ماشینی به نام سیاره زمین

تحولات بزرگ به وجود آمده در شناخت پدیده هایی که در لایه های تقریباً سطحی زمین رخ می دهند و اصطلاحاً تکتونیک صفحه یی نام دارند، شایان توجه بوده است. این تحولات که معمولاً از آن به عنوان انقلابی در عرصه زمین شناسی یاد می شود، نقش چشمگیری در شکوفایی این عرصه از علوم طبیعی طی دهه های اخیر داشته است. اما این مورد ظاهراً با مورد دیگری که از قضا ربط چندانی نیز به یکدیگر ندارند، شباهت هایی دارد.
فردی کاملاً عادی را در نظر بگیرید که در طول عمر خود بارها روبه روی ساعت معروف Big Ben در لندن پایتخت انگلیس ایستاده و از نزدیک با نحوه چرخش ظاهری عقربه های آن آشنا شده است. آیا چنین فردی اصولاً می تواند ادعا کند که تنها با نگاه دقیق به حرکت عقربه ها و صفحه های بسیار بزرگ این ساعت توانسته است به پیچیدگی ها و رموز عملکرد واقعی آن (که پشت پرده نهان است) پی ببرد؟ البته که خیر. وضعیت دانش امروزی بشر پیرامون تحولاتی که در لایه های عمیق تر زمین رخ می دهند نیز این گونه است.
اگر قرار باشد که با پی بردن به بخشی از حقایق مربوط به لایه های سطحی (که معمولاً به لایه های چینش یافته تا عمق صدکیلومتری زمین اطلاق می شود) مدعی شناخت دقیق ویژگی های همه لایه ها شویم یقیناً اشتباه کرده ایم. آن ۶۳۰۰ کیلومتر باقی مانده از جنس سنگ و آهن که زیر صفحه های تکتونیکی خوابیده است، جلوه تکامل یافته یی از نحوه عملکرد یک موتور حرارتی غول پیکر (کره زمین) را به نمایش می گذارد. «صفحه های تکتونیکی» که در نزدیکی های سطح زمین واقع شده اند، نقش همان عقربه های متحرکی را ایفا می کنند که عملاً صورت ظاهری کارکرد پیچیده یک ساعت فوق العاده بزرگ را نشان می دهند؛ عقربه هایی که از فواصل و زاویه های مختلف قابل رویت است، اما زبان گویایی در مورد پیچیدگی های ناپیدای عملکرد خود ندارند.
زمین شناسان معاصر توانسته اند با بهره گیری از اطلاعات جمع آوری شده توسط همقطاران خود در عرصه «تکتونیک صفحه یی» به تصویر بسیار ساده یی از آرایش لایه های عمقی زمین دسترسی پیدا کنند. زمین از دیدگاه آنان همانند یک «پیاز» است. متخصصان با عبور دادن امواج ارتعاشی در اعماق زمین، به این نتیجه رسیدند که زیر پوسته شکننده صفحه ها، لایه یی به ضخامت ۲۸۰۰ کیلومتر از سنگ قرار دارد که زیر آن نیز لایه دیگری به ضخامت ۳۴۷۰ کیلومتر از آهن مذاب (و در مرکز، آهن جامد) قرار گرفته است. لایه سطحی تر زمین جبه (Mantle) خود به دو لایه جزیی تر که مرز آن را عمق ۶۷۰ کیلومتری زمین مشخص می سازد، تقسیم می شود. لایه دیگری نیز به ضخامت ۲۰۰ کیلومتر زیر جبه به عنوان یک لایه فرعی قرار می گیرد. پس از بروز تحولات عظیم در عرصه شناخت لایه های سطحی تر زمین یا همان تکتونیک های صفحه یی، عملاً «مدل پیاز» طرفداران بیشتری را در مجامع علمی و دانشگاهی به خود جلب کرد.
تصویر غالب پیرامون فعالیت های درونی زمین، این سیاره را به سه لایه کلی تقسیم کرد؛ عمق ۶۷۰ کیلومتری به عنوان مرز دو لایه بالایی (همان طوری که در بالا نیز به آن اشاره شد) و مرکز (Core) به عنوان لایه سوم. بدین ترتیب، سیاره زمین را همانند ماشین بخاری با سه بخش متفاوت در نظر می گیرند. ساختار زمین تا عمق ۶۷۰ کیلومتری همانند دیگ بسیار کم عمقی است که آب در آن به آهستگی می جوشد. طی این فرآیند، گرما و سنگ از طریق برآمدگی های پدیدار شده در وسط اقیانوس به لایه های سطحی زمین راه می یابد که در نتیجه آن پوسته جدیدی(Crust) ساخته شده و کمی از حرارت اعماق زمین کاسته می شود. در مقابل، تکه های سرد صفحه های قدیمی از طریق گودال های موجود در کف دریاها به درون زمین راه می یابد. یک لایه نازک از سنگ داغ ممکن است درست از بالای مرز ۶۷۰ کیلومتری بالا بیاید تا یک نقطه داغ آتشفشانی، همانند هاوایی را بسازد. اما هیچ سنگ داغی از درون مرز ۶۷۰ کیلومتری بالا نیامده و هیچ سنگ سردی به درون آن فرو نرفته است.
