كيف تشكل قلب الأرض: بنية كوكبنا. تكوين نواة الأرض نواة الأرض هي الأكثر سخونة والأكثر كثافة

عندما تسقط مفاتيحك في تيار من الحمم المنصهرة، قل وداعًا لها، حسنًا يا صاح، إنها كل شيء.
- جاك هاندي

بالنظر إلى كوكبنا الأم، ستلاحظ أن 70% من سطحه مغطى بالمياه.

نعلم جميعًا سبب ذلك: لأن محيطات الأرض تطفو فوق الصخور والأوساخ التي تشكل الأرض. إن مفهوم الطفو، حيث تطفو الأجسام الأقل كثافة فوق الأجسام الأكثر كثافة والتي تغوص تحتها، يفسر أكثر بكثير من مجرد المحيطات.

نفس المبدأ الذي يفسر لماذا يطفو الجليد في الماء، ويرتفع بالون الهيليوم في الغلاف الجوي، وتغرق الصخور في البحيرة، يفسر سبب ترتيب طبقات كوكب الأرض بالطريقة التي هي عليها.

يطفو الجزء الأقل كثافة من الأرض، وهو الغلاف الجوي، فوق محيطات من الماء، والتي تطفو فوق قشرة الأرض، والتي تقع فوق الوشاح الأكثر كثافة، والذي لا يغوص في الجزء الأكثر كثافة من الأرض: القشرة.

من الناحية المثالية، ستكون الحالة الأكثر استقرارًا للأرض هي تلك التي سيتم توزيعها بشكل مثالي إلى طبقات، مثل البصلة، مع وجود العناصر الأكثر كثافة في المركز، وكلما تحركت إلى الخارج، ستتكون كل طبقة لاحقة من عناصر أقل كثافة. وكل زلزال، في الواقع، يدفع الكوكب نحو هذه الحالة.

وهذا ما يفسر بنية ليس فقط الأرض، ولكن أيضًا جميع الكواكب، إذا كنت تتذكر من أين جاءت هذه العناصر.

عندما كان الكون شابًا -بعمر دقائق قليلة فقط- لم يكن هناك سوى الهيدروجين والهيليوم. تم إنشاء عناصر أثقل بشكل متزايد في النجوم، وفقط عندما ماتت هذه النجوم، هربت العناصر الأثقل إلى الكون، مما سمح لأجيال جديدة من النجوم بالتشكل.

لكن هذه المرة، مزيج من كل هذه العناصر - ليس فقط الهيدروجين والهيليوم، ولكن أيضًا الكربون والنيتروجين والأكسجين والسيليكون والمغنيسيوم والكبريت والحديد وغيرها - لا يشكل نجمًا فحسب، بل يشكل أيضًا قرصًا كوكبيًا أوليًا حول هذا النجم.

يؤدي الضغط من الداخل إلى الخارج في النجم المتشكل إلى دفع العناصر الأخف إلى الخارج، وتؤدي الجاذبية إلى انهيار عدم انتظام القرص وتشكيل الكواكب.

وفي حالة النظام الشمسي، فإن العوالم الداخلية الأربعة هي الأكثر كثافة من بين جميع الكواكب في النظام. يتكون الزئبق من العناصر الأكثر كثافة، والتي لا يمكنها الاحتفاظ بكميات كبيرة من الهيدروجين والهيليوم.

تمكنت الكواكب الأخرى، الأكبر حجمًا والأبعد عن الشمس (وبالتالي تتلقى قدرًا أقل من إشعاعها)، من الاحتفاظ بالمزيد من هذه العناصر فائقة الخفة - وهذه هي الطريقة التي تشكلت بها عمالقة الغاز.

في جميع العوالم، كما هو الحال على الأرض، في المتوسط، تتركز العناصر الأكثر كثافة في القلب، وتشكل العناصر الخفيفة طبقات أقل كثافة حولها بشكل متزايد.

وليس من المستغرب أن يكون الحديد، وهو العنصر الأكثر استقرارًا وأثقل عنصر ينشأ بكميات كبيرة عند حافة المستعرات الأعظم، هو العنصر الأكثر وفرة في نواة الأرض. ولكن ربما من المفاجئ أن توجد بين اللب الصلب والوشاح الصلب طبقة سائلة يزيد سمكها عن 2000 كيلومتر: اللب الخارجي للأرض.

تحتوي الأرض على طبقة سائلة سميكة تحتوي على 30% من كتلة الكوكب! وتعرفنا على وجودها بطريقة بارعة إلى حد ما - بفضل الموجات الزلزالية الناشئة عن الزلازل!

في الزلازل تتولد الموجات الزلزالية من نوعين: موجة الانضغاط الرئيسية، والمعروفة باسم الموجة P، والتي تنتقل على طول مسار طولي

وموجة قص ثانية تُعرف بالموجة S، وهي تشبه الأمواج الموجودة على سطح البحر.

