در اعماق زمین چه خبر است؟

چگونه بفهمیم در اعماق زمین چه زمین خبر است؟

شرایط سخت درون زمین، کاوش در آن را غیر ممکن می کند. اما امواج لرزه ای در هنگام زلزله، فوران های آتشفشانی و امواج نوری از خورشید، همگی به آشکارسازی بینش های جالبی در مورد گوشته، پوسته و هسته سیاره ما کمک کرده اند.

مرز نهایی فضا نیست، این جا خود زمین است. چرا ما افرادی را به ماه ، ربات هایی را به مریخ و کاوشگر فضایی نیو هرایزن را به فاصله 3.26 میلیارد مایل از زمین فرستاده ایم تا از پلوتو عکس بگیرند،اما به عمق زمین نمی توانیم برویم؟ در حالی که  در فاصله 6500 کیلومتری زیر پای ما، گرما و فشار غیر قابل تشخیص، مرکز زمین را به طرز ناخوشایندی دور از دسترس کرده است. اما دانشمندان با مطالعه شهاب سنگ ها، فوران آتشفشان ها و امواج لرزه ای حاصل از زمین لرزه ها، قادر به کشف آنچه در داخل زمین اعم از بلورهای سبز زیتونی و دریای متحرک آهن ذوب شده است می باشند.

ودران لکیچ ، لرزه نگار در دانشگاه مریلند می گوید: اگرچه ما به سیارات دیگر می رویم و آن ها را کاوش می کنیم ، اما از بسیاری جهات ، رفتن به داخل زمین و کشف آنچه در داخل زمین است در واقع از نظر فنی دشوارتر از رفتن به فضا است.

لایه های زمین

زمین چهار لایه اصلی دارد: پوسته ، گوشته ، هسته خارجی و هسته داخلی. البته مناطق انتقال بین این لایه ها را نیز باید همراه آن ها محسوب کرد.

پوسته

دنیایی که می شناسیم روی صفحات تکتونیکی(قطعاتی از پوسته زمین و بالاترین قسمت گوشته)  تشکیل شده است که پوسته زمین را تشکیل می دهند ، که ضخامت آن از 5 کیلومتر تا بیش از 65 کیلوتر متغیر است. در زیر پوسته گوشته قرار دارد ، لایه سنگ 84 درصد از حجم زمین را تشکیل می دهد. سنگهای موجود در گوشته بالایی سفید گرم هستند ، اما اگر بتوانید آنها را در دمای اتاق خنک کنید ، به لطف ماده معدنی الیوین یک سبز زیتونی لکه دار خواهد شد که شاید آن را دیده باشید. وندی مائو ، فیزیکدان مواد معدنی در دانشگاه استنفورد می گوید: “من فکر می کنم که گوشته میانی فوقانی بسیار زیبا خواهد بود ، زیرا مانند  الیوین ، سبززیتونی 60 درصد خواهد بود و همچنین این مواد مکعبی قرمز زیبا لعل جذابی خواهند داشت.

گوشته

در عمق گوشته،به دلیل گرما و فشار، اتمهای تشکیل دهنده الیوین به دو ماده معدنی جدید ، بریدگمانیت و فروپریکلاز ، که در دمای اتاق به رنگ نارنجی مایل به قهوه ای و زرد هستند ، پیکربندی مجدد می شوند.

هسته

در زیر گوشته سنگی ، یک هسته بیرونی آهن مایع در حال چرخش (و کمی نیکل) وجود دارد که هسته داخلی آهن جامد را احاطه کرده است (دوباره با مقداری نیکل) که تقریباً 70 درصد اندازه ماه است. مرکز زمین تقریباً به اندازه سطح خورشید داغ است، دمای حدود 5400 درجه سانتی گراد ، با فشار که باعث می شود نیروهای فشاری در کف اقیانوس مانند بازی کودکان به نظر برسد.

