چرا ساختارهای مرموز در زیرپوستهٔ زمین سرنخ‌های حیات را در خود دارند
نوشته کیتا مکفرسون، دانشگاه روتگرز
برای دهه‌ها، دانشمندان از دو سازهٔ عظیم و معمایی که در اعماق زمین پنهان‌اند، شگفت‌زده شده‌اند؛ ویژگی‌های این ساختارها آن‌قدر وسیع و غیرمعمول است که مدل‌های سنتی تکامل سیاره‌ای را به چالش می‌کشد.
اکنون، مطالعه‌ای که در Nature Geoscience منتشر شده توسط دینامیک‌گردان ژئوفیزیکی روتگرز، میازاکی یوشینوری، به همراه همکاران، توضیحی شگفت‌انگیز و جدید برای این ناهماهنگی‌ها و نقش آن‌ها در شکل‌گیری توانایی زمین برای پشتیبانی از حیات ارائه می‌دهد.
ساختارهای غیرمعمول در عمق زمین
سازه‌ها که به عنوان نواحی وسیع سرعت برشی کم و نواحی سرعت فوق‌پایین شناخته می‌شوند، در مرز بین مانتهٔ زمین و هستهٔ آن، تقریباً ۲۸۰۰ کیلومتر (۱٬۸۰۰ مایل) زیر سطح قرار دارند. نواحی وسیع سرعت برشی کم، توده‌های سنگی چگال و گرم به‌اندازهٔ قاره هستند؛ یکی زیر قارهٔ افریقا و دیگری زیر اقیانوس آرام قرار دارد. نواحی سرعت فوق‌پایین، لایه‌های نازک و مذاب هستند که همانند برکه‌های لاوانه به هسته می‌چسبند. هر دو نوع این سازه‌ها امواج لرزه‌ای را به‌طور چشمگیری کند می‌کنند که نشان‌دهنده ترکیب غیرمعمول آن‌هاست.
«این‌ها پدیده‌های تصادفی نیستند»، میازاکی، استادیار بخش علوم زمین و سیارات در دانشکده هنرها و علوم روتگرز گفت. «آن‌ها ردهای اولیه تاریخ زمین هستند. اگر بتوانیم دلیل وجودشان را درک کنیم، می‌توانیم چگونگی شکل‌گیری سیاره‌مان و دلیل قابل سکونت شدن آن را بفهمیم.»
حل معمای زیرپوستهٔ زمین
میازاکی می‌گوید که چند میلیارد سال پیش، زمین توسط یک اقیانوس جهانی از ماگما پوشیده بود. هنگام سرد شدن، دانشمندان انتظار داشتند مانته لایه‌های شیمیایی متمایزی شکل گیرد، همانند آب‌میوهٔ منجمد که به لایه‌های شیرهٔ غلیظ و یخ‌های آب‌دار تقسیم می‌شود. اما مطالعات لرزه‌ای نشان می‌دهند چنین لایه‌گذاری قوی وجود ندارد. در عوض، نواحی وسیع سرعت برشی کم و نواحی سرعت فوق‌پایین در پایهٔ سیاره به صورت انبوه‌های نامنظم شکل می‌گیرند.
«این تناقض نقطهٔ شروع بود. اگر از اقیانوس ماگما شروع کنیم و محاسبات را انجام دهیم، همان چیزی که امروز در زیرپوستهٔ زمین می‌بینیم به دست نمی‌آید. چیزی کم بود.» میازاکی افزود.
همکاران او بر این نتیجه رسیدند که قطعه گمشده خود هسته است. مدل آن‌ها نشان می‌دهد که در طول چند میلیارد سال، عناصری چون سیلیکون و منیزیم از هسته به مانته نفوذ کرده، آن را با خود مخلوط کرده و از شکل‌گیری لایه‌های شیمیایی قوی جلوگیری کرده‌اند. این ترکیب می‌تواند ترکیب غیرعادی نواحی وسیع سرعت برشی کم و نواحی سرعت فوق‌پایین را توضیح دهد؛ در واقع این مناطق می‌توانند به‌عنوان بقایای جامد شدهٔ آن «اقیانوس ماگمای پایه» که توسط مواد هسته‌ای آلوده شده‌اند، در نظر گرفته شوند.
«پیشنهاد ما این بود که این مواد ممکن است از نشت هسته ناشی شوند. اگر مؤلفهٔ هسته را اضافه کنیم، می‌تواند آنچه را که در حال حاضر می‌بینیم توضیح دهد.» میازاکی گفت.
پیامدهای قابل سکونت بودن و تکامل زمین
میازاکی گفت این کشف فراتر از شیمی عمیق زمین است. تعاملات هسته‑مانته می‌توانستند بر سرماشوندگی زمین، روند فعالیت‌های آتشفشانی و حتی تکامل جو آن تأثیر بگذارند. این مساله می‌تواند به توضیح این موضوع کمک کند که چرا زمین دارای اقیانوس‌ها و حیات است، در حالی که ونوس یک گلخانهٔ سوزان و مریخ یک بیابان یخبند است.
میازاکی افزود: «زمین آب، حیات و جوی نسبتاً پایدار دارد. جو ونوس صد برابر ضخامت زمینی است و عمدتاً از دی‌اکسید کربن تشکیل شده؛ در حالی که جو مریخ بسیار نازک است. هنوز به‌طور کامل نمی‌دانیم چرا این‌گونه است. اما آنچه در داخل یک سیاره رخ می‌دهد، یعنی چگونگی سرماشوندگی و تکامل لایه‌های آن، می‌تواند بخش عمده‌ای از پاسخ باشد.»
با ادغام داده‌های لرزه‌ای، فیزیک مواد معدنی و مدل‌سازی ژئودینامیکی، این مطالعه نواحی وسیع سرعت برشی کم و نواحی سرعت فوق‌پایین را به‌عنوان سرنخ‌های حیاتی برای فرآیندهای شکل‌گیری زمین بازنگری کرد. این ساختارها حتی می‌توانند به مرکزهای داغ آتشفشانی مانند هاوایی و ایسلند تغذیه کنند و عمق زمین را به سطح آن پیوند دهند.
جی دنگ از دانشگاه پرینستون، که یکی از نویسندگان این مطالعه است، گفت: «این کار نمونه‌ای عالی است از اینکه ترکیب علوم سیاره‌ای، ژئودینامیک و فیزیک مواد معدنی می‌تواند به ما در حل برخی از قدیمی‌ترین رازهای زمین کمک کند. ایدهٔ اینکه زیرمانته عمیق می‌تواند هنوز حافظهٔ شیمیایی تعاملات اولیه هسته‑مانته را نگه دارد، راه‌های جدیدی برای درک تکامل منحصر به فرد زمین باز می‌کند.»
با تکیه بر این ایده، پژوهشگران می‌گویند هر قطعه جدید شواهد به پر کردن خلأهای تاریخ اولیهٔ زمین کمک می‌کند و سرنخ‌های پراکنده را به تصویری واضح‌تر از تکامل آن تبدیل می‌سازد.
میازاکی گفت: «حتی با تعداد کمی سرنخ، ما در حال ساختن داستانی منطقی هستیم. این مطالعه اندکی اطمینان بیشتر دربارهٔ چگونگی تکامل زمین و دلایل خاص بودن آن به ما می‌دهد.»