محطات رصد الزلازل حول العالم قادرة على التقاط الموجات P وS، لكن الموجات S لا تنتقل عبر السائل، والموجات P لا تنتقل عبر السائل فحسب، بل تنكسر!

ونتيجة لذلك، يمكننا أن نفهم أن الأرض لها نواة خارجية سائلة، يوجد خارجها عباءة صلبة، وفي الداخل نواة داخلية صلبة! ولهذا السبب يحتوي نواة الأرض على أثقل العناصر وأكثرها كثافة، وهكذا نعرف أن النواة الخارجية عبارة عن طبقة سائلة.

لكن لماذا اللب الخارجي سائل؟ مثل جميع العناصر، تعتمد حالة الحديد، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية أو غيرها، على ضغط الحديد ودرجة حرارته.

يعد الحديد عنصرًا أكثر تعقيدًا مما اعتدت عليه. وبطبيعة الحال، قد يكون لها أطوار صلبة بلورية مختلفة، كما هو موضح في الرسم البياني، لكننا لسنا مهتمين بالضغوط العادية. نحن نهبط إلى قلب الأرض، حيث الضغوط أكبر بمليون مرة من مستوى سطح البحر. كيف يبدو مخطط الطور لمثل هذه الضغوط العالية؟

جمال العلم هو أنه حتى لو لم يكن لديك إجابة لسؤال ما على الفور، فمن المحتمل أن يكون شخص ما قد قام بالفعل بالبحث الذي قد يؤدي إلى الإجابة! في هذه الحالة، وجد أرينز وكولينز وتشين في عام 2001 الإجابة على سؤالنا.

وعلى الرغم من أن الرسم البياني يوضح ضغوطًا هائلة تصل إلى 120 جيجا باسكال، فمن المهم أن نتذكر أن الضغط الجوي يبلغ 0.0001 جيجا باسكال فقط، بينما تصل الضغوط في القلب الداخلي إلى 330-360 جيجا باسكال. يُظهر الخط الصلب العلوي الحد الفاصل بين ذوبان الحديد (أعلى) والحديد الصلب (أسفل). هل لاحظت كيف أن الخط المتصل في النهاية يصنع انعطافًا حادًا للأعلى؟

لكي يذوب الحديد عند ضغط 330 جيجا باسكال، يلزم درجة حرارة هائلة، مماثلة لتلك السائدة على سطح الشمس. نفس درجات الحرارة عند الضغوط المنخفضة ستحافظ بسهولة على الحديد في الحالة السائلة، وعند الضغوط الأعلى - في الحالة الصلبة. ماذا يعني هذا من حيث جوهر الأرض؟

وهذا يعني أنه عندما تبرد الأرض، تنخفض درجة حرارتها الداخلية، لكن الضغط يبقى دون تغيير. أي أنه أثناء تكوين الأرض، على الأرجح، كان اللب بأكمله سائلاً، وعندما يبرد، ينمو اللب الداخلي! وفي هذه العملية، بما أن الحديد الصلب له كثافة أعلى من الحديد السائل، فإن الأرض تنكمش ببطء، مما يؤدي إلى حدوث الزلازل!

لذا، فإن لب الأرض سائل لأنه ساخن بدرجة كافية لإذابة الحديد، ولكن فقط في المناطق ذات الضغط المنخفض بدرجة كافية. مع تقدم عمر الأرض وتبريدها، يصبح المزيد والمزيد من لب الأرض صلبًا، وبالتالي تتقلص الأرض قليلاً!

إذا أردنا أن ننظر إلى المستقبل البعيد، فيمكننا أن نتوقع ظهور نفس الخصائص التي لوحظت في عطارد.

فالزئبق، بسبب صغر حجمه، قد برد بالفعل وانكمش بشكل كبير، وله كسور يبلغ طولها مئات الكيلومترات ظهرت بسبب الحاجة إلى الضغط بسبب التبريد.

فلماذا تمتلك الأرض نواة سائلة؟ لأنه لم يبرد بعد. وكل زلزال هو اقتراب صغير للأرض من حالتها النهائية المبردة والصلبة تمامًا. لكن لا تقلق، فقبل تلك اللحظة بوقت طويل، ستنفجر الشمس وسيكون كل شخص تعرفه ميتًا لفترة طويلة جدًا.

