کاوش در اعماق زمینِ نخستین: شبیهسازیای از ۴.۵ میلیارد سال پیش، رازهای پیدایش سیارهمان را آشکار میکند!
آیا میدانید زمین در ابتدای شکلگیریاش چه شکلی بوده است؟ محققان با استفاده از یک مدل کامپیوتری پیشرفته، شرایط سیاره زمین را در دوران آغازینش، یعنی حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش، بازسازی کردهاند. نتایج این شبیهسازی، دریچهای نو به سوی دوران پرآشوب و آتشین سیاره ما گشوده و نشان میدهد که چگونه سالهای نخستین و مذاب زمین، ساختار زمینشناسی کنونی آن را شکل داده است.
دنیای مذاب: لایههایی که به تدریج سرد شدند
زمانی که زمین برای اولین بار شکل گرفت، خبری از خشکیهایی که امروز میشناسیم نبود. تصور کنید یک گوی سوزان از سنگهای مذاب، بیشتر شبیه یک چراغخواب لاوا تا قارههای پایداری که امروز روی آن ایستادهایم. این حالت مذاب میلیونها سال به طول انجامید و در طی آن، سطح زمین به طور نامنظم شروع به سرد شدن کرد.
این فرآیند خنک شدن به صورت یکنواخت اتفاق نیفتاد. بخشهای بالایی سیاره سرد و جامد شدند، در حالی که بخشهای پایینتر، نزدیک به هسته، همچنان مذاب باقی ماندند. نتیجه این وضعیت، پدیدهای به نام “اقیانوس ماگمایی قاعدهای” بود؛ یک دریای وسیع از مایع غنی از آهن که درست بالای هسته فلزی سیاره قرار داشت. این مفهوم که اولین بار دههها پیش مطرح شد، اکنون توسط دادههای لرزهای پشتیبانی میشود که نشاندهنده مناطق گستردهای در گوشته زمین است که سرعت امواج لرزهای را کاهش میدهند.
اقیانوس ماگمایی قاعدهای نقش مهمی در شکلگیری گوشته زمین و تاریخچه حرارتی آن ایفا کرد. شواهدی از این جیبهای مذاب، که در عمق حدود ۲۹۰۰ کیلومتری (۱۸۰۰ مایلی) زیر سطح زمین قرار دارند، هنوز هم امروزه در مناطقی مانند اقیانوس آرام و بخشهایی از آفریقا یافت میشوند. با این حال، مشاهده این جیبها دشوار است، زیرا در اعماق بسیار زیادی در زیر سطح زمین قرار گرفتهاند.
مدل جدید، بینشهای پیشگامانهای ارائه میدهد
برای درک بهتر این وضعیت اولیه سیاره، دانشمندان به مدل Bambari روی آوردند؛ یک شبیهسازی کامپیوتری که برای بازسازی صد میلیون سال اول حیات زمین طراحی شده است. این مدل که توسط استادیار، چارلز-ادوارد بوکاره از دانشگاه یورک رهبری میشود، رفتار پیچیده درون زمین را در نظر گرفت، که در آن زمان تنها تا حدی مذاب بود.
مدل Bambari با گوشتهای آغاز شد که حدود 50% مایع بود؛ حالتی که پس از برخورد عظیمی که منجر به شکلگیری ماه شد، واقعی به نظر میرسید. این شبیهسازی، حرکت سنگهای مذاب و جامد را در داخل گوشته اولیه سیاره ردیابی کرد و نشان داد که اختلاف دما باعث میشود بلورهای سبکتر به سمت بالا حرکت کنند، در حالی که قطرات سنگینتر و غنی از آهن به سمت پایین سقوط میکنند. این فرآیند منجر به شکلگیری لایههای متمایز در داخل گوشته اولیه زمین شد، به طوری که مواد معدنی سبکتر به سطح بالا رفتند، در حالی که مواد متراکمتر به سمت پایین فرو رفتند.
شیمی جدید و شگفتانگیز در زیر سطح
این شبیهسازی نه تنها پویاییهای فیزیکی سالهای اولیه زمین را مدلسازی کرد، بلکه الگوهای شیمیایی غیرمنتظرهای را نیز آشکار ساخت. به عنوان مثال، مواد معدنی مانند الیوین، که معمولاً فقط در گوشته فوقانی یافت میشوند، در عمق حدود ۱۹۳۰ کیلومتری (۱,200 مایلی) زیر سطح زمین نیز یافت شدند. این کشف شگفتانگیز، ایدههای قبلی در مورد نحوه توزیع مواد معدنی زمین را به چالش میکشد و به یک فرآیند تفکیک پیچیدهتر در داخل گوشته اولیه سیاره اشاره دارد.
این تحقیق نشان میدهد که بلورها در نزدیکی سطح تشکیل شده و سپس به داخل گوشته فرو رفتهاند، جایی که تا حدی ذوب شده و حوضچههای غنی از آهن از سنگ مایع ایجاد کردهاند. این حوضچهها در نهایت یک اقیانوس مایع به ضخامت حدود ۴۸۰ کیلومتر (۳۰۰ مایل) در بالای هسته تشکیل دادند. این پوشش مایع احتمالاً نقش مهمی در عایقبندی هسته سیاره ایفا کرده و به آن کمک کرده تا گرما را برای صدها میلیون سال حفظ کند.
میراث زمین اولیه در گوشته امروزی
مدل Bambari همچنین نشان داد که چگونه ساختار گوشته امروزی زمین را میتوان به این فرآیندهای اولیه ردیابی کرد. این مدل، وجود “ابرگوشتهها”ی عظیم را پیشبینی میکند – نواحی بزرگ با سرعت برشی کم (LLSVPs) – که در زیر قارههای اقیانوس آرام و آفریقا قرار دارند. تصور میشود این ساختارها که بیش از ۹۶۵ کیلومتر (۶۰۰ مایل) از هسته سیاره فاصله دارند، بقایای اقیانوس ماگمایی قاعدهای باشند.
این ابرگوشتهها مسئول نقاط داغ آتشفشانی، مانند آنچه در هاوایی و ایسلند یافت میشود، هستند. با مطالعه این پدیدهها، دانشمندان ارتباطی بین گذشته عمیق زمین و فعالیتهای آتشفشانی که امروزه شاهد آن هستیم، ترسیم کردهاند.
بینشهای مدل Bambari فراتر از زمین گسترش مییابد و ابزارهای ارزشمندی برای مطالعه تکامل سایر سیارات سنگی ارائه میدهد. به عنوان مثال، این مدل پیشبینی میکند که مریخ، با اندازه کوچکتر و از دست دادن سریعتر گرما، اقیانوس ماگمایی کوتاهتری داشته و در نهایت میدان مغناطیسی و جو خود را بسیار زودتر از زمین از دست داده است. از طرف دیگر، سیارات فراخورشیدی بزرگتر میتوانند اقیانوس ماگمایی را برای مدت طولانیتری حفظ کنند و به طور بالقوه شرایطی را برای توسعه و تداوم حیات ایجاد کنند.