تويت
قد يؤدي تصلب اللب الداخلي للأرض إلى تقوية المجال المغناطيسي لها. يشير بحث جديد إلى أن عمر اللب الداخلي للأرض يبلغ مليار عام فقط.
تشبه الأرض حديثًا الكعك في طبقاتها، بقشرة خارجية صلبة ودرجة حرارة مرتفعة ومعادن مائعة ولب خارجي سائل ولب داخلي صلب. ينمو اللب الداخلي ببطء حيث يبرد الحديد السائل في اللب ويتبلور. تتسبب هذه العملية في نشأة الحركة المتلاطمة للب الخارجي السائل التي بدورها تخلق المجال المغناطيسي الذي يحيط بالكرة الأرضية والذي يحمي الأرض من الأشعة الكونية الضارة. بمعنى آخر للب الأرض أهمية عظيمة.
ولكن لا نعلم الكثير عن تاريخ اللب الحديدي الذي يبلغ قطره 2,442 كيلومتر، ويُقدر عمر ما بين نصف مليار إلى أكثر من 4 مليارات عام، بينما يبلغ عمر الأرض نفسها ما يقرب من 4.5 مليار عام.
حديثًا، ضغط العلماء قطعة صغيرة من الحديد بين ألماستين وأطلق عليها أشعة الليزر، وأدت تلك التجربة في نهاية الأمر للوصول إلى افتراض جديد لعمر اللب يتراوح ما بين مليار إلى 1.3 مليار عام، وهو نطاق يتزامن مع زيادةٍ قابلةٍ للقياس في المجال المغناطيسي للأرض حدثت في نفس الفترة.
يقول المؤلف المشارك في الدراسة، جون فون لاين عالم الجيولوجيا بجامعة تكساس:«تعد الأرض فريدة في نظامنا الشمسي بمجالها المغناطيسي الفريد وصلاحيتها للسكن»، ويمكن استخدام نتائجنا لمعرفة السبب الكامن وراء عدم احتواء بعض كواكب المجموعة الشمسية على غلاف مغناطيسي.
الجيودينامو
ينشأ المجال المغناطيسي للأرض بواسطة ما يطلق عليه العلماء “الجيودينامو”، وهي حركة اللب الخارجي الغني بالحديد، الذي بدوره يحول الكوكب إلى مغناطيس عملاق فوضوي نوعًا ما. الجيودينامو مسؤولة عن أقطاب الأرض المغناطيسية شمالًا وجنوبًا والدرع المغناطيسي غير المرئي المسؤول عن حماية الأرض من الجسيمات المشحونة المتدفقة من الشمس، ولولاه فإن تلك الجسيمات ستدمر الغلاف الجوي للأرض ببطء.
وفقًا لما قاله لاين: «ينشأ جزء من حركة اللب الداخلي بواسطة الحرارة، والمعروفة باسم مصدر الطاقة الحرارية. عندما تبرد نواة الأرض تدريجيًا تتبلور من الداخل إلى الخارج. تلك العملية التبلورية تطلق طاقة يمكنها أن تعمل على زيادة حركة اللب الخارجي السائل. تلك الطاقة الناشئة من التبلور تعرف كمصدر الطاقة التركيبية للجيودينامو».
أراد لاين ورفاقه استخدام الدلائل التجريبية لتحديد الطاقة من كل تلك المصادر؛ فمعرفة كمية الطاقة سوف تسمح لهم بتقدير عمر اللب الداخلي للأرض.
لفعل ذلك أنشأ الباحثون ظروفًا مشابهةً للب الداخلي للأرض ولكن على مقاييس صغيرة، وذلك بتسخين قطعة من الحديد بسماكة 6 ميكرون فقط -أي بطول خلية الدم الحمراء تقريبًا- لدرجة تصل إلى 2,727 درجة سيليزية، وضغطوا العينة بين قطعتين من الماس لتطبيق الضغوط القصوى في لب الأرض، ثم قاسوا موصلية الحديد في تلك الظروف.
نواة شابة
سمح قياس تلك الموصلية للباحثين بحساب التبريد الحراري للب الذي يتيح نشأة الجيودينامو. وقد وجدوا أن الجيودينامو استهلكت ما يصل إلى 10 تيرا واط من الطاقة الناتجة عن التبريد. أي ما يزيد عن خُمس كمية الحرارة التي تشتتها الأرض إلى الفضاء الخارجي من سطحها.