تشكلت الأرض، إلى جانب الأجسام الأخرى في النظام الشمسي، من غاز بارد وسحابة غبار من خلال تراكم الجزيئات المكونة لها. بعد ظهور الكوكب، بدأت مرحلة جديدة تماما من تطوره، والتي تسمى عادة ما قبل الجيولوجية.
يرجع اسم هذه الفترة إلى حقيقة أن أقدم دليل على العمليات الماضية - الصخور النارية أو البركانية - لا يزيد عمره عن 4 مليارات سنة. يمكن للعلماء فقط دراستها اليوم.
لا تزال المرحلة ما قبل الجيولوجية لتطور الأرض محفوفة بالعديد من الألغاز. ويغطي فترة 0.9 مليار سنة ويتميز بانتشار البراكين على نطاق واسع على الكوكب مع إطلاق الغازات وبخار الماء. في هذا الوقت بدأت عملية تقسيم الأرض إلى أصدافها الرئيسية - اللب والوشاح والقشرة والغلاف الجوي. ومن المفترض أن هذه العملية نتجت عن القصف النيزكي المكثف لكوكبنا وذوبان أجزائه الفردية.
كان أحد الأحداث الرئيسية في تاريخ الأرض هو تكوين قلبها الداخلي. ربما حدث هذا خلال مرحلة ما قبل الجيولوجيا من تطور الكوكب، عندما تم تقسيم كل المادة إلى مجالين جغرافيين رئيسيين - اللب والوشاح.
ولسوء الحظ، لا توجد حتى الآن نظرية موثوقة حول تكوين نواة الأرض، والتي يمكن تأكيدها بالمعلومات والأدلة العلمية الجادة. كيف تشكلت نواة الأرض؟ يقدم العلماء فرضيتين رئيسيتين للإجابة على هذا السؤال.
وبحسب النسخة الأولى فإن الأمر بعد ظهور الأرض مباشرة كان متجانسا.
وتتكون بالكامل من الجسيمات الدقيقة التي يمكن ملاحظتها اليوم في النيازك. ولكن بعد فترة زمنية معينة، تم تقسيم هذه الكتلة الأولية المتجانسة إلى نواة ثقيلة، تدفق إليها كل الحديد، وعباءة سيليكات أخف. بمعنى آخر، استقرت قطرات من الحديد المنصهر والمركبات الكيميائية الثقيلة المصاحبة له في مركز كوكبنا وشكلت نواة هناك، والتي ظلت منصهرة إلى حد كبير حتى يومنا هذا. نظرا لأن العناصر الثقيلة تميل إلى مركز الأرض، فإن الخبث الخفيف، على العكس من ذلك، يطفو إلى الأعلى - إلى الطبقات الخارجية للكوكب. اليوم، تشكل هذه العناصر الخفيفة الوشاح العلوي والقشرة.
لماذا حدث هذا التمايز في المادة؟ من المعتقد أنه مباشرة بعد الانتهاء من عملية تكوينها، بدأت الأرض في الاحماء بشكل مكثف، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى الطاقة المنبعثة أثناء تراكم الجاذبية للجسيمات، وكذلك بسبب طاقة التحلل الإشعاعي للمواد الكيميائية الفردية عناصر.
تم تسهيل التسخين الإضافي للكوكب وتكوين سبيكة الحديد والنيكل، والتي، بسبب جاذبيتها النوعية الكبيرة، غرقت تدريجيًا إلى مركز الأرض، من خلال القصف النيزكي المزعوم.
إلا أن هذه الفرضية تواجه بعض الصعوبات. على سبيل المثال، ليس من الواضح تمامًا كيف تمكنت سبيكة الحديد والنيكل، حتى في الحالة السائلة، من النزول أكثر من ألف كيلومتر والوصول إلى منطقة قلب الكوكب.
ووفقا للفرضية الثانية، فإن نواة الأرض تكونت من النيازك الحديدية التي اصطدمت بسطح الكوكب، وبعد ذلك نمت بقشرة سيليكاتية من النيازك الحجرية وشكلت الوشاح.

