مكونات نواة الأرض - مم تتكون النواة ؟

لطالما اعتقد العلماء أن نواة الأرض صلبة، لكن الآن لديهم بعض الأدلة القوية. اعتُقد أن النواة مكونة من جزأين. وفقًا للنظريات، تكون النواة الداخلية من الحديد الصلب، ويحيط بها نواة منصهرة. حول النواة يوجد الغطاء ، وبالقرب من سطح الكوكب توجد قشرة رقيقة -الجزء الذي يتكسر بين حين وآخر مشكلًا الزلازل.

اكتُشفَت النواة عام 1936 عن طريق مراقبة التصدعات الداخلية للزلازل، والتي ترسل موجات زلزالية تنتشر عبر الكوكب. تنحني هذه الأمواج -التي تشبه لحد ما الأمواج الصوتية- عندما تخترق طبقات مختلفة الكثافة، تمامًا كما ينحني الضوء عندما يخترق الماء. ويمكن استنتاج الكثير عن داخل الأرض بمراقبة الوقت الذي تستغرقه الموجة للانتشار.

بالرغم من ذلك -ولأكثر من 60 عامًا- بقيت صلابة النواة موضع النظريات. تضمنت دراسة أُعلن عنها اليوم محتوى معقدًا لمراقبة الموجات الزلزالية التي تخترق الكوكب. التقنية ليست جديدة، لكن هذه هي المرة الأولى التي تُستخدَم فيها بشكل فعال لاستطلاع قلب عالمنا.

أولًا، بعض المصطلحات:

P ما يطلقه العلماء على الموجة.
K تعبر عن النواة الخارجية.
J هي النواة الداخلية.

إذًا، الموجة التي تعبر المجال كاملًا تدعى PKJKP.

يرسل الزلزال موجات زلزالية في جميع الاتجاهات. تكون الموجات السطحية واضحةً بشكل مخيف في بعض الأحيان. تُدرَس الموجات الزلزالية -التي تعبر خلال الغطاء وتجتاز معظم أجزاء الكوكب- بشكل روتيني عندما تصل لقارة أخرى. لكن لم تُضبط فعليًا أية موجة من النوع PKJKP حتى الآن.

قام (ايمين تساو- Aimin Cao) وزملاؤه من جامعة (كاليفورنيا- بيركلي- California -Berkeley) بأرشفة بيانات حوالي 20 زلزالًا، رُصدَت جميعها عن طريق نظام ألماني لكشف الزلازل في الثمانينيات والتسعينيات.

تكمن الحيلة في رصد موجة PKJKP في ملاحظة التغيرات التي تمر بها بينما تموج من جانب الكوكب إلى الجانب الآخر. الموجة التي تبدأ مضغوطةً تتغير إلى ما يسميه العلماء بموجة القص.

قال تساو لصحيفة (لايف ساينس- LiveScience) : «تجتاز موجة PKJKP النواة الداخلية كموجة قص، وهذا يشكل دليلًا مباشرًا على ن النواة الداخلية صلبة، لأنه يمكن لموجة القص الوجود فقط في المواد الصلبة. أما في المواد السائلة -مثل الماء- يمكن فقط للموجة المضغوطة أن تعبر».

يتوافق وقت الوصول وتباطؤ الموجات مع التوقعات النظرية لموجات PKJKP، ما يدل أن النواة صلبة. نشرت صحيفة (ساينس- Science) هذه النتائج على الإنترنت.

يبلغ نصف قطر الأرض حوالي 4000 ميل (6400 كم). طبقاتها الداخلية الرئيسية بترتيب تنازلي هي: القشرة والغطاء والنواة.

يبلغ متوسط سماكة القشرة حوالي 18 ميلًا (30 كم) تحت القارات، لكن يصل إلى حوالي 3 أميال (5 كم) فقط تحت المحيطات، وتكون خفيفةً وهشةً وقابلةً للكسر. في الواقع إنها مجزأة لأكثر من 12 صفيحةً رئيسيةً والعديد من الصفائح الصغيرة؛ وهنا تنشأ معظم الزلازل.

الغطاء أكثر مرونةً؛ فهو يطفو بدلًا من التشقق. يمتد إلى حوالي 1800 ميل (2900 كم) تحت الطبقة السطحية. تتكون النواة من نواة داخلية صلبة ونواة خارجية سائلة. تحتوي النواة السائلة على الحديد، الذي يولد بحركته المجال المغناطيسي للأرض. تشكل القشرة والغطاء العلوي القشرة الأرضية اليابسة، التي تنقسم لعدة صفائح تطفو أعلى الغطاء المنصهر الساخن.

دراسة: نواة الأرض تذوب!

اكتشف العلماء الآن أن نواة الأرض الداخلية تذوب. قال العلماء: هذا الذوبان يمكن ربطه بالنشاط على القشرة السطحية للأرض، وأضافوا: هذا الاكتشاف يساعد في توضيح كيفية توليد النواة للحقل المغناطيسي للكوكب.

النواة الداخلية للأرض عبارة عن كرة من الحديد الصلب بعرض حوالي 1500 ميل (2400 كم)، بنفس حجم القمر تقريبًا. تُحاط هذه الكرة بالنواة الخارجية المكونة بمعظمها من مزيج من الحديد والنيكل السائلين، محاطة بطبقة غطاء لزج، وفوقه قشرة صلبة تشكل الطبقة السطحية للكوكب.

