آدينه 24 قوس|آذر 1396 برابر با 15 دسمبر 2017

معماری هستۀ زمین: عمر میدان مغناطیسی زمین چه‌قدر است؟



 27 جوزا|خرداد 1395

یونس بخشی اخترشناس  

زمین از چهار بخش هستۀ درونی، هستۀ بیرونی، گوشته و پوسته ساخته شده است

اگر هستۀ پویای زمین نمی‌بود، میدان مغناطیسی نیز وجود نداشت و در نهایت حیات به شکل امروزی پا نمی‌گرفت. اما این‌که این ساعت طبیعی از چه زمانی می‌چرخد و چه مقدار گرما را به گوشتۀ زمین پمپ می‌کند، فراتر از یک محاسبۀ ساده است.

خورشید حیات‌بخش اگر دستش به ما برسد، با پرتوهای مرگبار و ذرات شارژدارش نابودمان می‌کند. خوشبختانه پوشش مغناطیسی زمین ـ مگنتوسفیر - ما را در برابر چنین پرتوهای کشنده‌یی محفاظت می‌کند. اما عمر میدان مغناطیسی زمین چقدر است و چنین پوششی چه زمانی شکل گرفته است. بر پایۀ آزمایش‌ها، طول عمر میدان مغناطیسی 700 میلیون سال است. اما دیدگاهی نیز وجود دارد که عمر این میدان را سه میلیارد سال ـ تقریباً برابر با ‌سن حیات در زمین ـ می‌داند.

صرف نظر از این که عمر این پوشش مغناطیسی چقدر است، باید بدانیم که چه‌گونه کار می‌کند و چه‌طور ما را در برابر تابش‌های مرگبار خورشید و دیگر ستاره‌ها محافظت می‌کند.

سیارۀ زیبای زمین از چهار لایه یا بخش ساخته شده است: هستۀ درونی، هستۀ بیرونی، گوشته و پوسته. هستۀ درونی با قطر 1220 کیلومتر - 70 درصد قطر ماه - از آهن و نیکل سفت و محکمی ساخته شده و در اثر فشار زیاد، دما در آن‌جا تا 5700 درجه - به اندازۀ دما در سطح خورشید ـ می‌رسد. هستۀ بیرونی زمین دریایی از آهن و نیکل مایع است که دور تا دور این هستۀ آهنی درونی را پوشانیده است. وقتی در روند کریستالیزه کردن نیرو، دما در هستۀ درونی بالا می‌رود، به شکل مستقیم دما به هستۀ بیرونی - هستۀ مایع - انتقال می‌یابد و باعث بالارفتن دما در هستۀ بیرونی می‌شود. هستۀ بیرونی که همیشه در تلاطم است، دما را به لایۀ بالاتر - گوشتۀ زمین - منتقل می‌کند. پس از آن، آهن که بخش عمدۀ هستۀ بیرونی را ساخته، سردتر می‌شود و منتظر جذب دمای بیشتر از هستۀ درونی می‌‎باشد.

میدان مغناطیسی زمین پوششی مطمین در برابر تابش‌های مرگبار فضا

این انتقال دما از هستۀ درونی به هستۀ بیرونی یعنی جریان همرفت دما به نام «جیودینامو» یا پویایی زمین، جریان الکتریسیته را به دور زمین ایجاد می‌کند که در واقع همان میدان مغناطیسی یا مگنتوسفیر زمین می‌باشد. به زبان ساده‌تر در اثر چرخش هستۀ درونی و چرخش هستۀ بیرونی مایع، جریان الکتریسیته مثل دینامو عمل می‌کند و پوشش مغناطیسی را با دو قطب شمال و جنوب در اطراف زمین شکل می‌دهد. ما نمی‌توانیم به هستۀ زمین یک دوربین بفرستیم تا ببینیم این فرایند در عمل چه‌گونه اتفاق می‌افتد؛ اما دانشمندان با استفاده از شبیه‌سازی‌، رفتار هر دو هستۀ درونی و بیرونی را با دقت در آزمایشگاه‌ها بازسازی می‌کنند. ما دقیقأ نمی‌دانیم آهن بعد از این که زیر فشار یک میلیون بیشتر از فشار سطح آب به بیش از 4 هزار درجه داغ می‌شود، چه‌گونه رفتار می‌کند؟

برای درک این موضع دانشمندان تلاش کردند تا مرز میان هستۀ بیرونی و گوشتۀ زمین را در آزمایشگاه اندازه‌گیری کنند. در این آزمایش از سلول‌های یک سندان الماس که با استفاده از لیزر بسیار داغ شده بود، استفاده شد. دانشمندان در وسط دو سندان الماسی، یک لایۀ بسیار نازک از آهن را - به اندازۀ سر سنجاق - قرار دادند و بعد فشار بسیار زیادی را بر آن وارد کرده و با استفاده از لیزر، آن را به شدت داغ کردند.

در نتیجۀ این آزمایش، جریان همرفت - انتقال گرما - با دقت اندازه‌گیری شد. دانشمندان با توجه به میزان انتقال گرما دریافتند که هستۀ درونی - گلولۀ آهنی ـ زمین بیش از 700 میلیون سال عمر دارد.

شفق‌های قطبی نتیجۀ برخورد توفان‌های خورشیدی با میدان مغناطیسی زمین است

اگر چه گروه دیگری از دانشمندان در یک آزمایش دیگر عمر میدان مغناطیسی را بین 2 تا 3 میلیارد سال تخمین زده‌ بودند، ولی به هر حال وجود این پوشش از گذشته‌ها زمینۀ رشد حیات را به شکل کنونی فراهم ساخته بود.

در سطح خورشید هرازگاهی یک زبانه و گاهی هم توفان، میلیون‌ها تن ذرۀ شارژدار پروتون و الکترون را به فضا پرتاب می‌کند. به گونۀ مثال، شعله‌ها سبب واپاشی ماده در تاج خورشید می‌شوند و بعد توفانی از ذرات شارژدار به سمت زمین و دیگر سیارات ـ با سرعت یک میلیون کیلومتر در ساعت ـ حرکت می‌کند. این ذرات وقتی با میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند، توسط دو قطب میدان مغناطیسی به درون زمین کشانده شده و شارژ ذرات در برخورد با مولکول‌های مختلف در اتموسفیر تخلیه می‌شود. اگر میدان مغناطیسی نباشد، این ذرات شارژدار در اولین تماس‌شان با بدن، پوست را می‌سوزانند و باعث نابودی گیاهان و حیوانات می‌شوند.

سیارۀ مریخ پوشش مغناطیسی ندارد و به همین دلیل انسان مهاجر در آینده هرگز نمی‌تواند، بدون لباس مخصوص زیر آفتاب بخوابد یا صورتش را در برابر باد قرار دهد. بنابرین پوشش مغناطیسی که حاصل برخورد هستۀ درونی و هستۀ بیرونی زمین است، سیاره ما را به مکان امنی در قلمرو خورشید مبدل ساخته است. جالب‌تر این که برخورد توفان‌های خورشیدی با میدان مغناطیسی زمین ابرهای زیبایی را به رنگ سبز - سرخ به نام شفق‌های قطبی در آسمان شهرهای نزدیک دو قطب زمین به وجود می‌آورد که برای اخترشناسان، عکاسان و گردشگران بسیار جذاب و زیباست.