هناك خلل خطير في هذه الفرضية. في هذه الحالة، يجب أن توجد النيازك الحديدية والحجرية بشكل منفصل في الفضاء الخارجي. تظهر الأبحاث الحديثة أن النيازك الحديدية لا يمكن أن تنشأ إلا في أعماق كوكب تفكك تحت ضغط كبير، أي بعد تكوين نظامنا الشمسي وجميع الكواكب.
تبدو النسخة الأولى أكثر منطقية، لأنها توفر حدودًا ديناميكية بين قلب الأرض والوشاح. وهذا يعني أن عملية تقسيم المادة بينهما يمكن أن تستمر على الكوكب لفترة طويلة جدا، وبالتالي يكون لها تأثير كبير على مزيد من التطور للأرض.
وهكذا، إذا أخذنا الفرضية الأولى الخاصة بتكوين نواة الكوكب كأساس، فإن عملية تمايز المادة استمرت حوالي 1.6 مليار سنة. بسبب تمايز الجاذبية والانحلال الإشعاعي، تم ضمان فصل المادة.
تغوص العناصر الثقيلة فقط إلى عمق تكون المادة تحته شديدة اللزوجة بحيث لا يتمكن الحديد من الغطس. ونتيجة لهذه العملية، تم تشكيل طبقة حلقية كثيفة وثقيلة للغاية من الحديد المنصهر وأكسيده. لقد كان يقع فوق المادة الأخف وزنا في النواة البدائية لكوكبنا. بعد ذلك، تم ضغط مادة سيليكات خفيفة من مركز الأرض. علاوة على ذلك، فقد تم إزاحته عند خط الاستواء، وهو ما قد يكون بمثابة بداية عدم تناسق الكوكب.
من المفترض أنه خلال تكوين النواة الحديدية للأرض، حدث انخفاض كبير في حجم الكوكب، ونتيجة لذلك انخفض سطحه الآن. وشكلت العناصر الخفيفة ومركباتها التي "طفت" على السطح قشرة أولية رقيقة، تتكون، مثل كل الكواكب الأرضية، من البازلت البركاني، تعلوها طبقة سميكة من الرواسب.
ومع ذلك، ليس من الممكن العثور على أدلة جيولوجية حية للعمليات الماضية المرتبطة بتكوين قلب الأرض ووشاحها. كما ذكرنا سابقًا، يبلغ عمر أقدم الصخور على كوكب الأرض حوالي 4 مليارات سنة. على الأرجح، في بداية تطور الكوكب، وتحت تأثير درجات الحرارة والضغوط المرتفعة، تحولت البازلت الأولي وذابت وتحولت إلى صخور الجرانيت والنيس المعروفة لدينا.
ما هو جوهر كوكبنا، والذي ربما تشكل في المراحل الأولى من تطور الأرض؟ يتكون من قذائف خارجية وداخلية. وفقًا للافتراضات العلمية، يوجد على عمق 2900-5100 كيلومتر نواة خارجية، وهي قريبة من السائل في خصائصها الفيزيائية.
اللب الخارجي عبارة عن تيار من الحديد المنصهر والنيكل الذي يوصل الكهرباء بشكل جيد. وبهذا اللب يربط العلماء أصل المجال المغناطيسي للأرض. أما الفجوة المتبقية البالغة 1270 كيلومترًا إلى مركز الأرض فيشغلها اللب الداخلي الذي يتكون من 80% حديد و20% ثاني أكسيد السيليكون.
النواة الداخلية صلبة وساخنة. إذا كان الجزء الخارجي متصلا مباشرة بالوشاح، فإن النواة الداخلية للأرض موجودة من تلقاء نفسها. وصلابته، على الرغم من ارتفاع درجات الحرارة، يضمنها الضغط الهائل في مركز الكوكب، والذي يمكن أن يصل إلى 3 ملايين ضغط جوي.
ونتيجة لذلك، تتحول العديد من العناصر الكيميائية إلى حالة معدنية. ولذلك، فقد اقترح أن النواة الداخلية للأرض تتكون من الهيدروجين المعدني.
النواة الداخلية الكثيفة لها تأثير خطير على حياة كوكبنا. يتركز فيها مجال الجاذبية الكوكبية، مما يمنع قذائف الغاز الخفيفة وطبقات الغلاف المائي والغلاف الأرضي للأرض من التشتت.
من المحتمل أن هذا المجال كان مميزًا للنواة منذ لحظة تشكل الكوكب، بغض النظر عن تركيبه الكيميائي وبنيته في ذلك الوقت. ساهم في انقباض الجزيئات المتكونة باتجاه المركز.
ومع ذلك، فإن أصل النواة ودراسة البنية الداخلية للأرض هي المشكلة الأكثر إلحاحا بالنسبة للعلماء الذين يشاركون عن كثب في دراسة التاريخ الجيولوجي لكوكبنا. ولا يزال الطريق طويلا قبل التوصل إلى حل نهائي لهذه القضية. ولتجنب التناقضات المختلفة، قبل العلم الحديث الفرضية القائلة بأن عملية تكوين النواة بدأت تحدث بالتزامن مع تكوين الأرض.

لماذا لم يبرد باطن الأرض وظل ساخنا إلى درجة حرارة تقارب 6000 درجة مئوية لمدة 4.5 مليار سنة؟ السؤال معقد للغاية، علاوة على ذلك، لا يستطيع العلم تقديم إجابة دقيقة وواضحة بنسبة 100٪. ومع ذلك، هناك أسباب موضوعية لذلك.

السرية المفرطة

يرتبط الغموض المفرط، إذا جاز التعبير، لجوهر الأرض بعاملين. أولاً، لا أحد يعرف على وجه اليقين كيف ومتى وتحت أي ظروف تم تشكيلها - حدث هذا أثناء تكوين الأرض الأولية أو بالفعل في المراحل الأولى من وجود الكوكب المتشكل - كل هذا لغز كبير. ثانيًا، من المستحيل تمامًا الحصول على عينات من باطن الأرض - فلا أحد يعرف على وجه اليقين مما تتكون منه. علاوة على ذلك، يتم جمع كافة البيانات التي نعرفها عن النواة باستخدام طرق ونماذج غير مباشرة.

