هسته زمین ممکن است ده‌ها اقیانوس هیدروژن را پنهان کرده باشد

جهانی - خبرگزاری اخباری

هسته زمین: اقیانوسی پنهان از هیدروژن که فرآیندهای زمین‌شناختی را تغذیه می‌کند

تحقیقات علمی پیشگامانه اخیر نشان می‌دهد که عمیق‌ترین نقاط سیاره ما، یعنی هسته فلزی آن، ممکن است حاوی ذخیره‌ای عظیم و پیش از این دست‌کم گرفته‌شده از هیدروژن باشد که معادل ده‌ها اقیانوس روی سطح زمین است. این کشف، که در مطالعه‌ای مفصل در 10 فوریه در Nature Communications منتشر شد، مدل‌های موجود از ترکیب داخلی زمین را به چالش می‌کشد و پیامدهای عمیقی برای درک فرآیندهای زمین‌شناختی اساسی که جهان ما را شکل می‌دهند، از جمله فعالیت‌های آتشفشانی و تکامل حرارتی بلندمدت سیاره، دارد.

برای قرن‌ها، هسته زمین عمدتاً به عنوان آلیاژی از آهن و نیکل، قلبی فلزی و متراکم که در راز و رمز پیچیده شده، در نظر گرفته می‌شد. با این حال، شواهد تجربی جدید نشان می‌دهد که هیدروژن، فراوان‌ترین عنصر در جهان، می‌تواند تا 0.36 درصد از وزن هسته را تشکیل دهد. این ذخیره عظیم و زیرزمینی هیدروژن، که به عنوان «ذخایر ختونیک» (chthonic reserves) شناخته می‌شود، در شرایط شدید خود هسته به صورت آب مایع وجود ندارد. در عوض، اهمیت آن در پتانسیلش برای مهاجرت به سمت بالاست. هنگامی که این هیدروژن به گوشته بالایی و غنی از اکسیژن نفوذ می‌کند، واکنش داده و آب تشکیل می‌دهد، فرآیندی که پیامدهای گسترده‌ای برای دینامیک سیاره دارد.

موتوهیکو موراکامی، ژئودینامیست از ETH زوریخ و محقق اصلی این مطالعه، نقش حیاتی اکسیژن را در این تبدیل توضیح می‌دهد. موراکامی خاطرنشان می‌کند: «اکسیژن یکی از فراوان‌ترین عناصر معدنی در گوشته است»، و تأکید می‌کند که چگونه این تعامل، تشکیل آب از هیدروژن مهاجر را تسهیل می‌کند. این آب تازه تشکیل شده می‌تواند سپس به عنوان یک کاتالیزور حیاتی عمل کند، رفتار ذوب سنگ‌های گوشته را تحت تأثیر قرار دهد و بدین ترتیب بر تولید ماگما و فرکانس و شدت فوران‌های آتشفشانی در سطح تأثیر بگذارد.

جامعه علمی مدت‌هاست که با تخمین ترکیب دقیق هسته غیرقابل دسترس زمین دست و پنجه نرم می‌کند. تلاش‌های قبلی برای تعیین کمیت ذخایر هیدروژن اغلب غیرمستقیم بود و بر اساس مشاهدات تغییرات حجم هنگام افزودن هیدروژن به آهن در شرایط آزمایشگاهی بود. این روش‌ها تخمین‌های بسیار متفاوتی را به همراه داشتند، که نیاز به رویکردی مستقیم‌تر و قوی‌تر را تأکید می‌کرد. موراکامی و تیمش با بازسازی دقیق فشارها و دماهای شدید موجود در اعماق زمین، به این چالش پرداختند.