اما ما به هیچ یک از این مکانها در داخل زمین نرفته ایم. ما آنها را ندیده ایم. ما دوربین یا کاوشگری ارسال نکرده ایم تا نمونه هایی از آهن را که مانند زغال سنگ درخشان است بازگردانیم. بنابراین، چگونه بدانیم آنجا چه چیزی وجود دارد؟

زمین لرزه ها ساختار را آشکار می کنند.

وقتی صفحات تکتونیکی که پوسته زمین را تشکیل می دهند از کنار یکدیگر عبور می کنند ، گاهی اوقات به یکدیگر گیر می کنند و می شکنند. این شکستگی ، همراه با امواج انرژی همراه آن ، زمین لرزه نامیده می شود. امواج لرزه ای آزاد شده، امواج صوتی دارند که به دور از منبع حرکت می کنند. این امواج صوتی برای شنیدن ما خیلی کم است ولی می تواند به دانشمندان بگوید که زلزله چه موقع و کجا زلزله رخ داده است.

تشخیص امواج لرزه ای چیز جدیدی نیست. دانشمند چینی ژانگ هنگ نزدیک به 2000 سال پیش یک لرزه سنج اولیه ساخت. اما در سال 1889 ، دانشمندان در استفاده از آنها برای درک سیاره ما موفقیت بزرگی کسب نمودند. این موفقیت زمانی بود که یک محقق آلمانی در نزدیکی برلین یک زمین لرزه را تشخیص داد ، اما یک مشکل وجود داشت: آن روز هیچ زلزله ای در این نزدیکی نبود. معلوم بود که زمین لرزه ای در ژاپن رخ داده است و امواج لرزه ای آن بیش از یک ساعت پس از وقوع به آلمان رسیده است. این یک نقطه محوری در لرزه نگاری مدرن است

لکیچ لرزه نگاری را به نحوه استفاده از اشعه ایکس برای دیدن بدن انسان تشبیه می کند – تراکم های مختلف عضلات ، اندام ها و استخوان ما به این معنی است که اشعه ایکسبه روش های مختلف از طریق آنها عبور می کند (یا توسط آنها منحرف می شود)

وی می گوید: ما نمی توانیم اشعه ایکس را از طریق زمین ارسال کنیم ، زیرا اشعه ایکس این کار را در تمام طول آن انجام نمی دهد. در عوض ، ما از امواج لرزه ای استفاده می کنیم.

زمین لرزه ها ارتعاشات زمینی را به سرتاسر سیاره ما می فرستند و آنها به طرق مختلف به سراسر دنیا سفر می کنند. لکیچ این لرزش ها را ثبت می کند ، که می تواند نگاهی اجمالی به آنچه در زیر مشاهده می کنید. لکیچ توضیح می دهد: سپس می توانیم با استفاده از مدل سازی رایانه ای سعی در ساختن تصاویری از آنچه در داخل زمین است، کنیم و این تصاویر اساساً به ما می گویند که امواج لرزه ای با سرعت زیادی در مناطق مختلف زمین حرکت می کنند.

لرزه شناسان داده های مربوط به زمین لرزه ها را تفسیر می کنند و حتی فعالیت لرزه ای را با اسلحه های هوایی و انفجارها شبیه سازی می کنند و کار آنها نشان داده است که فضای داخلی زمین دارای لایه های مختلفی است که عبور برخی از آنها برای سایر امواج لرزه ای راحت تر است. آنها حتی می توانند چگالی این لایه ها را به ما بگویند. سپس، شاخه دیگری از دانشمندان به نام فیزیكدانان مواد معدنی آن را از آنجا برمی دارند تا تعیین كنند كه در واقع این لایه ها چه چیزی را ایجاد می كند

نگاه به مواد معدنی زمین

اندرو کمبل، فیزیکدان مواد معدنی در دانشگاه شیکاگو می گوید: “محدودیت های شیمیایی و نجومی در مورد درک اینکه چه چیزی احتمالاً عناصر سازنده سیاره ما هستند وجود دارد.” اساساً ، توزیع عناصر در زمین باید تقریباً با عناصر موجود در شهاب سنگ ها و خورشید مطابقت داشته باشد.

كمبل توضيح مي دهد:«[مواد] موجود در منظومه شمسي كه مي توانيم از آن يك سياره درست كنيم ، بايد همان نوع موجود در خورشيد باشد.» این بدان دلیل است که واکنشهای شیمیایی درون ستاره ها عناصر تشکیل دهنده سیارات مانند زمین را تولید می کنند. دانشمندان می توانند با مشاهده طول موج های نوری که خورشید می دهد و مقایسه آن طول موج ها با نوری که از عناصر شناخته شده خارج می شود ، ترکیبات شیمیایی خورشید را بدست آورند.

کمبل می گوید:« نور ساطع شده از خورشید نشان می دهد که مقدار زیادی سیلیسیم ، اکسیژن ، منیزیم و آهن همراه با عناصر دیگری مانند پتاسیم و کلسیم وجود دارد.» وی اضافه می کند که مقادیر نسبی عناصر در خورشید همان چیزی است که در برخی از شهاب سنگهای بدوی مشاهده می کنیم، «این درک ما را تقویت می کند که این شهاب سنگ های بدوی نمایانگر بلوک های ساختمانی هستند که می توانیم از آن سیارات زمینی را بسازیم و این شامل زمین نیز می شود.»

این سرنخ ها از آن سوی زمین می توانند به ما در فهم ترکیبات اصلی سیاره ها و همچنین سنگ های آتشفشانی حاوی تکه هایی از گوشته زمین کمک کنند. بعدها ، فیزیکدانان معدنی مانند کمپبل و مائو در می یابند که چگونه باید این عناصر توزیع شود تا داده های لرزه شناسی جمع شود.

كمبل می گوید: “من استدلال می كنم كه از این طریق می فهمیم كه هسته زمین سرشار از آهن است و نه عنصر سنگین دیگری.” لرزه شناسی به ما می گوید زمین هسته ای جامد و متراکم دارد. از آنجا که خورشید و شهاب سنگ ها بیش از سایر عناصر سنگین مانند کبالت ، نیکل یا کروم آهن دارند ، او می گوید:«ما می دانیم که آهن قسمت بزرگی از بلوک های ساختمانی است که ما از آنجا جمع شده ایم.»

فیزیکدانان مواد معدنی همچنین روشهایی را برای تقلید از شرایط موجود در زمین پیدا می کنند که بر مواد تشکیل دهنده آن تأثیر می گذارد. به عنوان مثال ، مائو مطالعاتی را انجام داده است تا بداند چگونه آهن هسته زمین که مدتها پیش در آنجا مستقر شده است می تواند به آرامی به گوشته سنگی راه پیدا کند. وی برای شبیه سازی فشار شدید درون زمین ، از چیزی که سلول سندان الماس نامیده می شود استفاده می کند. او می گوید: « ما دو الماس می گیریم و سپس اساساً نوک آن را می بریم ، آن سطح کوچک را می گیریم ، یک نمونه کوچک بین آنها قرار می دهیم و سپس کمرها را می فشاریم.» از آنجا که نیرو در سطح کوچکی ، تقریباً به اندازه پهنای موی انسان متمرکز شده است ، به روشی قابل مقایسه با فشار در عمق سیاره ترکیب می شود

مائو می گوید:« یکی از هیجان انگیزترین، اما همچنین ناامیدکننده ترین قسمت ها در مورد این مطالعات این است که ما نمی توانیم تا آن عمق پایین برویم. یک تئوری منطقی وجود دارد که با داده های آزمایشی سازگار است ، زیرا ما می توانیم آنچه را که فکر می کنیم شرایط است، هرچند به اندازه میکرون، تقلید کنیم.»

و از آنجا که دانشمندان راهی برای سفر به مرکز زمین پیدا نکرده اند، همکاری بین رشته های مختلف برای درک آنچه در زیر پای ما قرار دارد بسیار مهم است. لکیچ می گوید: « بدون نوعی همکاری، شما واقعاً نمی توانید کره زمین را درک کنید»