میان هسته درونی و بیرونی تعمیم داده می‌شود. از همین طریق، دانشمندان به تخمین دمای حدود ۵۰۰۰ تا بیش از ۵۵۰۰ درجه سانتی‌گراد رسیده‌اند.

بااین‌حال، هنوز بخش‌های زیادی از هسته زمین برای ما ناشناخته است. شیچون هوانگ، استاد زمین‌شناسی در دانشگاه سان یات‌سن چین، می‌گوید: «دانسته‌های ما درباره هسته زمین بیشتر بر پایه حدس‌های علمی آگاهانه است.» او توضیح می‌دهد که هنوز به‌طور کامل نمی‌دانیم هسته درونی چگونه شکل گرفته یا چگونه مواد مذاب به‌تدریج به حالت جامد تبدیل شده‌اند.

هسته داغ زمین فقط یک پدیده جالب علمی نیست، بلکه نقشی حیاتی در بقای حیات روی سیاره دارد. هسته بیرونی مایع زمین میدان مغناطیسی سیاره را ایجاد می‌کند. این میدان مغناطیسی مانند سپری محافظ عمل می‌کند و زمین را در برابر بادهای خورشیدی و ذرات پرانرژی فضا محافظت می‌کند.

اگر این میدان مغناطیسی وجود نداشت، بادهای خورشیدی می‌توانستند به‌تدریج جو زمین را فرسایش دهند و شرایط حیات را به‌شدت دشوار کنند؛ اتفاقی که احتمالاً در گذشته برای سیاره مریخ رخ داده است.

گرمای درونی زمین همچنین سرنخ‌هایی از تاریخ شکل‌گیری سیاره ارائه می‌دهد. هنگام تشکیل زمین، برخورد و تجمع مواد مختلف باعث آزاد شدن مقدار عظیمی انرژی شد. انرژی ناشی از کشش گرانشی مواد به گرما تبدیل شد و بخشی از این گرما هنوز درون زمین باقی مانده است.

برخی پژوهشگران همچنین معتقدند عناصر رادیواکتیوی مانند پتاسیم، اورانیوم و توریم ممکن است هنوز در تولید بخشی از گرمای درونی زمین نقش داشته باشند. با این حال، حضور این عناصر در اعماق هسته هنوز موضوع بحث علمی است.

دانشمندان می‌گویند زمین برخلاف بسیاری از سیاره‌های سنگی منظومه شمسی توانسته مقدار زیادی از گرمای اولیه خود را حفظ کند. همین گرمای درونی باعث شده زمین ویژگی‌هایی مانند تکتونیک صفحه‌ای داشته باشد؛ فرایندی که طی آن صفحات پوسته زمین حرکت می‌کنند، مواد معدنی و مواد مغذی را از اعماق به سطح می‌آورند و محیط‌های متنوعی برای شکل‌گیری و تکامل حیات ایجاد می‌کنند.

هوانگ در پایان تأکید می‌کند: «اگر به حیات اهمیت می‌دهید، باید به درون زمین هم اهمیت بدهید. همین هسته فوق‌العاده داغ در مرکز سیاره ماست که امکان ادامه زندگی روی زمین را فراهم کرده است.»