وفقًا لما قاله لاين: «حسبنا مقدار فقد الطاقة، بحيث يمكننا حساب عمر اللب الداخلي للأرض من معدل فقد الطاقة، إذ استطاع الباحثون حساب المدة التي سوف تُستغرق للحصول على كتلة صلبة بحجم اللب الحالي من سائل الحديد المنصهر. وكانت النتائج النهائية ما بين مليار إلى 1.3 مليار سنة. إنها حقًا نواة يافعة وصغيرة نسبيًا.
لا يعد ذلك التقدير قليلًا مقارنةً بالتقديرات الأخرى، فعلى سبيل المثال نُشرت ورقة بحثية في 2016 في مجلة Nature، استخدمت أساليب مماثلة ولكن أفصحت النتائج النهائية عن أن عمر اللب كان 700 مليون عام فقط. إن التجربة الجديدة استخدمت طرقًا أكثر موثوقية في معالجة درجات الحرارة والضغوطات المتولدة في اللب ما يجعل هذا التقدير الصغير لعمر اللب غير مرجح».
وجدت دراسة أخرى عام 2015 أن الصخور المغناطيسية القديمة قد كشفت عن تعزيز الحقل المغناطيسي فجأة ما بين مليار إلى 1.5 مليار سنة.
يقول لاين:«إن الاكتشاف الجديد يتماشى مع تلك الدراسة، إذ إن تبلور اللب الداخلي كان من شأنه أن يوفر دفعات قوية لتعزيز المجال المغناطيسي».
وأوضح أيضًا: «ما زال هناك بعض التساؤلات عن الطريقة التي تتحرك بها الحرارة في اللب، إذ إنها لن تشبه العينة التي اختبرت، فاللب ليس حديدًا فقط بل يحتوي على الكربون والهيدروجين والأكسجين والسيليكون والكبريت. لكن نسب تلك العناصر الخفيفة غير معروفة ما يجعل من الصعب توقع التغيرات التي تطرأ على موصلية اللب الداخلي. وهذا ما نعمل عليه مع الفريق».
وأضاف: «نحن نحاول فهم كيف يمكن لوجود تلك العناصر وإن كانت بنسب خفيفة أن تؤثر فعليًا على خصائص النقل الحراري للحديد في مثل تلك الظروف من المستويات المرتفعة من الضغط والحرارة».
تشبه الأرض حديثًا الكعك في طبقاتها، بقشرة خارجية صلبة ودرجة حرارة مرتفعة ومعادن مائعة ولب خارجي سائل ولب داخلي صلب. ينمو اللب الداخلي ببطء حيث يبرد الحديد السائل في اللب ويتبلور. تتسبب هذه العملية في نشأة الحركة المتلاطمة للب الخارجي السائل التي بدورها تخلق المجال المغناطيسي الذي يحيط بالكرة الأرضية والذي يحمي الأرض من الأشعة الكونية الضارة. بمعنى آخر للب الأرض أهمية عظيمة.
ولكن لا نعلم الكثير عن تاريخ اللب الحديدي الذي يبلغ قطره 2,442 كيلومتر، ويُقدر عمر ما بين نصف مليار إلى أكثر من 4 مليارات عام، بينما يبلغ عمر الأرض نفسها ما يقرب من 4.5 مليار عام.
حديثًا، ضغط العلماء قطعة صغيرة من الحديد بين ألماستين وأطلق عليها أشعة الليزر، وأدت تلك التجربة في نهاية الأمر للوصول إلى افتراض جديد لعمر اللب يتراوح ما بين مليار إلى 1.3 مليار عام، وهو نطاق يتزامن مع زيادةٍ قابلةٍ للقياس في المجال المغناطيسي للأرض حدثت في نفس الفترة.
يقول المؤلف المشارك في الدراسة، جون فون لاين عالم الجيولوجيا بجامعة تكساس:«تعد الأرض فريدة في نظامنا الشمسي بمجالها المغناطيسي الفريد وصلاحيتها للسكن»، ويمكن استخدام نتائجنا لمعرفة السبب الكامن وراء عدم احتواء بعض كواكب المجموعة الشمسية على غلاف مغناطيسي.