لماذا يظل قلب الأرض ساخنا؟

لمحاولة فهم سبب عدم تبريد نواة الأرض لفترة طويلة، عليك أولاً أن تفهم سبب ارتفاع حرارتها في البداية. إن الجزء الداخلي لكوكبنا، مثله مثل أي كوكب آخر، غير متجانس؛ فهو يمثل طبقات محددة بشكل واضح وكثافات مختلفة. لكن لم يكن هذا هو الحال دائمًا: تهبط العناصر الثقيلة ببطء إلى الأسفل، لتشكل اللب الداخلي والخارجي، بينما تُجبر العناصر الخفيفة على الصعود إلى الأعلى، لتشكل الوشاح وقشرة الأرض. تتم هذه العملية ببطء شديد ويصاحبها إطلاق الحرارة. ومع ذلك، لم يكن هذا هو السبب الرئيسي للتدفئة. تضغط كتلة الأرض بأكملها بقوة هائلة على مركزها، مما ينتج عنه ضغط هائل يبلغ حوالي 360 جيجا باسكال (3.7 مليون ضغط جوي)، ونتيجة لذلك يتحلل العناصر المشعة طويلة العمر الموجودة في قلب الحديد والسيليكون والنيكل بدأت تحدث، والتي كانت مصحوبة بانبعاثات هائلة من الحرارة.

مصدر إضافي للتدفئة هو الطاقة الحركية المتولدة نتيجة الاحتكاك بين الطبقات المختلفة (كل طبقة تدور بشكل مستقل عن الأخرى): اللب الداخلي مع اللب الخارجي والخارجي مع الوشاح.

الجزء الداخلي من الكوكب (لا يتم احترام النسب). يعمل الاحتكاك بين الطبقات الداخلية الثلاث كمصدر إضافي للتدفئة.

وبناء على ما سبق يمكن أن نستنتج أن الأرض وأحشائها على وجه الخصوص هي آلة مكتفية ذاتيا تقوم بتسخين نفسها. لكن هذا بطبيعة الحال لا يمكن أن يستمر إلى الأبد: فاحتياطيات العناصر المشعة داخل القلب تختفي ببطء ولن يكون هناك أي شيء للحفاظ على درجة الحرارة.

الجو بارد!

في الواقع، بدأت عملية التبريد منذ وقت طويل جدًا، لكنها تسير ببطء شديد - بجزء من الدرجة لكل قرن. وفقًا للتقديرات التقريبية، سيمر ما لا يقل عن مليار سنة قبل أن يبرد اللب تمامًا وتتوقف التفاعلات الكيميائية والتفاعلات الأخرى فيه.

اجابة قصيرة:الأرض، وخاصة لب الأرض، هي آلة مكتفية ذاتيا تقوم بتسخين نفسها. تضغط كتلة الكوكب بأكملها على مركزها، مما ينتج عنه ضغط هائل وبالتالي يؤدي إلى عملية تحلل العناصر المشعة، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الحرارة.

ملأ الناس الأرض. لقد غزونا الأراضي، وطارنا في الهواء، وغطسنا في أعماق المحيط. حتى أننا قمنا بزيارة القمر. لكننا لم نصل أبدًا إلى قلب الكوكب. ولم نقترب منه حتى. تقع النقطة المركزية للأرض على عمق 6000 كيلومتر، وحتى أبعد جزء من النواة يقع على عمق 3000 كيلومتر تحت أقدامنا. أعمق حفرة أحدثناها على السطح هي، وحتى بعد ذلك، تتعمق في الأرض لمسافة تافهة تبلغ 12.3 كيلومترًا.

جميع الأحداث المعروفة على الأرض تحدث بالقرب من السطح. تذوب الحمم البركانية التي تندلع من البراكين أولاً على عمق عدة مئات من الكيلومترات. حتى الألماس، الذي يتطلب تشكيله حرارة وضغطًا شديدين، يولد في صخور لا يزيد عمقها عن 500 كيلومتر.

كل شيء أدناه يكتنفه الغموض. يبدو بعيد المنال. ومع ذلك، فإننا نعرف الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام حول جوهرنا. لدينا أيضًا فكرة عن كيفية تشكلها منذ مليارات السنين، وكل ذلك بدون عينة مادية واحدة. كيف تمكنا من معرفة الكثير عن جوهر الأرض؟

الخطوة الأولى هي التفكير مليًا في كتلة الأرض، كما يقول سايمون ريدفيرن من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة. يمكننا تقدير كتلة الأرض من خلال ملاحظة تأثير جاذبية الكوكب على الأجسام الموجودة على السطح. وتبين أن كتلة الأرض هي 5.9 سيكستليون طن: أي 59 تليها عشرين صفراً.

لكن لا توجد علامة على وجود مثل هذه الكتلة على السطح.

