تويت
يعمل العلماء بجهد لتحديد إلى متى سيدوم لب الأرض. بداية من تحريك الصفائح التكتونية إلى إبقائنا آمنين من الإشعاع الشمسيّ؛ فإن لب الأرض لا يُعد مثيرًا للاهتمام وفقط، بل يُعد أساسيًا للحياة على الأرض، ولكن لكم من الوقت سيبقى اللب ساخنًا؟
ما مدى حرارة لب الأرض ؟
يعتقد الخبراء أن لب الأرض أسخن من سطح الشمس إذ تتعدى حرارته 10000 درجة مئوية.
كيف وصل لهذه الحرارة؟
إحدى النظريات تقترح أن قبل نحو 4.5 مليارات عام، تكوّن نظامنا الشمسي من سحابة من جزيئات الغبار الباردة، اضطربت هذه الجزيئات بطريقة ما وبدأت بالانهيار، إذ سحبت الجاذبية كل شيء مُشكّلة قرصًا هائلًا يدور.
تراكم مركز القرص مُشكلًا الشمس، وفي طرفه تحولت الجسيمات إلى كرات ملتهبة من الغاز والسوائل الذائبة التي بردت وتكثّفت لتتخذ هيئة صلبة.
في نفس الوقت، كان سطح الكوكب المتشكل حديثًا تحت قصفٍ مستمر من الأجسام الكبيرة التي ترتطم بالكوكب، منتجةً حرارةً عالية في داخله، ما أذاب الغبار الكونيّ الموجود هناك.
عندما تشكلت الأرض كانت كرةً منتظمة مكونة من الصخور الساخنة، وأدى الاضمحلال المشع وبقايا الحرارة من تكوّن الكوكب إلى جعل هذه الكرة أكثر سخونة.
وفي النهاية وبعد نحو 500 مليون عام وصلت درجة حرارة الأرض إلى نقطة ذوبان الحديد، نحو 1538 درجة مئوية، ما سمح لمادة الأرض الصخرية الذائبة بالتحرك بسرعة أكبر.
المواد القادرة على العوم نسبيًا كالمعادن السيليكية والماء وحتى الهواء بقيت قريبة من سطح الكوكب وأصبحت القشرة والغطاء البدائيين، أما الحديد النيكل ومعادن ثقيلة أخرى جُذبت نحو مركز الأرض مشكلةً اللب البدائي، تسمى هذه العملية بالتفريق الكوكبي.
بعكس القشرة والغطاء الغنيين بالمواد المعدنية، يُعتقد أن اللب مكون من المعادن بصورة شبه تامة بالتحديد من الحديد والنيكل.
بينما يُعتقد أن اللب الداخلي كرة صلبة يبلغ نصف قطرها نحو 1220 كم، وحرارة سطحها تساوي 5430 مئوية، يُعتقد أن اللب الخارجي طبقة سائلة بسمك يُقارب 2400 كم وتبدأ حرارتها من 2730 مئوية إلى 7730 مئوية.
ويُعتقد أن سخونة اللب ناتجة عن اضمحلال العناصر المشعة، وبقايا الحرارة من تكون الكوكب، والحرارة المنبعثة من تصلّب اللب الخارجي عند حدوده مع اللب الداخلي.
إذن فاللب ساخنٌ جدًا، ولكن إلى متى سيبقى ساخنًا؟
يزعم العلماء في جامعة ماريلاند أنه يمكنهم الإجابة على هذا السؤال في غضون السنوات الأربع القادمة.
قيادة حركة صفائح الأرض التكتونية وتشغيل حقلها المغناطيسي يتطلب كمًا هائلًا من القوة، تنبُع تلك الطاقة من مركز الأرض، ولكن العلماء متيقنون أن اللب يبرد ببطء.
ما الذي يجعل مركز الأرض ساخنًا؟
الذي حافظ على سخونة مركز الأرض هما مصدران للوقود: بقايا الطاقة الأولية من تكون الكوكب والطاقة النووية التي توجد بسبب الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي.
تكوّنت الأرض في وقت كان النظام الشمسي فيه يعجّ بالطاقة.
في بدايته كانت النيازك تقصف باستمرار الكوكب الذي يتكوّن منتجةً كميات مفرطة من قوة الاحتكاك، خلالها كانت النشاطات البركانية منتشرة في الأرض.