الجيودينامو
ينشأ المجال المغناطيسي للأرض بواسطة ما يطلق عليه العلماء “الجيودينامو”، وهي حركة اللب الخارجي الغني بالحديد، الذي بدوره يحول الكوكب إلى مغناطيس عملاق فوضوي نوعًا ما. الجيودينامو مسؤولة عن أقطاب الأرض المغناطيسية شمالًا وجنوبًا والدرع المغناطيسي غير المرئي المسؤول عن حماية الأرض من الجسيمات المشحونة المتدفقة من الشمس، ولولاه فإن تلك الجسيمات ستدمر الغلاف الجوي للأرض ببطء.
وفقًا لما قاله لاين: «ينشأ جزء من حركة اللب الداخلي بواسطة الحرارة، والمعروفة باسم مصدر الطاقة الحرارية. عندما تبرد نواة الأرض تدريجيًا تتبلور من الداخل إلى الخارج. تلك العملية التبلورية تطلق طاقة يمكنها أن تعمل على زيادة حركة اللب الخارجي السائل. تلك الطاقة الناشئة من التبلور تعرف كمصدر الطاقة التركيبية للجيودينامو».
أراد لاين ورفاقه استخدام الدلائل التجريبية لتحديد الطاقة من كل تلك المصادر؛ فمعرفة كمية الطاقة سوف تسمح لهم بتقدير عمر اللب الداخلي للأرض.
لفعل ذلك أنشأ الباحثون ظروفًا مشابهةً للب الداخلي للأرض ولكن على مقاييس صغيرة، وذلك بتسخين قطعة من الحديد بسماكة 6 ميكرون فقط -أي بطول خلية الدم الحمراء تقريبًا- لدرجة تصل إلى 2,727 درجة سيليزية، وضغطوا العينة بين قطعتين من الماس لتطبيق الضغوط القصوى في لب الأرض، ثم قاسوا موصلية الحديد في تلك الظروف.
نواة شابة
سمح قياس تلك الموصلية للباحثين بحساب التبريد الحراري للب الذي يتيح نشأة الجيودينامو. وقد وجدوا أن الجيودينامو استهلكت ما يصل إلى 10 تيرا واط من الطاقة الناتجة عن التبريد. أي ما يزيد عن خُمس كمية الحرارة التي تشتتها الأرض إلى الفضاء الخارجي من سطحها.
وفقًا لما قاله لاين: «حسبنا مقدار فقد الطاقة، بحيث يمكننا حساب عمر اللب الداخلي للأرض من معدل فقد الطاقة، إذ استطاع الباحثون حساب المدة التي سوف تُستغرق للحصول على كتلة صلبة بحجم اللب الحالي من سائل الحديد المنصهر. وكانت النتائج النهائية ما بين مليار إلى 1.3 مليار سنة. إنها حقًا نواة يافعة وصغيرة نسبيًا.
لا يعد ذلك التقدير قليلًا مقارنةً بالتقديرات الأخرى، فعلى سبيل المثال نُشرت ورقة بحثية في 2016 في مجلة Nature، استخدمت أساليب مماثلة ولكن أفصحت النتائج النهائية عن أن عمر اللب كان 700 مليون عام فقط. إن التجربة الجديدة استخدمت طرقًا أكثر موثوقية في معالجة درجات الحرارة والضغوطات المتولدة في اللب ما يجعل هذا التقدير الصغير لعمر اللب غير مرجح».
وجدت دراسة أخرى عام 2015 أن الصخور المغناطيسية القديمة قد كشفت عن تعزيز الحقل المغناطيسي فجأة ما بين مليار إلى 1.5 مليار سنة.
يقول لاين:«إن الاكتشاف الجديد يتماشى مع تلك الدراسة، إذ إن تبلور اللب الداخلي كان من شأنه أن يوفر دفعات قوية لتعزيز المجال المغناطيسي».
وأوضح أيضًا: «ما زال هناك بعض التساؤلات عن الطريقة التي تتحرك بها الحرارة في اللب، إذ إنها لن تشبه العينة التي اختبرت، فاللب ليس حديدًا فقط بل يحتوي على الكربون والهيدروجين والأكسجين والسيليكون والكبريت. لكن نسب تلك العناصر الخفيفة غير معروفة ما يجعل من الصعب توقع التغيرات التي تطرأ على موصلية اللب الداخلي. وهذا ما نعمل عليه مع الفريق».
وأضاف: «نحن نحاول فهم كيف يمكن لوجود تلك العناصر وإن كانت بنسب خفيفة أن تؤثر فعليًا على خصائص النقل الحراري للحديد في مثل تلك الظروف من المستويات المرتفعة من الضغط والحرارة».