يقول ريدفيرن: "كثافة المواد الموجودة على سطح الأرض أقل بكثير من متوسط ​​كثافة الأرض بأكملها، مما يخبرنا بوجود شيء أكثر كثافة هناك". "هذا هو الاول."

في الأساس، يجب أن تكون معظم كتلة الأرض في اتجاه مركز الكوكب. والخطوة التالية هي معرفة المواد الثقيلة التي يتكون منها القلب. ويتكون بالكامل تقريبًا من الحديد. 80% من اللب عبارة عن حديد، لكن الرقم الدقيق لا يزال يتعين رؤيته.

والدليل الرئيسي على ذلك هو كمية الحديد الهائلة الموجودة في الكون من حولنا. وهو أحد العناصر العشرة الأكثر وفرة في مجرتنا، ويوجد أيضًا بشكل شائع في النيازك. مع كل هذا، يوجد الحديد على سطح الأرض أقل بكثير مما يتوقعه المرء. ووفقا للنظرية، عندما تشكلت الأرض قبل 4.5 مليار سنة، تدفق الكثير من الحديد إلى قلب الأرض.

وتتركز معظم الكتلة هناك، مما يعني أن الحديد يجب أن يكون هناك. يعد الحديد أيضًا عنصرًا كثيفًا نسبيًا في الظروف العادية، وتحت الضغط الشديد في باطن الأرض سيكون أكثر كثافة. ويمكن للقلب الحديدي أن يفسر كل الكتلة المفقودة.

لكن انتظر. كيف انتهى الحديد هناك؟ كان لا بد من أن ينجذب الحديد بطريقة ما - حرفيًا - إلى مركز الأرض. لكن هذا لا يحدث الآن.

ويتكون معظم ما تبقى من الأرض من الصخور - السيليكات - ويواجه الحديد المنصهر صعوبة في المرور عبرها. وكما يشكل الماء قطرات على سطح دهني، يتجمع الحديد في خزانات صغيرة، ويرفض الانتشار والانسكاب.

تم اكتشاف حل محتمل في عام 2013 من قبل ويندي ماو من جامعة ستانفورد وزملاؤها. وتساءلوا عما يحدث عندما يتعرض الحديد والسيليكات لضغط شديد في أعماق الأرض.

ومن خلال ضغط المادتين بإحكام باستخدام الماس، تمكن العلماء من دفع الحديد المنصهر عبر السيليكات. يقول ماو: "هذا الضغط يغير بشكل كبير خصائص تفاعل الحديد مع السيليكات". - عند الضغط العالي، تتشكل "شبكة ذوبان".

وقد يشير ذلك إلى أن الحديد كان ينزلق تدريجياً عبر صخور الأرض على مدى ملايين السنين حتى يصل إلى النواة.

عند هذه النقطة قد تتساءل: كيف نعرف حجم النواة فعليًا؟ لماذا يعتقد العلماء أنه يبدأ على بعد 3000 كيلومتر؟ هناك إجابة واحدة فقط: علم الزلازل.

عندما يحدث زلزال، فإنه يرسل موجات صادمة في جميع أنحاء الكوكب. ويسجل علماء الزلازل هذه الاهتزازات. يبدو الأمر كما لو أننا نضرب أحد جوانب الكوكب بمطرقة عملاقة ونستمع إلى الضجيج على الجانب الآخر.

يقول ريدفيرن: «كان هناك زلزال في تشيلي في ستينيات القرن الماضي، مما زودنا بكمية هائلة من البيانات». "سجلت كل محطة رصد زلزالي حول الأرض هزات هذا الزلزال".

اعتمادًا على المسار الذي تسلكه هذه الاهتزازات، فإنها تمر عبر أجزاء مختلفة من الأرض، وهذا يؤثر على "الصوت" الذي تصدره في الطرف الآخر.

في وقت مبكر من تاريخ علم الزلازل، أصبح من الواضح أن بعض التذبذبات كانت مفقودة. وكان من المتوقع رؤية هذه "الموجات S" في الطرف الآخر من الأرض بعد نشأتها في أحد الأطراف، لكن لم يتم رؤيتها. السبب في ذلك بسيط. تنعكس موجات S عبر المواد الصلبة ولا يمكنها الانتقال عبر السائل.

لا بد أنهم واجهوا شيئًا منصهرًا في مركز الأرض. ومن خلال رسم مسارات الموجات S، خلص العلماء إلى أنه على عمق حوالي 3000 كيلومتر، تصبح الصخور سائلة. ويشير هذا أيضًا إلى أن اللب بأكمله منصهر. لكن علماء الزلازل كانت لديهم مفاجأة أخرى في هذه القصة.

وفي ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف عالم الزلازل الدنماركي إنجي ليمان أن نوعًا آخر من الموجات، وهي موجات P، مرت بشكل غير متوقع عبر قلب الكوكب وتم اكتشافها على الجانب الآخر من الكوكب. تبع ذلك الافتراض على الفور أن النواة مقسمة إلى طبقتين. كان اللب "الداخلي"، الذي يبدأ على عمق 5000 كيلومتر، صلبًا. يتم ذوبان اللب "الخارجي" فقط.