تنظیمات تجربی نوآورانه آنها شامل ساخت مواد هسته مصنوعی بود: خرده‌های کوچک آهن که در یک ماتریس شیشه‌ای حاوی هیدروژن محصور شده بودند. سپس این نمونه‌ها تحت نیروهای عظیم قرار گرفتند، که در یک پرس مکانیکی قدرتمند بین دو الماس صنعتی فشرده شدند. همزمان، یک پرتو لیزر متمرکز از طریق الماس‌ها هدایت شد تا نمونه‌ها را تا دمای شگفت‌آور 4,826 درجه سانتیگراد (8,720 درجه فارنهایت) گرم کند – شرایطی که جهنم داخلی زمین اولیه را بازتاب می‌دهد. تحت چنین گرما و فشار شدیدی، نمونه‌ها ذوب شدند و به توده‌های میکروسکوپی آهن آمیخته با سیلیکون، هیدروژن و اکسیژن تبدیل شدند، که حالت اولیه تشکیل هسته زمین در فاز اقیانوس ماگمایی اولیه را شبیه‌سازی می‌کرد.

پس از سرد شدن و جامد شدن سریع نمونه‌ها، محققان از یک کاوشگر ویژه برای نقشه‌برداری دقیق توزیع عناصر در نمونه‌ها استفاده کردند. این تحلیل دقیق ساختارهای کوچک و متمایزی را نشان داد که در ماتریس آهن جامد شده بودند. نکته مهم این بود که سیلیکون و هیدروژن منحصراً در این ساختارها و مهم‌تر از آن، به مقدار اتمی برابر یافت شدند. این نسبت اتمی یک به یک یک کشف محوری بود. آزمایش‌های قبلی، مشاهدات ژئوفیزیکی و شبیه‌سازی‌ها قبلاً ثابت کرده بودند که هسته زمین بین 2 تا 10 درصد وزنی سیلیکون دارد.

با بهره‌گیری از این فراوانی سیلیکون ثابت‌شده و یافته جدید آنها از نسبت یک به یک، موراکامی و همکارانش محاسبات به‌روزرسانی‌شده‌ای را انجام دادند. تخمین‌های آنها نشان می‌دهد که هیدروژن بسیار سبک‌تر، تقریباً 0.07 تا 0.36 درصد از وزن هسته زمین را تشکیل می‌دهد. برای روشن شدن این موضوع، موراکامی مقیاس این مخزن را به وضوح نشان می‌دهد: «این نه تا 45 اقیانوس» آب است، حجمی خیره‌کننده که زیر پای ما پنهان شده است. این رقم نشان‌دهنده ذخیره‌ای از هیدروژن است که به طور بالقوه می‌تواند تمام آب مایع موجود در سطح زمین را تحت‌الشعاع قرار دهد.

پیامدهای این کشف فراتر از صرفاً کمی‌سازی است. در طول مقیاس‌های زمانی زمین‌شناختی، بسیار محتمل است که بخشی از این هیدروژن عمیق به تدریج از هسته به گوشته بالایی نشت کرده باشد، جایی که به آب تبدیل می‌شود. این آب، به نوبه خود، نقطه ذوب سنگ‌های گوشته را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و آنها را انعطاف‌پذیرتر و مستعد ذوب شدن می‌کند. تولید ماگمای حاصله یک محرک اساسی فعالیت‌های زمین‌شناختی است که مستقیماً فوران‌های آتشفشانی و حرکات تکتونیکی را که قاره‌ها و کف اقیانوس‌ها را شکل می‌دهند، تغذیه می‌کند. این ارتباط عمیق بین درونی‌ترین لایه زمین و پدیده‌های سطحی، ماهیت پیچیده و پویای سیاره ما را برجسته می‌کند.

این تحقیق نه تنها ارزیابی مستقیم‌تر و دقیق‌تری از وجود هیدروژن در هسته زمین ارائه می‌دهد، بلکه دیدگاهی تازه در مورد چرخه آب عمیق سیاره و تأثیر بالقوه آن بر فرآیندهای ژئودینامیکی فراهم می‌کند. درک این ذخایر پنهان برای اصلاح مدل‌های ما از شکل‌گیری سیاره‌ای، ساختار داخلی و مکانیسم‌هایی که فعالیت‌های زمین‌شناختی را در طول تاریخ زمین حفظ کرده‌اند، حیاتی است و به طور بالقوه می‌تواند نوری بر شرایط لازم برای حیات بتاباند.

خبرگزاری اخباری