شگفتی تازه از اعماق زمین؛ هسته سیاره پرآبتر از تمام اقیانوسها
کشفی جدید نشان میدهد هیدروژنِ پنهان در هسته زمین از مجموع هیدروژن همه اقیانوسها بیشتر است
وقتی به «گوی آبی» زمین نگاه میکنیم، بدیهیترین منبع هیدروژن (Hydrogen) در سیارهمان اقیانوسها به نظر میرسند. برآورد دانشمندان نشان میدهد که در مجموع، حدود ۱۵۰ کوئینتیلیون کیلوگرم (۱۵۰ quintillion kilograms) هیدروژن بهصورت آب (H₂O) و در پیوند با اکسیژن، روی سطح زمین وجود دارد.
اما یک پژوهش جدید، این تصور رایج را به چالش کشیده و نشان میدهد که اقیانوسها در واقع بزرگترین مخزن هیدروژن زمین نیستند.
هسته زمین؛ فراتر از آهن و نیکل
بیشتر مردم میدانند که هسته زمین تقریباً بهطور کامل از ترکیبی از آهن و نیکل تشکیل شده است؛ اما واژه کلیدی اینجاست: «تقریباً».
مطالعات پیشین نشان دادهاند که چگالی هسته زمین کمی کمتر از آن است که بتوان آن را کاملاً از آهن و نیکل دانست. به همین دلیل، دانشمندان مدتهاست احتمال میدهند که عناصر سبکتری مانند سیلیکون (Silicon)، اکسیژن (Oxygen) و از همه مهمتر هیدروژن (Hydrogen) نیز در آن حضور داشته باشند.
بر اساس این پژوهش جدید، زمین احتمالاً بخش عمده هیدروژن خود را در همان مراحل اولیه شکلگیری و طی فرایند «انباشت سیارهای» (Terrestrial Accretion) بهدست آورده است؛ نه آنطور که پیشتر تصور میشد، از طریق برخورد دنبالهدارهای یخی (Icy Comets) در مراحل بعدی عمر سیاره.
در زمان تولد زمین، هیدروژن همراه با مخلوط آهنِ مذاب شکل گرفت، با سیلیکون و اکسیژن پیوند خورد و در نهایت، برای میلیاردها سال در اعماق هسته زمین «قفل» شد.
چه مقدار هیدروژن در هسته پنهان است؟
پرسش اصلی اینجاست: چه مقدار هیدروژن در هسته زمین ذخیره شده است؟ پژوهشگران تخمین میزنند که این مقدار چیزی بین ۱٫۳۵ تا ۶٫۷۵ سکستیلیون کیلوگرم (۱٫۳۵ to 6.75 sextillion kilograms) باشد؛ عددی با ۲۱ صفر! این مقدار معادل دهها برابر کل آب اقیانوسهای زمین است.
البته باید توجه داشت که در هسته زمین، هیدروژن بهصورت آب وجود ندارد. با این حال، هنگامی که این هیدروژن با اکسیژن فراوان موجود در گوشته زمین (Mantle) واکنش میدهد، میتواند به تشکیل آب منجر شود.
آب زمین از کجا آمده است؟
نویسندگان این مطالعه که در مجله معتبر «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده، مینویسند: «اینکه زمین بخش عمده آب خود را همزمان با فرایند شکلگیریاش و بهصورت درجا بهدست آورده باشد، از دیدگاه دینامیکی کاملاً محتمل است؛ آبی که توسط سیارکهای کوچک (Planetesimals) و جنینهای سیارهای (Planetary Embryos) منتقل شده و با مدل ورود هیدروژن، شامل برهمکنش میان یک جو اولیه و یک اقیانوس ماگمایی (Magma Ocean)، سازگار است.»
به بیان سادهتر، این پژوهش از این ایده حمایت میکند که آب زمین از همان ابتدا، جزئی از فرایند تولد سیاره بوده است.
شبیهسازی هسته زمین در آزمایشگاه
بدیهی است که دانشمندان برای رسیدن به این نتایج، به هسته زمین حفاری نکردهاند. در عوض، آنها شرایط هسته زمین را در آزمایشگاه بازسازی کردند؛ آن هم با استفاده از ابزاری بسیار پیشرفته به نام «سلول سندان الماسی» (Diamond Anvil Cell) که میتواند مواد را تحت فشارهای فوقالعاده زیاد قرار دهد.
برای شبیهسازی شرایط هسته زمین، به فشارهایی در حدود ۱۳۶ گیگاپاسکال (Gigapascal) نیاز است؛ فشاری که حدود ۱۰ هزار برابر فشار جو زمین است.
در این آزمایش، پژوهشگران موسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zürich) و دانشگاه پکن (Peking University)، یک گلوله آهنی را که در شیشه سیلیکاتی غنی از هیدروژن محصور شده بود، تحت فشار ۱۱۱ گیگاپاسکال و دمایی در حدود ۵۱۰۰ کلوین (حدود ۸۷۲۰ درجه فارنهایت) قرار دادند.
نتیجه آزمایش: آب در دل هسته
دانشمندان مشاهده کردند که نمونه در این شرایط ذوب میشود و اجزای آن بهتدریج با یکدیگر مخلوط میشوند. در نهایت، آب با اکسیژن و سیلیکون پیوند میخورد و به بخشی جداییناپذیر از «هسته شبیهسازیشده» تبدیل میشود؛ چیزی در حدود ۰٫۰۷ تا ۰٫۳۶ درصد از کل جرم هسته.
موتوهیکو موراکامی (Motohiko Murakami)، یکی از نویسندگان این مطالعه از ETH زوریخ میگوید: «این مقدار معادل ۹ تا ۴۵ اقیانوس کامل آب است.»
چرا این کشف مهم است؟
هدف از دانستن میزان هیدروژن موجود در هسته زمین، استخراج آن در آینده نیست؛ چنین کاری عملاً غیرممکن است. اهمیت این کشف در آن است که شواهد قدرتمندی درباره یکی از بزرگترین پرسشهای علوم زمین فراهم میکند: زمین چگونه اینهمه آب بهدست آورد؟
علاوه بر تکمیل تصویر ما از شکلگیری سیاره خودمان، این یافتهها به دانشمندان کمک میکند تا درک بهتری از سایر اجرام سنگی ــ چه در منظومه شمسی و چه در سیارات فراخورشیدی ــ بهدست آورند؛ اجرامی که ممکن است آنها نیز، مانند زمین، مخازن عظیم و پنهانی از هیدروژن را در دل هستههای خود پنهان کرده باشند.
این پژوهش، بار دیگر یادآور یک واقعیت شگفتانگیز است: هیدروژن، فراوانترین عنصر جهان، حتی در جایی پنهان شده که کمتر کسی انتظارش را دارد؛ در قلب سوزان سیارهمان.