تم تأكيد فكرة ليمان في عام 1970، عندما أظهرت أجهزة قياس الزلازل الأكثر حساسية أن موجات P تنتقل بالفعل عبر القلب، وفي بعض الحالات، تنعكس منه بزوايا معينة. ليس من المستغرب أن ينتهي بهم الأمر على الجانب الآخر من الكوكب.

ليست الزلازل فقط هي التي ترسل موجات صادمة عبر الأرض. في الواقع، يدين علماء الزلازل بالكثير لتطوير الأسلحة النووية.

ويخلق الانفجار النووي أيضًا أمواجًا على الأرض، ولهذا السبب تلجأ الدول إلى علماء الزلازل للحصول على المساعدة أثناء تجارب الأسلحة النووية. وكان هذا الأمر في غاية الأهمية خلال الحرب الباردة، لذا فقد تلقى علماء الزلازل مثل ليمان الكثير من الدعم.

وكانت البلدان المتنافسة تتعلم عن القدرات النووية لبعضها البعض، وفي الوقت نفسه، كنا نتعلم المزيد والمزيد عن جوهر الأرض. لا يزال يستخدم علم الزلازل للكشف عن الانفجارات النووية اليوم.

الآن يمكننا رسم صورة تقريبية لبنية الأرض. هناك نواة خارجية منصهرة تبدأ في منتصف المسافة تقريبًا إلى مركز الكوكب، ويوجد بداخلها نواة داخلية صلبة يبلغ قطرها حوالي 1220 كيلومترًا.

وهذا لا يجعل الأسئلة أقل، خاصة فيما يتعلق بموضوع الجوهر الداخلي. على سبيل المثال، ما مدى سخونة الجو؟ لم يكن اكتشاف ذلك سهلاً، وكان العلماء في حيرة من أمرهم لفترة طويلة، كما يقول ليدونكا فوكادلو من جامعة كوليدج لندن في المملكة المتحدة. لا يمكننا وضع مقياس حرارة هناك، لذا فإن الخيار الوحيد هو خلق الضغط المطلوب في بيئة معملية.

في الظروف العادية، يذوب الحديد عند درجة حرارة 1538 درجة

وفي عام 2013، أنتجت مجموعة من العلماء الفرنسيين أفضل تقدير حتى الآن. وأخضعوا الحديد النقي إلى نصف ضغط ما في القلب، ثم انطلقوا من هناك. تبلغ درجة انصهار الحديد النقي في القلب حوالي 6230 درجة. ووجود مواد أخرى قد يؤدي إلى خفض درجة الانصهار قليلا، حتى 6000 درجة. لكنها لا تزال أكثر سخونة من سطح الشمس.

مثل حبة البطاطس، يظل قلب الأرض ساخنًا بفضل الحرارة المتبقية من تكوين الكوكب. كما أنه يستخرج الحرارة من الاحتكاك الذي يحدث أثناء تحرك المواد الكثيفة، وكذلك من اضمحلال العناصر المشعة. ويبرد بنحو 100 درجة مئوية كل مليار سنة.

إن معرفة درجة الحرارة هذه مفيد لأنها تؤثر على سرعة انتقال الاهتزازات عبر القلب. وهذا مناسب، لأن هناك شيء غريب في هذه الاهتزازات. تنتقل موجات P ببطء مدهش عبر النواة الداخلية، وهي أبطأ مما لو كانت مصنوعة من الحديد النقي.

يقول فوكادلو: "إن سرعات الموجات التي قاسها علماء الزلازل في الزلازل أقل بكثير مما تظهره التجارب أو حسابات الكمبيوتر". "لا أحد يعرف حتى الآن سبب حدوث ذلك."

ويبدو أن هناك مادة أخرى ممزوجة بالحديد. ربما النيكل. لكن العلماء قاموا بحساب كيفية مرور الموجات الزلزالية عبر سبيكة الحديد والنيكل، ولم يتمكنوا من ملاءمة الحسابات مع الملاحظات.

وتبحث فوكادلو وزملاؤها الآن في احتمال وجود عناصر أخرى، مثل الكبريت والسيليكون، في القلب. وحتى الآن لم يتمكن أحد من التوصل إلى نظرية لتكوين اللب الداخلي ترضي الجميع. مشكلة سندريلا: الحذاء لا يناسب أحداً. يحاول فوكادلو تجربة المواد الأساسية الداخلية على جهاز الكمبيوتر. وتأمل في العثور على مزيج من المواد ودرجات الحرارة والضغوط التي من شأنها إبطاء الموجات الزلزالية بالقدر المناسب.

