چرا هسته زمین میلیارد‌ها سال مثل خورشید داغ مانده است؟

زمین ما بی‌شباهت به پیاز نیست؛ لایه‌لایه. از بالا به پایین، پوسته را داریم که شامل سطحی می‌شود که روی آن راه می‌روید؛ سپس به گوشته می‌رسیم که غالباً از سنگ‌های جامد پر شده و در عمقی بسیار بیشتر به هسته بیرونی می‌رسیم که آهن مذاب آن را شکل داده و سرانجام، هسته درونی: از جنس آهن جامد و شعاعی برابر با ۷۰درصد شعاع ماه. هرچه پایین‌تر بروید، محیط گرم‌تر می‌شود و بخش‌هایی از هسته به گرمی سطح خورشید هستند.

«شیچون هوانگ» (Shichun Huang)، استاد علوم زمین و سیاره‌ای در دانشگاه تنسی ناکسویل، به مطالعه درون دنیای ما مشغول است. درست مانند یک پزشک که می‌تواند با تکنیک سونوگرافی تصاویری از اعضای درون بدن ما، با استفاده از امواج فراصوت تهیه کند، دانشمندان از تکنیکی مشابه برای تصویربرداری از ساختار درون زمین بهره می‌برند. اما به‌جای امواج فراصوت، زمین‌شناسان از امواج لرزه‌ای استفاده می‌کنند؛ امواج صدایی که زلزله‌ها تولید می‌کنند.

لرزه‌ها چیز‌هایی را که در زیر خاک، شن، علف‌ها و آسفالت سطح زمین هستند، آشکار می‌کنند: سنگ‌های بزرگ و کوچک. تمام این‌ها بخشی از پوسته هستند که می‌تواند تا ۳۰ کیلومتر عمق داشته باشد؛ پوسته روی لایه گوشته شناور است.

بخش بالایی پوسته معمولاً با پوسته حرکت می‌کند. این دو با هم لیتوسفر نامیده می‌شوند که عمق میانگینش حدوداً ۱۰۰ کیلومتر است، گرچه در برخی نقاط می‌تواند ضخیم‌تر باشد. لیتوسفر به چند تکه بزرگ به‌نام صفحه تقسیم شده است. برای مثال، صفحه آرام زیر اقیانوس آرام قرار دارد و صفحه آمریکای شمالی بیشتر بخش‌های آمریکای شمالی را دربر دارد. صفحه‌ها مانند قطعه‌های یک پازل هستند که به‌طور تقریبی با هم جور می‌شوند و سطح زمین را می‌پوشانند.

صفحه‌ها ایستا نیستند و حرکت می‌کنند. گاهی اوقات کمتر از یک سانتی‌متر در عرض چند سال. گاهی حرکات بیشتر و ناگهانی‌تر هستند. این نوع حرکت است که باعث زمین‌لرزه و فوران‌های آتشفشانی می‌شود.

علاوه‌براین، حرکت صفحه‌ای یک عامل مهم و شاید ضروری در راندن تکامل حیات روی زمین است؛ زیرا صفحات متحرک محیط‌زیست را تغییر می‌دهند و حیات را وادار می‌کنند خود را با شرایط جدید تطبیق دهد.

حضور گرما

حرکت صفحه‌ای نیازمند یک گوشته داغ است. هرچقدر به عمق بیشتری از زمین بروید، دما افزایش می‌یابد. در کف صفحات، عمق حدوداً ۱۰۰ کیلومتری، دما تقریباً ۱٬۳۰۰ درجه سلسیوس است. وقتی به مرز بین گوشته و هسته بیرونی در عمق ۲٬۹۰۰ کیلومتری برسید، دما نزدیک ۲٬۷۰۰ درجه سلسیوس خواهد بود.

