کشف ۴۵ اقیانوس هیدروژن در هسته زمین

زومیت: هسته زمین احتمالا میزبان ۴۵ اقیانوس هیدروژن است؛ یافته‌ای که نشان می‌دهد آب از همان ابتدای خلقت، در تاروپود سیاره ما حضور داشته است.

نتایج آزمایش‌های جدید برای سنجش میزان سبک‌ترین عنصر کیهان در مرکز زمین، نشان می‌دهد که بخش عمده‌ای از ذخایر آب سیاره ما از همان دوران ابتدایی پیدایش منظومه شمسی در اینجا حضور داشته است.

به‌گزارش ساینتیفیک‌امریکن، مطالعات پژوهشگران حاکی از آن است که هسته زمین احتمالاً معادل ۹ تا ۴۵ اقیانوس، هیدروژن در اعماق خود جای داده است. چنین تخمینی نشان می‌دهد که سیاره ما از دیسکی متشکل از گاز و غبار شکل گرفته که به‌شدت غنی از هیدروژن بوده است.

یافته‌های پژوهش فرضیه‌ی قدیمی انتقال آب به زمین توسط دنباله‌دارها و اجرام یخی را با چالشی جدی روبرو می‌کند. طبق شواهد، آب از همان لحظه تولد زمین همراهش بوده و پیوندی دیرینه با ساختار اولیه‌ی سیاره دارد. هیلک اشلیختینگ، استاد علوم زمین و فضا در دانشگاه کالیفرنیا، معتقد است این کشف شیوه‌ی تفکر دانشمندان درباره‌ی منشأ آب در زمین را به‌کل دگرگون می‌کند.

آهن، عنصر اصلی تشکیل‌دهنده‌ی هسته زمین است، اما محاسبات نشان می‌دهد که چگالی هسته کمتر از آن است که تنها از آهن خالص ساخته شده باشد. کشف درصد دقیق عناصر سبک‌تر در ترکیب هسته، کلید فهم چگونگی شکل‌گیری زمین است. به دلیل عمق بسیار زیاد و فقدان دسترسی مستقیم، محققان ناچارند به شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و آزمایش‌های پیچیده در فشار بالا تکیه کنند. در آزمایش‌ها، مقادیر میکروسکوپی از عناصر مختلف در دستگاهی به نام «سلول سندان الماسی» تحت فشار و دمایی مشابه مرکز زمین قرار می‌گیرند.

هیدروژن در شرایط آزمایشگاهی همواره عنصری چالش‌برانگیز بوده است؛ زیرا به گفته‌ی آنات شاهار، دانشمند مؤسسه‌ی کارنگی، این عنصر به دلیل سبکی مفرط و قابلیت نفوذ بالا، به‌سرعت پخش و از کنترل خارج می‌شود.

دونیانگ هوانگ، استاد علوم زمین دانشگاه پکن، به همراه تیم خود موفق شد راهی برای مهار هیدروژن بیابد. پژوهشگران نمونه‌های ناچیزی از آهن و شیشه سیلیکات هیدراته (مدلی از اقیانوس ماگمایی اولیه زمین) را میان دو الماس قرار داده و تا دمای خیره‌کننده ۴٬۸۲۷ درجه سانتی‌گراد گرم کردند. مواد هم‌زمان تحت فشار ۱۱۱ گیگاپاسکال قرار گرفتند تا شرایط واقعی اعماق زمین بازسازی شود.

تیم تحقیقاتی در مرحله‌ی بعد، نمونه‌ها را به سوزن‌هایی با نوک ۲۰ نانومتری تبدیل و با استفاده از بمباران پرتو یونی متمرکز، اتم‌ها را یکی‌یکی برای تحلیل دقیق جدا کردند. نتایج نشان داد که اتم‌های سیلیسیم، اکسیژن و هیدروژن در زمان شکل‌گیری سیاره‌ای مانند زمین، چگونه در دل آهن محبوس می‌شوند. طبق محاسبات هوانگ، هیدروژن بین ۰٫۰۷ تا ۰٫۳۶ درصد از وزن هسته را تشکیل می‌دهد که در مقیاس سیاره‌ای، معادل حجمی عظیم از آب در اعماق زمین است.

ذخیره‌ی چنین حجمی از هیدروژن در هسته، تنها در نخستین مراحل شکل‌گیری زمین امکان‌پذیر بوده است. این واقعیت نشان می‌دهد که چرخه‌ی آب از حدود ۴٫۵ میلیارد سال پیش، یعنی درست از زمانی که هسته شروع به سردشدن کرد و فرآیند تبلور عناصر در آن آغاز شد، در سیاره‌ی ما نقش‌آفرینی کرده است.

تبلور عناصر در اعماق زمین، فرآیند همرفتی را در هسته تقویت کرده است. این جریان‌های حرکتی، نیروی لازم برای فعالیت «ژئودینامو» یا همان موتور الکتریکی طبیعی زمین را فراهم کردند تا میدان مغناطیسی سیاره شکل بگیرد؛ میدانی که امروزه به عنوان سپری حیاتی، زمین را به مکانی سکونت‌پذیر برای انسان و سایر موجودات تبدیل کرده است.

پژوهش در نشریه‌ی Nature Communications منتشر شده است.