احتمال ضعیف تری نیز مطرح است که جبه زمین همانند یک دیگ عمیق کار می کند که لایه های نازک سنگ دائماً از مرز هسته با پوسته جبه به بالا جابه جا می شوند. چهل سال جست وجو پیرامون حقایق فعالیت های درونی زمین با استفاده از پیشرفته ترین ابزارهای ثبت ارتعاش های درونی، باعث تقویت نظریه «موتور حرارتی زمین» شده است. با این حال، شدت مباحثات علمی پیرامون این نظریه هیچ گاه فروکش نکرده است. ثبت ارتعاش های درونی زمین با استفاده از ابزارهای پیشرفته امروزی آشکارا نشان می دهد که مرز ۶۷۰ کیلومتری زمین یک «سد نفوذناپذیر» نیست. تخته سنگ های بزرگ به درون این مرز رسوخ می کنند، هرچند به دشواری. مدافعان نظریه «تقسیم زمین به لایه های مجزا» نیز مرز رسوخ ناپذیر مورد ادعای خود را به عمق هزار کیلومتری یا حتی بیشتر از آن انتقال داده اند و به درستی خودشان را با اکتشاف های نوین تطبیق داده اند. گاهی نیز این احتمال مطرح می شود که شاید مرز انعطاف پذیر نیمه رسوخ پذیری وجود داشته باشد که فقط سنگ ها یا تیغه های بسیار قوی قادرند به درون آن نفوذ کنند.
اکنون فناوری تصویربرداری ارتعاش های لرزه یی به وجود دو توده بزرگ سنگ در لایه های پوسته یی تر در زیر قاره آفریقا و اقیانوس آرام نیز اشاره می کند. پژوهشگران با این عقیده مخالفند که دمای این توده های پیستونی شکل از میانگین دمای پوسته بیشتر و جرم حجمی آن نیز زیادتر باشد، ضمن اینکه آنها با فرض انتقال ناخواسته آنها به لایه های سطحی تر فقط به واسطه فشار جریان های پیرامونی نیز مخالفند. لایه های نازک سنگ که تا حدی ذوب شده اند سطوح پایینی جبه را پوشانده اند، اما هنوز معلوم نیست که آیا تیغه های بسیار باریک نیز در این سطوح یافت می شوند یا خیر. متخصصان زمین شیمی که بررسی خواص درونی عناصر و ایزوتوپ های موجود در سنگ های مشتق از جبه را در دستور کار خود دارند، نشانه های وجود پنج مخزن با عمر طولانی را یافته اند که باید میلیاردها سال در برابر اختلاط سنگ ها در جبه مقاومت کرده باشند. اما آنها نشانه یی در دست ندارند که این مخازن ممکن است در کجای جبه پنهان شده باشند.
چطور می توانیم از رازهای «ماشین سیاره یی زمین» که به طور فزاینده یی نیز پیچیده تر می شوند، پرده برداریم و مشخص سازیم که چه عاملی باعث شده است تا این سیاره با وجود همه تحولات ریز و درشت درونی خود، تا این اندازه قابل سکونت باشد؟ ظاهراً راهی جز تداوم پژوهش های قبلی و توسل جستن به عنصر شکیبایی وجود ندارد. روی هم رفته، تکتونیک های صفحه یی از بیش از نیم قرن پیش به دقت بررسی شده اند، اما باید پذیرفت که پژوهشگران اولیه به دلیل دسترسی به فناوری های ابتدایی تر مجبور بودند فقط لایه های سطحی تر دریاها و اقیانوس ها را کنکاش کنند. بهبود توانایی های بشر امروزی در سنجش ارتعاش های درونی زمین به موازات عرضه لرزه سنج های بسیار پیشرفته تر به بازار، باعث شده است تا امیدواری ها نسبت به تداوم اکتشاف های پیشین در عرصه تکتونیک صفحه یی تا حد زیادی افزایش پیدا کند. داده های حاصل از این قبیل ابزارهای پیشرفته هم اکنون باعث بروز توانمندی های چشمگیری در تشخیص دما از آثار ترکیبی نزد کارشناسان شده است.
افزایش توانمندی های فناوری پژوهشگران به ترسیم تصویر حتی پیچیده تری از ساختار جبه انجامیده است. فیزیکدان های فعال در حوزه مواد معدنی در برخی از معتبرترین آزمایشگاه های دنیا، هم اینک در حال رمزگشایی خواص بیشتری از سنگ های موجود در اعماق مختلف جبه هستند تا به کمک اکتشاف های جدید بتوانند تفسیر دقیق تری را از داده های حاصل از فعالیت های لرزه نگاری ارائه دهند. البته هنوز جزییات فراوانی از ترکیب ساختاری جبه ناشناخته باقی مانده و همین امر به مانعی بر سر راه پژوهشگران تبدیل شده است. کارشناسان، محققان و مدل سازان فعال در حوزه زمین شناسی قصد دارند در آینده با دقت بسیار بیشتری کل این ماشین (حرارتی) را شبیه سازی کنند. در صورت تحقق چنین فرضی یقیناً اطلاعات بیشتری در مورد ارتعاش های درونی زمین، فیزیک مواد معدنی و دیگر ویژگی های مربوط به مشاهده های ژئوفیزیکی از قبیل تنوع جاذبه یی حاصل خواهد شد. شاید ۴۰ سال دیگر برای تحقق چنین پیشرفتی لازم باشد. پس، امیدوارانه منتظر می مانیم.

ترجمه؛ علی عبدالمحمدی
www.sciencemag.org

منبع : روزنامه اعتماد