سپس در مرز بین هسته‌های بیرونی و درونی، دما دو برابر می‌شود و به ۶٬۰۰۰ درجه سلسیوس می‌رسد. این دمایی است که با سطح خورشید برابری می‌کند. در این دما تقریباً همه چیز - فلزات، الماس‌ها، انسان‌ها - تبخیر می‌شوند. اما از آنجا که هسته در فشار بسیار زیادی درون زمین محبوس است، آهن همچنان مایع یا جامد باقی می‌ماند.

این همه گرما از کجا می‌آید؟

منشأ این گرما خورشید نیست. با این که خورشید ما و تمام حیوانات و گیاهان سطح زمین را گرم می‌کند، نور آن نمی‌تواند کیلومتر‌ها درون زمین نفوذ کند. دو منبع دیگر وجود دارد. یکی گرمایی است که زمین هنگام شکل‌گیری خود در ۴٫۵ میلیارد سال قبل به ارث برد. زمین از یک ابر خورشیدی، یک ابر گازی بسیار بزرگ، در میان برخورد‌ها و ترکیب تکه‌های سنگ و آوار، که خرده‌سیاره نامیده می‌شوند، متولد شد. این فرایند ده‌ها میلیارد سال طول کشید.

گرمایی بسیار زیاد که برای ذوب‌کردن کل سیاره زمین کافیست، در این برخورد‌ها تولید شد. با این که مقداری از این گرما وارد فضا شد، باقی آن در داخل زمین حبس گشت و تا به امروز در آن باقی مانده است.

منبع دیگر گرما: انحلال ایزوتوپ‌های رادیواکتیو که در تمام زمین توزیع شده‌اند. برای فهم این موضوع، ابتدا عنصر را به‌صورت یک خانواده و ایزوتوپ‌های آن را به عنوان اعضای آن درنظر بگیرید. هر اتم یک عنصر تعداد پروتن یکسان دارد، اما تعداد نوترون‌های ایزوتوپ‌ها متفاوت است.

خرده سیارات

زمین از برخورد خرده‌سیارات در ابتدای شکل‌گیری منظومه شمسی تشکیل شده است. گرمای حاصل از برخورد این خرده‌سیارات در دل زمین حبس شده و یکی از منابع گرمای هسته زمین است. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو پایدار نیستند. آن‌ها یک جریان ثابت انرژی آزاد می‌کنند که به گرما تبدیل می‌شود. پتاسیم-۴۰، توریم-۲۳۲، اورانیم-۲۳۵ و اورانیم-۲۳۸ چهار ایزوتوپ رادیواکتیو هستند که درون زمین را گرم نگه می‌دارند.

شاید برخی از این نام‌ها برای شما آشنا باشند. برای مثال، اورانیم-۲۳۵ به‌عنوان سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شود. زمین در خطر از دست‌دادن این منبع گرما نیست: با این که بیشتر اورانیم-۲۳۵ و پتاسیم-۴۰ آغازین زمین از بین رفته‌اند، توریم-۲۳۲ و اورانیم-۲۳۸ کافی برای میلیارد‌ها سال باقی مانده است. ایزوتوپ‌های منشأ انرژی در کنار هسته و گوشته گرمای لازم برای حرکت صفحات را فراهم می‌کنند.

نه گرما، نه حرکت صفحه‌ای، نه حیات

حتی الان نیز حرکت صفحات سطح زمین را تغییر می‌دهد و دائماً زمین‌ها و اقیانوس‌های جدیدی را در میلیون‌ها و میلیارد‌ها سال به‌وجود می‌آورد. این صفحات در مقیاس‌های زمانی بسیار طولانی، اتمسفر را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهند. اما بدون گرمای درونی زمین، صفحات حرکت نمی‌کردند. زمین خنک می‌شد. دنیای ما به احتمال زیاد غیرقابل سکونت می‌گشت و شما اینجا نبودید. بار بعد که زمین را زیر پای خود احساس کردید به این فکر کنید.

منبع: دیجیاتو