إلى متى ستدوم حرارة لب الأرض ؟
منذ البداية برد الكوكب برودًا شديدًا، ولكن بقيت بعض الحرارة من تَكوّن الأرض، مع أن الحرارة الأولية تبددت تبددًا كبيرًا، إلا أن شكلًا آخر من الحرارة ما زال يُدفئ غطاء وقشرة الأرض.
توجد المواد المشعة الطبيعية بكميات كبيرة في أعماق الأرض والبعض الأخر منها يوجد حول القشرة.
إذ تنبعث الحرارة في أثناء عملية اضمحلال المواد المشعة طبيعيًا، ويعلم العلماء أن الحرارة تتدفق من باطن الأرض إلى الفضاء بمعدل يقارب 44 تيرا واط، ولكنهم يجهلون كمية الحرارة البدائيّة.
المشكلة هنا إذا كانت حرارة الأرض في الغالب بدائية، فستبرد أسرع بكثير، ولكن إذا كانت تنشأ معظم الحرارة نتيجة الاضمحلال المشع، فيرجح استمرار حرارة الأرض لمدة أطول بكثير.
بينما يبدو هذا نذيرًا بالخطر، فإن بعض التقديرات لبرودة لب الأرض ترى أنه سيدوم لعشرات المليارات من السنين،ما قد يصل إلى 91 مليار سنة.
ومن المرجح موت الشمس قبل اللب بوقت كثير قد يصل لـ 5 مليارات عام تقريبًا.
لم درجة حرارة لب الأرض مهمة؟
يحافظ لب الأرض على استقرار درجة حرارتها، والأهم من ذلك يحافظ على مجالها المغناطيسي.
ينشأ حقل الأرض المغناطيسي بواسطة حركة اللب الخارجي المكون من المعادن المنصهرة، إذ يمتد إلى الفضاء ويمسك الجسيمات المشحونة التي تُجمع غالبًا من الرياح الشمسية.
تخلق الحقول حاجزًا لا يُخرق من الفضاء، إذ يمنع أسرع وأكثر الإلكترونات طاقةً من الوصول إلى الأرض. تعرف الحقول بأحزمة فان ألين، وهي ما يسمح للحياة بالازدهار على الأرض.
دون درع المجال المغناطيسي، ستجرد الرياح الشمسية غلاف الأرض الجوي من طبقة الأوزون التي تحمي الحياة من إشعاعات الضوء فوق البنفسجي الضارة.
تصد مجموعة الجسيمات المشحونة الرياح الشمسية وتعكسها مانعةً إياها من تجريد الأرض من غلافها الجوي، فبدونه، سيكون كوكبنا قاحلًا وخاليًا من الحياة.
يُعتقد أن المريخ امتلك سابقًا حزام فان ألين حماه من رياح الشمس القاتلة، وبعد أن برد اللب؛ خسر درعه وأصبح الآن أرضًا مهجورة.
لكم من الوقت سيدوم وقود الأرض؟
حاليًا، يمكن للكثير من النماذج العلمية تقدير كمية الوقود المتبقية لتشغيل محركات الأرض.
ولكن النتائج تختلف اختلافًا كبيرًا ما يصعّب تحديد استنتاج نهائي.
في هذه اللحظة من غير المعروف كم تبقى من الطاقة الأولية والمشعة.
قال أحد مؤلفي الدراسة وليام ماكدونو، أستاذ الجيولوجيا في جامعة ميريلاند: «أنا أحد العلماء الذين صنعوا نموذجا تركيبيًا للأرض وتنبؤوا بكمية الوقود المتبقية داخل الأرض اليوم، نحن في حقل تخمينات. في هذه النقطة في مسيرتي المهنية لا يهمني إن كنت على صواب أم لا أنا فقط أريد أن أعرف الإجابة».
يعتقد الباحثون أن مع تقدم التكنولوجيا الحديثة، يمكن القيام بتقديرات أكثر دقة.
لمعرفة كم من الوقود النووي تبقى في الأرض، يستخدم الباحثون حساسات متقدمة لرصد بعض أصغر الجسيمات ما دون الذرية المعروفة للعلم جيونيوترينوات.
جزيئات الجيونيوترينوات منتجات ثانوية تنشأ من التفاعلات النووية التي تحصل في النجوم والمستعرات العظمى والثقوب السوداء والمفاعلات النووية.
رصد كم تبقى من الوقود
إن رصد جسيمات مضاد النيوترينو مهمة بالغة الصعوبة، إذ تُدفن أجهزة رصد هائلة بحجم مبنى مكتبي صغير تحت أكثر من كيلومتر واحد داخل قشرة الأرض، قد يبدو العمق مبالغا فيه؛ ولكنه ضروري لصنع درع يحمي من الأشعة الكونية التي قد تؤدي إلى نتائج مزيفة.