بينما تبرد الأرض من الداخل للخارج؛ تتجمد النواة الخارجية ببطء، ما يدفع النواة الداخلية الصلبة إلى النمو بمعدل 1 مم تقريبًا في السنة. مع ذلك، اكتشف العلماء الآن أن النواة الداخلية قد تذوب في نفس الوقت.

قال العالم (سباستيان روست- Sebastian Rost)، عالم زلازل في جامعة (ليدس- Leeds) في إنجلترا: «من وجهة النظر النموذجية، إن النواة الداخلية تتجمد كليًا وتنمو للخارج تدريجيًا، لكن يبدو أن هنالك بعض المناطق التي تذوب في النواة». ويضيف: «إن التدفق الصافي للحرارة من النواة إلى الغطاء يؤكد أن هناك تجمدًا كليًا لمواد النواة الخارجية ويزداد مع مرور الوقت، لكن هذا لا يعني أنها عملية منتظمة».

بينما يبرد داخل الأرض، تنطلق مادة ساخنة وباردة نسبيًا ضمن داخل الكوكب، وهي عملية تعرف باسم الانتقال الحراري. إن اختلاط المواد في النواة الذي يترافق مع دوران الأرض هو ما يولد الحقل المغناطيسي للأرض.

وجد العلماء -باستخدام نماذج حاسوبية للانتقال الحراري في النواة الخارجية بالتزامن مع بيانات علم الزلازل- أن تدفق الحرارة على حدود النواة والغطاء يعتمد على الغطاء المحيط. في بعض الأحيان، تكون طبيعة الغطاء كافيةً لإعادة توجيه الحرارة من الغطاء باتجاه النواة، ما يؤدي لذوبان بعض المناطق.

قال العالم (جون موند- Jon Mound) لصحيفة (OurAmazingPlanet)، وهو عالم جيوفيزيائي في جامعة ليدس: «إن جزءًا صغيرًا فقط من سطح النواة الداخلية قد يذوب في أي وقت». ويضيف: «مع ذلك، بالنسبة لحجم النواة الداخلية، حتى لو كان 1% من سطحها يذوب -وهو أمر ممكن حاليًا- فهذا يمثل أقل من 200000 كم مربع (77000 ميل مربع)».

على سبيل المثال، بالنسبة للمناطق الكبيرة تحت إفريقيا والمحيط الهادئ -حيث يكون الغطاء الأدنى أكثر حرارةً من معدلاته- فإن النواة الخارجية تحت هذه المناطق يمكن أن تسخن كفايةً لبدء إذابة النواة الداخلية. بالمقابل، تحت المناطق النشطة زلزاليًا حول ما يسمى “حلقة النار” -وهي منطقة تحيط بالمحيط الهادئ نشطة بركانيًا وزلزاليًا- فإن البقايا الباردة من الصفائح المحيطية تُمتَص إلى أسفل الغطاء، وتسحب الكثير من الحرارة من النواة؛ ما يساعدها على التجمد.

قال العالم موند: «هذه النتائج تشير إلى أن حركات نواة الأرض بأكملها مرتبطة بنفس الطريقة بتشكل الصفائح، وهذا لا يتوضح أبدًا من المراقبة السطحية».

يمكن أن يفسر هذا النموذج شذوذ الأبحاث الزلزالية السابقة التي أشارت لوجود طبقة كثيفة من السوائل تحيط بالنواة الداخلية. وقال العالم روست: «نظرية الذوبان الموضعي يمكن أن تفسر أيضًا عمليات رصد زلزالية أخرى -على سبيل المثال- لماذا تجتاز الموجات الزلزالية بعض أجزاء النواة أسرع من الأجزاء أخرى؟».

كما ذكر العالم موند: «ما يزال أصل الحقل المغناطيسي الأرضي لغزًا للعلماء». وأضاف: «إن أُثبتت صحة نموذجنا، فهذه خطوة كبيرة نحو فهم كيفية تشكل النواة الداخلية، الذي بدوره يساعدنا في فهم كيفية توليد النواة للحقل المغناطيسي للأرض».

يبقى كثير غير مؤكد حول هذا العمل. قال العالم موند: «لا نعلم تحديدًا مقدار الحرارة التي تتحرك خلال النواة ولا مدى قوة أنماط تغير الحرارة عند قاعدة الغطاء». وأضاف: «لذلك قد لا يكون من الممكن الحصول على التدفقات التي نحتاجها للحث على الانصهار من النواة؛ إذ لم تؤدِ كل النماذج التي طبقناها إلى الذوبان».

أضاف العالم موند: «المشكلة العامة أن جميع نماذج الحاسوب لحركة نواة الأرض غير قادرة على تمثيل الحركة الحقيقية لها، إذ ليس هناك أحد قادر على تشغيل نماذج بتفاصيل كافية من ناحية الدقة المكانية والزمانية». وقال أيضًا: «تمثل النماذج معظم السلوك الملاحظ في نواة الأرض، لكننا لسنا متأكدين من صحة الحركة الناتجة لدينا».

قال موند: «للتأكد من ذوبان النواة حقًا؛ يلزمنا نظم أجهزة قياس زلازل أكبر منتشرة بشكل متساوٍ حول العالم، خاصةً في المحيطات، وهي عقبة تكنولوجية». وأضاف: «علينا تطوير معدات مخبر يمكنها قياس ظروف الضغط ودرجة الحرارة للنواة الداخلية؛ نحن على وشك القيام بذلك بشكل موثوق».