وتقول إن السر قد يكمن في حقيقة أن اللب الداخلي يقترب من نقطة الانصهار. ونتيجة لذلك، قد تختلف الخصائص الدقيقة للمادة عن خصائص المادة الصلبة تمامًا. ويمكن أن يفسر أيضًا سبب انتقال الموجات الزلزالية بشكل أبطأ من المتوقع.

يقول فوكادلو: «إذا كان هذا التأثير حقيقيًا، فيمكننا التوفيق بين نتائج فيزياء المعادن ونتائج علم الزلازل». "لا يستطيع الناس فعل ذلك بعد."

لا تزال هناك العديد من الألغاز المتعلقة بجوهر الأرض والتي لم يتم حلها بعد. لكن بسبب عدم قدرتهم على الغوص إلى هذه الأعماق التي لا يمكن تصورها، يقوم العلماء بإنجاز العمل الفذ المتمثل في اكتشاف ما يقع على بعد آلاف الكيلومترات تحتنا. تعتبر العمليات الخفية في باطن الأرض مهمة للغاية للدراسة. تمتلك الأرض مجالًا مغناطيسيًا قويًا يتولد عن قلبها المنصهر جزئيًا. وتولد الحركة المستمرة للنواة المنصهرة تيارا كهربائيا داخل الكوكب، وهذا بدوره يولد مجالا مغناطيسيا يمتد بعيدا في الفضاء.

هذا المجال المغناطيسي يحمينا من الإشعاع الشمسي الضار. لو لم يكن نواة الأرض كما هي الآن، فلن يكون هناك مجال مغناطيسي، وكنا سنعاني منه بشدة. من غير المحتمل أن يتمكن أي منا من رؤية اللب بأعينه، لكن من الجيد أن نعرف أنه موجود هناك.

يتألف نواة الأرض من طبقتين بينهما منطقة حدودية: القشرة السائلة الخارجية للنواة تصل سماكتها إلى 2266 كيلومتراً، ويوجد تحتها نواة ضخمة كثيفة يقدر قطرها بـ 1300 كيلومتراً. تتميز المنطقة الانتقالية بسمك غير منتظم وتتصلب تدريجيًا، وتتحول إلى اللب الداخلي. وتبلغ درجة الحرارة على سطح الطبقة العليا حوالي 5960 درجة مئوية، على الرغم من أن هذه البيانات تعتبر تقريبية.

التركيب التقريبي للنواة الخارجية وطرق تحديدها

لا يزال يُعرف القليل جدًا عن تكوين الطبقة الخارجية من نواة الأرض، حيث لا يمكن الحصول على عينات للدراسة. العناصر الرئيسية التي قد تشكل اللب الخارجي لكوكبنا هي الحديد والنيكل. توصل العلماء إلى هذه الفرضية نتيجة لتحليل تركيبة النيازك، حيث أن المتجولين من الفضاء هم شظايا من نوى الكويكبات والكواكب الأخرى.

ومع ذلك، لا يمكن اعتبار النيازك متطابقة تمامًا في التركيب الكيميائي، لأن الأجسام الكونية الأصلية كانت أصغر بكثير من حجم الأرض. وبعد الكثير من الأبحاث، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن الجزء السائل من المادة النووية مخفف بدرجة كبيرة مع عناصر أخرى، بما في ذلك الكبريت. وهذا ما يفسر كثافته الأقل من كثافة سبائك الحديد والنيكل.

ماذا يحدث في النواة الخارجية للكوكب؟

السطح الخارجي للنواة عند الحدود مع الوشاح غير متجانس. يشير العلماء إلى أن سمكها مختلف، مما يشكل نوعًا من الراحة الداخلية. ويفسر ذلك الخلط المستمر للمواد العميقة غير المتجانسة. وهي تختلف في التركيب الكيميائي ولها أيضًا كثافات مختلفة، وبالتالي فإن سمك الحدود بين اللب والوشاح يمكن أن يتراوح من 150 إلى 350 كم.

وصف كتاب الخيال العلمي في السنوات السابقة في أعمالهم رحلة إلى مركز الأرض عبر الكهوف العميقة والممرات تحت الأرض. هل هذا ممكن حقا؟ للأسف، الضغط على سطح النواة يتجاوز 113 مليون ضغط جوي. وهذا يعني أن أي كهف كان سيُغلق بإحكام حتى في مرحلة الاقتراب من الوشاح. وهذا ما يفسر عدم وجود كهوف على كوكبنا أعمق من كيلومتر واحد على الأقل.

كيف تدرس الطبقة الخارجية للنواة؟

يمكن للعلماء الحكم على شكل اللب ومما يتكون من خلال مراقبة النشاط الزلزالي. على سبيل المثال، وجد أن الطبقات الخارجية والداخلية تدور في اتجاهات مختلفة تحت تأثير المجال المغناطيسي. يخفي قلب الأرض العشرات من الألغاز الأخرى التي لم يتم حلها وينتظر اكتشافات أساسية جديدة.