مطالعه‌ای تازه نشان می‌دهد هسته‌ی زمین ممکن است مانند پیاز، لایه‌لایه باشد

امواج لرزه‌ای که از هسته‌ی درونی زمین عبور می‌کنند، تاکنون اطلاعات زیادی درباره‌ی مرکز آهنی سیاره‌ی ما آشکار کرده‌اند: این‌که شکل آن در حال تغییر است، جهت چرخشش گاهی معکوس می‌شود، بافتی عجیب دارد و حتی شامل حالتی غیرمعمول از ماده است.

به‌گزارش انتخاب و به نقل از sciencealert؛ اکنون یک پژوهش جدید که به دنبال توضیح داده‌های غیرعادی بوده، نشان می‌دهد هسته‌ی زمین شاید ساختاری لایه‌لایه، شبیه به پیاز، داشته باشد.

دانشمندان آلمانی در این مطالعه به‌طور مشخص بر مسئله‌ی «ناهمسانگردی لرزه‌ای» تمرکز کردند؛ یعنی تغییرات سرعت امواج لرزه‌ای که هنگام برخورد با هسته‌ی درونی، بسته به جهت حرکتشان، متفاوت می‌شود.

کارمن سانچس-واله، کانی‌شناس دانشگاه مونستر، می‌گوید:

«فرضیه‌های متعددی برای منشأ این ناهمسانگردی‌ها مطرح شده است. ما تصمیم گرفتیم اثر هم‌زمان سیلیکون و کربن را بر رفتار تغییرشکل آهن بررسی کنیم.»

برای فهمیدن آنچه واقعاً در هسته‌ی زمین رخ می‌دهد، پژوهشگران آزمایش کردند که این عناصر کلیدی هسته‌ی درونی چگونه ممکن است تحت فشارها و دماهای بسیار بالا — تا ۸۲۰ درجه‌ی سانتی‌گراد — با یکدیگر برهم‌کنش داشته باشند.

این سامانه‌ی آزمایشی شامل یک محفظه‌ی خلأ و یک سلول سندانی الماسی با دمای بسیار بالا است. رنگ نارنجی سلول ناشی از نوری است که در دماهای بالا گسیل می‌کند. (Carmen Sánchez-Valle)

پژوهشگران با استفاده از پراش پرتو ایکس، ویژگی‌ای به نام «جهت‌گیری ترجیحی شبکه‌ی بلوری» (Lattice-Preferred Orientation یا LPO) را بررسی کردند؛ مفهومی که توضیح می‌دهد بلورها درون جامدات چگونه در پاسخ به الگوهای حرارتی هم‌راستا می‌شوند.

پیش از این، داده‌های قابل‌اعتمادی درباره‌ی این‌که LPO آهن در صورت آلیاژ شدن با سیلیکون و کربن چه شکلی پیدا می‌کند، در دسترس نبود.

از آن‌جا که LPO می‌تواند بر نحوه‌ی انتقال امواج صوتی در فلزاتی مانند آهن اثر بگذارد، مدت‌ها تصور می‌شد که همین عامل می‌تواند ناهمسانگردی لرزه‌ای را توضیح دهد. در این مطالعه، این فرضیه در کوچک‌ترین مقیاس ممکن آزموده شد؛ آلیاژها در محفظه‌هایی فوق‌العاده ریز قرار گرفتند، تحت فشار شدید فشرده شدند و تا دماهای بسیار بالا گرم شدند.

سانچس-واله توضیح می‌دهد:

«الگوهای پراش پس از آزمایش تحلیل شدند تا ویژگی‌های پلاستیکی — به‌ویژه استحکام تسلیم و ویسکوزیته — آلیاژهای آهن–سیلیکون–کربن به دست آید. سپس این داده‌ها با مدل‌های نظری ترکیب شد تا بتوان آن‌ها را به شرایط واقعی هسته‌ی درونی زمین تعمیم داد.»

اندازه‌گیری سرعت امواج

تغییرات پیش‌بینی‌شده در سرعت امواج در آلیاژهای آهن–سیلیکون–کربن تحت شرایط هسته، با داده‌های ثبت‌شده‌ی میدانی هم‌خوانی داشت. 

نتایج نشان داد که افزودن سیلیکون و کربن — در مقایسه با آهن خالص — واقعاً آرایش شبکه‌ی بلوری آلیاژ آهن را تغییر می‌دهد.

این تفاوت‌ها در سرعت امواج لرزه‌ای با ناهنجاری‌هایی که در بخش بیرونی هسته‌ی درونی مشاهده می‌شود، تطابق دارد.

این یافته‌ها شواهد بیشتری فراهم می‌کند که هسته‌ی درونی زمین در واقع از چندین لایه تشکیل شده است؛ دستاوردی چشمگیر برای مطالعه‌ی ساختاری که بیش از ۵ هزار کیلومتر زیر پای ما، در زیر لایه‌هایی از سنگ و فلز مایع، پنهان شده است.

به باور پژوهشگران، بخش مرکزی هسته‌ی درونی ممکن است سیلیکون و کربن کمی داشته باشد و در نتیجه ناهمسانگردی لرزه‌ای شدیدی نشان دهد؛ «در حالی‌که افزایش غلظت عناصر سبک آلیاژی در لایه‌های بیرونی هسته‌ی درونی باعث کاهش این ناهمسانگردی می‌شود.»

زمین‌شناسان به‌تدریج در حال رمزگشایی از پیچیدگی‌های اعماق زمین هستند؛ عمدتاً با اندازه‌گیری مسیر حرکت امواج لرزه‌ای و بازسازی شرایط هسته‌ی درونی و بیرونی در آزمایشگاه.

این کار دقیق مستلزم یافتن ناهماهنگی‌ها، ارائه‌ی توضیح‌های ممکن و سپس آزمودن آن‌هاست — کاری که تیم این پژوهش توانست با موفقیت انجام دهد.

پژوهشگران در جمع‌بندی می‌نویسند:

«الگوی ناهمسانگردی وابسته به عمق که در هسته‌ی درونی زمین مشاهده می‌شود، ممکن است حاصل لایه‌بندی شیمیایی سیلیکون و کربن پس از تبلور هسته باشد.»