في أثناء عمله، يرصد الجهاز مضادات النيوترينو عندما تصطدم بذرات الهيدروجين داخل الجهاز، إذ يمكن رصد ومضتين ساطعتين بعد الاصطدام، ما يعلن إعلانًا قاطعًا عن الحدث، وعبر عد الاصطدامات يمكن للعلماء معرفة عدد ذرات اليورانيوم والثوريوم التي بقيت في كوكبنا.
للأسف يرصد جهازا كاملاند في اليابان وبوركسينو في إيطاليا نخو 16 حدثًا في السنة فقط، ما يجعل العملية بطيئة جدًا.
ولكن مع وجود ثلاث أجهزة رصد جديدة يتوق العلماء رصد 500 حدث إضافي كل سنة، إذ خُطط بدء العمل عام 2020 لجهاز رصد SNO+ في كندا وجين بينغ وجونو في الصين.
فور أن نجمع بيانات مضاد النيوترينو لثلاثة أعوام من الأجهزة الخمسة، فإنا واثقون من تطويرنا لمقياس وقود دقيق للأرض، إذ يُمكننا من حساب كمية الوقود المتبقية داخل الأرض.
وفقا لما قال ماكدونو: «إن جهاز الرصد الصيني جين بينغ أكبر بأربع مرات من كل أجهزة الرصد، لكن جهاز الرصد جونو سيكون أكبر بعشرين مرة من كل أجهزة الرصد الموجودة».
وأوضح: «ستخبرنا معرفة كمية الطاقة المشعة الموجودة في الأرض معدل استهلاك الأرض في الماضي وميزانية وقودها المستقبلية بمعرفة السرعة التي برد فيها الكوكب منذ ولادته، سيمكننا تقدير المدة التي سيدومها هذا الوقود».
عندما يبدأ جونو بالعمل في عام 2021 كما نأمل، ستساعد البيانات المجموعة العلماء على تقدير الوقت المتبقي ليبرد لب الأرض.
وحتى ذلك، تأكد أن التقديرات غالبًا ستتخطى مئات الملايين وحتى مليارات السنين في المستقبل؛ لذا فلا حاجة لوضع خطط الانتقال إلى كوكب جديد في أي وقت قريب.
ما مدى حرارة لب الأرض ؟
يعتقد الخبراء أن لب الأرض أسخن من سطح الشمس إذ تتعدى حرارته 10000 درجة مئوية.
كيف وصل لهذه الحرارة؟
إحدى النظريات تقترح أن قبل نحو 4.5 مليارات عام، تكوّن نظامنا الشمسي من سحابة من جزيئات الغبار الباردة، اضطربت هذه الجزيئات بطريقة ما وبدأت بالانهيار، إذ سحبت الجاذبية كل شيء مُشكّلة قرصًا هائلًا يدور.
تراكم مركز القرص مُشكلًا الشمس، وفي طرفه تحولت الجسيمات إلى كرات ملتهبة من الغاز والسوائل الذائبة التي بردت وتكثّفت لتتخذ هيئة صلبة.
في نفس الوقت، كان سطح الكوكب المتشكل حديثًا تحت قصفٍ مستمر من الأجسام الكبيرة التي ترتطم بالكوكب، منتجةً حرارةً عالية في داخله، ما أذاب الغبار الكونيّ الموجود هناك.
عندما تشكلت الأرض كانت كرةً منتظمة مكونة من الصخور الساخنة، وأدى الاضمحلال المشع وبقايا الحرارة من تكوّن الكوكب إلى جعل هذه الكرة أكثر سخونة.
وفي النهاية وبعد نحو 500 مليون عام وصلت درجة حرارة الأرض إلى نقطة ذوبان الحديد، نحو 1538 درجة مئوية، ما سمح لمادة الأرض الصخرية الذائبة بالتحرك بسرعة أكبر.
المواد القادرة على العوم نسبيًا كالمعادن السيليكية والماء وحتى الهواء بقيت قريبة من سطح الكوكب وأصبحت القشرة والغطاء البدائيين، أما الحديد النيكل ومعادن ثقيلة أخرى جُذبت نحو مركز الأرض مشكلةً اللب البدائي، تسمى هذه العملية بالتفريق الكوكبي.
بعكس القشرة والغطاء الغنيين بالمواد المعدنية، يُعتقد أن اللب مكون من المعادن بصورة شبه تامة بالتحديد من الحديد والنيكل.
بينما يُعتقد أن اللب الداخلي كرة صلبة يبلغ نصف قطرها نحو 1220 كم، وحرارة سطحها تساوي 5430 مئوية، يُعتقد أن اللب الخارجي طبقة سائلة بسمك يُقارب 2400 كم وتبدأ حرارتها من 2730 مئوية إلى 7730 مئوية.
ويُعتقد أن سخونة اللب ناتجة عن اضمحلال العناصر المشعة، وبقايا الحرارة من تكون الكوكب، والحرارة المنبعثة من تصلّب اللب الخارجي عند حدوده مع اللب الداخلي.
إذن فاللب ساخنٌ جدًا، ولكن إلى متى سيبقى ساخنًا؟
يزعم العلماء في جامعة ماريلاند أنه يمكنهم الإجابة على هذا السؤال في غضون السنوات الأربع القادمة.
قيادة حركة صفائح الأرض التكتونية وتشغيل حقلها المغناطيسي يتطلب كمًا هائلًا من القوة، تنبُع تلك الطاقة من مركز الأرض، ولكن العلماء متيقنون أن اللب يبرد ببطء.
ما الذي يجعل مركز الأرض ساخنًا؟
الذي حافظ على سخونة مركز الأرض هما مصدران للوقود: بقايا الطاقة الأولية من تكون الكوكب والطاقة النووية التي توجد بسبب الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي.
تكوّنت الأرض في وقت كان النظام الشمسي فيه يعجّ بالطاقة.
في بدايته كانت النيازك تقصف باستمرار الكوكب الذي يتكوّن منتجةً كميات مفرطة من قوة الاحتكاك، خلالها كانت النشاطات البركانية منتشرة في الأرض.
إلى متى ستدوم حرارة لب الأرض ؟
منذ البداية برد الكوكب برودًا شديدًا، ولكن بقيت بعض الحرارة من تَكوّن الأرض، مع أن الحرارة الأولية تبددت تبددًا كبيرًا، إلا أن شكلًا آخر من الحرارة ما زال يُدفئ غطاء وقشرة الأرض.
توجد المواد المشعة الطبيعية بكميات كبيرة في أعماق الأرض والبعض الأخر منها يوجد حول القشرة.
إذ تنبعث الحرارة في أثناء عملية اضمحلال المواد المشعة طبيعيًا، ويعلم العلماء أن الحرارة تتدفق من باطن الأرض إلى الفضاء بمعدل يقارب 44 تيرا واط، ولكنهم يجهلون كمية الحرارة البدائيّة.
المشكلة هنا إذا كانت حرارة الأرض في الغالب بدائية، فستبرد أسرع بكثير، ولكن إذا كانت تنشأ معظم الحرارة نتيجة الاضمحلال المشع، فيرجح استمرار حرارة الأرض لمدة أطول بكثير.
بينما يبدو هذا نذيرًا بالخطر، فإن بعض التقديرات لبرودة لب الأرض ترى أنه سيدوم لعشرات المليارات من السنين،ما قد يصل إلى 91 مليار سنة.
ومن المرجح موت الشمس قبل اللب بوقت كثير قد يصل لـ 5 مليارات عام تقريبًا.
لم درجة حرارة لب الأرض مهمة؟
يحافظ لب الأرض على استقرار درجة حرارتها، والأهم من ذلك يحافظ على مجالها المغناطيسي.
ينشأ حقل الأرض المغناطيسي بواسطة حركة اللب الخارجي المكون من المعادن المنصهرة، إذ يمتد إلى الفضاء ويمسك الجسيمات المشحونة التي تُجمع غالبًا من الرياح الشمسية.
تخلق الحقول حاجزًا لا يُخرق من الفضاء، إذ يمنع أسرع وأكثر الإلكترونات طاقةً من الوصول إلى الأرض. تعرف الحقول بأحزمة فان ألين، وهي ما يسمح للحياة بالازدهار على الأرض.
دون درع المجال المغناطيسي، ستجرد الرياح الشمسية غلاف الأرض الجوي من طبقة الأوزون التي تحمي الحياة من إشعاعات الضوء فوق البنفسجي الضارة.
تصد مجموعة الجسيمات المشحونة الرياح الشمسية وتعكسها مانعةً إياها من تجريد الأرض من غلافها الجوي، فبدونه، سيكون كوكبنا قاحلًا وخاليًا من الحياة.
يُعتقد أن المريخ امتلك سابقًا حزام فان ألين حماه من رياح الشمس القاتلة، وبعد أن برد اللب؛ خسر درعه وأصبح الآن أرضًا مهجورة.
لكم من الوقت سيدوم وقود الأرض؟
حاليًا، يمكن للكثير من النماذج العلمية تقدير كمية الوقود المتبقية لتشغيل محركات الأرض.
ولكن النتائج تختلف اختلافًا كبيرًا ما يصعّب تحديد استنتاج نهائي.
في هذه اللحظة من غير المعروف كم تبقى من الطاقة الأولية والمشعة.
قال أحد مؤلفي الدراسة وليام ماكدونو، أستاذ الجيولوجيا في جامعة ميريلاند: «أنا أحد العلماء الذين صنعوا نموذجا تركيبيًا للأرض وتنبؤوا بكمية الوقود المتبقية داخل الأرض اليوم، نحن في حقل تخمينات. في هذه النقطة في مسيرتي المهنية لا يهمني إن كنت على صواب أم لا أنا فقط أريد أن أعرف الإجابة».
يعتقد الباحثون أن مع تقدم التكنولوجيا الحديثة، يمكن القيام بتقديرات أكثر دقة.
لمعرفة كم من الوقود النووي تبقى في الأرض، يستخدم الباحثون حساسات متقدمة لرصد بعض أصغر الجسيمات ما دون الذرية المعروفة للعلم جيونيوترينوات.
جزيئات الجيونيوترينوات منتجات ثانوية تنشأ من التفاعلات النووية التي تحصل في النجوم والمستعرات العظمى والثقوب السوداء والمفاعلات النووية.
رصد كم تبقى من الوقود
إن رصد جسيمات مضاد النيوترينو مهمة بالغة الصعوبة، إذ تُدفن أجهزة رصد هائلة بحجم مبنى مكتبي صغير تحت أكثر من كيلومتر واحد داخل قشرة الأرض، قد يبدو العمق مبالغا فيه؛ ولكنه ضروري لصنع درع يحمي من الأشعة الكونية التي قد تؤدي إلى نتائج مزيفة.
في أثناء عمله، يرصد الجهاز مضادات النيوترينو عندما تصطدم بذرات الهيدروجين داخل الجهاز، إذ يمكن رصد ومضتين ساطعتين بعد الاصطدام، ما يعلن إعلانًا قاطعًا عن الحدث، وعبر عد الاصطدامات يمكن للعلماء معرفة عدد ذرات اليورانيوم والثوريوم التي بقيت في كوكبنا.
للأسف يرصد جهازا كاملاند في اليابان وبوركسينو في إيطاليا نخو 16 حدثًا في السنة فقط، ما يجعل العملية بطيئة جدًا.
ولكن مع وجود ثلاث أجهزة رصد جديدة يتوق العلماء رصد 500 حدث إضافي كل سنة، إذ خُطط بدء العمل عام 2020 لجهاز رصد SNO+ في كندا وجين بينغ وجونو في الصين.
فور أن نجمع بيانات مضاد النيوترينو لثلاثة أعوام من الأجهزة الخمسة، فإنا واثقون من تطويرنا لمقياس وقود دقيق للأرض، إذ يُمكننا من حساب كمية الوقود المتبقية داخل الأرض.
وفقا لما قال ماكدونو: «إن جهاز الرصد الصيني جين بينغ أكبر بأربع مرات من كل أجهزة الرصد، لكن جهاز الرصد جونو سيكون أكبر بعشرين مرة من كل أجهزة الرصد الموجودة».
وأوضح: «ستخبرنا معرفة كمية الطاقة المشعة الموجودة في الأرض معدل استهلاك الأرض في الماضي وميزانية وقودها المستقبلية بمعرفة السرعة التي برد فيها الكوكب منذ ولادته، سيمكننا تقدير المدة التي سيدومها هذا الوقود».
عندما يبدأ جونو بالعمل في عام 2021 كما نأمل، ستساعد البيانات المجموعة العلماء على تقدير الوقت المتبقي ليبرد لب الأرض.
وحتى ذلك، تأكد أن التقديرات غالبًا ستتخطى مئات الملايين وحتى مليارات السنين في المستقبل؛ لذا فلا حاجة لوضع خطط الانتقال إلى كوكب جديد في أي وقت قريب.