تقع النواة الداخلية للأرض تحت أقدامنا، على عمق مذهل يزيد عن 5100 كيلومتر، وهي عبارة عن كرة صلبة من الحديد والنيكل تلعب دورًا حاسمًا في تشكيل الظروف التي نختبرها على السطح. في الواقع، لولاها لما كنا لنوجد.
ولكن على الرغم من أهميتها، فإن كيفية تشكلها وتطورها تشكل لغزًا إلى حد ما. ولا نعرف حتى كم عمرها. لحسن الحظ، تقربنا الفيزياء المعدنية من حل اللغز.
النواة الداخلية مسؤولة عن المجال المغناطيسي للأرض، والذي يعمل كدرع يحمينا من الإشعاع الشمسي الضار. ربما كان هذا المجال المغناطيسي مهمًا لخلق الظروف التي سمحت للحياة بالازدهار منذ مليارات السنين.
كانت النواة الداخلية للأرض سائلة ذات يوم، لكنها تحولت إلى صلبة بمرور الوقت. ومع برودة الأرض تدريجيًا، تتمدد النواة الداخلية للخارج عند "تجميد" السائل الغني بالحديد المحيط بها. ومع ذلك، لا يزال الجو حارًا للغاية، على الأقل 5000 كلفن (4726.85 درجة مئوية).
تطلق عملية التجميد هذه عناصر، مثل الأكسجين والكربون، لا تتوافق مع التواجد في مادة صلبة ساخنة. إنها تخلق سائلًا ساخنًا عائمًا في قاع اللب الخارجي. يرتفع السائل إلى اللب الخارجي السائل ويختلط به، مما يخلق تيارات كهربائية (من خلال "عمل الدينامو")، والتي تولد مجالنا المغناطيسي.
هل تساءلت يومًا ما الذي يجعل الأضواء الشمالية ترقص في السماء؟ يمكنك أن تشكر اللب الداخلي.
التبلور الغامض
لفهم كيف تطور المجال المغناطيسي للأرض على مدار تاريخها، يستخدم علماء الجيوفيزياء نماذج تحاكي الحالة الحرارية لللب والوشاح.
تساعدنا هذه النماذج على فهم كيفية توزيع الحرارة ونقلها داخل الأرض. يفترضون أن اللب الداخلي الصلب ظهر لأول مرة عندما برد السائل إلى نقطة انصهاره، معتبرا هذا الوقت هو الوقت الذي بدأ فيه التجمد. المشكلة هي أن هذا لا يعكس بدقة عملية التجميد.
.jpg)
اللب الداخلي للأرض باللون الأصفر الفاتح، مع سائل في اللب الخارجي وخطوط المجال المغناطيسي باللون الأسود.
Credit:Alfred Wilson-Spencer, CC BY-SA
لذلك استكشف العلماء عملية "التبريد الفائق". يحدث التبريد الفائق عندما يبرد السائل إلى ما دون نقطة التجمد دون أن يتحول إلى مادة صلبة. يحدث هذا مع الماء في الغلاف الجوي، حيث يصل أحيانًا إلى 30- درجة مئوية قبل تكوين البَرَد، وكذلك مع الحديد في لب الأرض.
تشير الحسابات إلى أن ما يصل إلى 1000 كلفن من التبريد الفائق مطلوب بالفعل لتجميد الحديد النقي في لب الأرض. ونظرًا لأن موصلية اللب تعني أنه يبرد بمعدل 100-200 كلفن لكل مليار سنة، فإن هذا يمثل تحديًا كبيرًا. يشير هذا المستوى من التبريد الفائق إلى أن اللب كان لابد أن يكون أقل من نقطة انصهاره طوال تاريخه (1000 إلى 500 مليون سنة)، مما يمثل تعقيدات إضافية.
وبما أننا لا نستطيع الوصول فعلياً إلى اللب ــ فقد حفر البشر 12 كيلومتراً فقط في الأرض ــ فإننا نعتمد بالكامل تقريباً على علم الزلازل لفهم باطن كوكبنا. وقد اكتُشِف اللب الداخلي في عام 1936، وحجمه (حوالي 20% من نصف قطر الأرض) هو أحد أفضل الخصائص المقيدة في أعماق الأرض. ونحن نستخدم هذه المعلومات لتقدير درجة حرارة اللب، على افتراض أن الحد الفاصل بين الصلب والسائل يمثل تقاطع نقطة الانصهار ودرجة حرارة اللب.
ويساعدنا هذا الافتراض أيضاً في تقدير الحد الأقصى للتبريد الفائق الذي ربما حدث قبل أن يبدأ اللب الداخلي في التكون من نواة داخلية وخارجية مشتركة. وإذا تجمد اللب مؤخراً نسبياً، فإن الحالة الحرارية الحالية عند حدود اللب الداخلي واللب الخارجي تشير إلى مدى انخفاض اللب المشترك عن نقطة انصهاره عندما بدأ اللب الداخلي في التجمد لأول مرة. وهذا يشير إلى أنه على الأكثر، ربما كان اللب قد تعرض لتبريد فائق بنحو 400 كلفن.
وهذا على الأقل ضعف ما تسمح به علم الزلازل. إن اللب إذا تعرض للتبريد الفائق بمقدار 1000 كلفن قبل التجمد، فإن اللب الداخلي لابد وأن يكون أكبر كثيراً مما لوحظ. أو إذا كان 1000 كلفن ضرورياً للتجميد ولم يتحقق ذلك قط، فإن اللب الداخلي لابد وأن لا يكون موجوداً على الإطلاق. ومن الواضح أن أياً من السيناريوهين ليس دقيقاً، فما هو التفسير الذي قد يكون لذلك؟
لقد اختبر علماء فيزياء المعادن الحديد النقي وغيره من المخاليط لتحديد مقدار التبريد الفائق اللازم لبدء تكوين اللب الداخلي. ورغم أن هذه الدراسات لم تقدم بعد إجابة قاطعة، إلا أن هناك تقدماً واعداً.
على سبيل المثال، تعلمنا أن الهياكل البلورية غير المتوقعة ووجود الكربون قد يؤثران على التبريد الفائق. وتشير هذه النتائج إلى أن بعض الكيمياء أو البنية التي لم تؤخذ في الاعتبار من قبل قد لا تتطلب مثل هذا التبريد الفائق الكبير غير المعقول. وإذا كان اللب قادراً على التجمد عند أقل من 400 كلفن من التبريد الفائق، فإن هذا من شأنه أن يفسر وجود اللب الداخلي كما نراه اليوم.
إن الآثار المترتبة على عدم فهم تكوين اللب الداخلي بعيدة المدى. تتراوح التقديرات السابقة لعمر النواة الداخلية بين 500 إلى 1000 مليون سنة. لكن هذه التقديرات لا تشمل أي شيء آخر. إن هذا لا يفسر مشكلة التبريد الفائق. فحتى التبريد الفائق المتواضع الذي يصل إلى 100 كلفن قد يعني أن اللب الداخلي أصغر بمئات الملايين من السنين مما كان يُعتقد سابقًا.
إن فهم توقيع تكوين اللب الداخلي في السجل الصخري المغناطيسي القديم - وهو أرشيف للمجال المغناطيسي للأرض - أمر بالغ الأهمية لأولئك الذين يدرسون تأثير الإشعاع الشمسي على الانقراضات الجماعية.
إلى أن نفهم تاريخ المجال المغناطيسي بشكل أفضل، لا يمكننا تحديد دوره بالكامل في ظهور الظروف الصالحة للسكن والحياة.
المصدر: