رازگشایی از یک پدیده عجیب علمی؛ برعکس شدن چرخش هسته زمین به چه معناست؟

نتایج این تحقیق که در مجله نیچر جئوساینس منتشر شده نشان می‌دهد که تغییر در جهت چرخش هسته داخلی زمین می‌تواند در یک بازه زمانی چند ده ساله اتفاق بیافتد.

نویسندگان این مقاله به نیوزویک گفتند: این یافته‌ها حاوی مفاهیمی از درک ما از چگونگی تاثیرات هسته زمین بر لایه‌های دیگر است.

سیاره ما از چندین لایه تشکیل شده است. لایه نازک بیرونی که با نام پوسته شناخته می‌شود عمدتا شامل سنگ‌های جامد است و بطور کلی در حدود ۳۲ تا ۴۸ کیلومتر در نواحی قاره‌ای ضخامت دارد. اگرچه میانگین ضخامت در مناطق اقیانوسی در حدود ۶.۵ کیلومتر است.

در زیر پوسته، گوشته قرار دارد که تقریبا ۲۹۰۰ کیلومتر به سمت پایین امتداد دارد و ۸۴٪ حجم کل زمین را تشکیل می‌دهد. این لایه جامد، متشکل از مواد سنگی بوده و متراکم‌تر از پوسته است. البته در بعضی مناطق ممکن است به دلیل فشاربالا، این مواد ذوب شوند.

در زیر گوشته، هسته زمین قرار داد که شامل یک بخش داخلی و یک بخش خارجی است. بخش خارجی هسته در حدود ۲۲۵۰ کیلومتر امتداد دارد و بیشتر شامل آهن و نیکل بوده و مایع است.

در مرکز سیاره ما هسته داخلی متراکم قرار دارد که حدود ۱۲۰۰ کیلومتر ضخامت دارد و تصور می‌شود که جامد باشد. این بخش در درجه اول از آهن تشکیل شده و در آن مقدار کمی نیکل و دیگر عناصرنیز وجود دارد.

در اواسط دهه ۱۹۹۰، شیائودونگ سانگ از اعضاء آزمایشگاه SinoProbe در دانشکده علوم زمین و فضایی دانشگاه پکن در چین و یکی از نویسندگان آخرین مطالعه در مورد زمین، با همکاری پل ریچاردز در دانشگاه کلمبیا اولین شواهد از چرخش مستقل هسته داخلی زمین را ارائه دادند.

آنها دریافتند هسته زمین، همانند خود زمین، در جهت شرقی می‌چرخد. البته سرعت آن کمی بیشتر از دیگر لایه‌های جامد زمین (گوشته و پوسته) است. این چرخش عمدتا توسط اثرات مغناطیسی و الکتریکی مایع هسته بیرونی و همچنین برهم کنش‌های گرانشی با گوشته انجام می‌شود.

اگرچه از زمان این کشف، موضوعات حل نشده متعددی نظیر: سرعت چرخش، و تغییر یا عدم تغییر چرخش هسته داخلی زمین برای ما وجود دارد.

در مقاله مجله نیچر جئوساینس آمده که چنین مسائلی به شیائودونگ وهمکارش یی یانگ ، که او نیز یکی از اعضا آزمایشگاه SinoProbe است، انگیزه زیادی داده تا در طول زمان، داده‌ها و اطلاعات بیشتری را برای آزمایش مدل‌های مختلف جمع‌آوری کنند و نهایتا بتوانند آخرین نتایج را منتشر کنند. آنها برای این مطالعه امواج زمین‌لرزه‌های تکرار شونده طبیعی از دهه ۱۹۶۰ که از هسته زمین عبور کرده‌اند را تجزیه و تحلیل کردند.

نویسندگان این مقاله در گفتگو با نیوزویک گفتند:«امواج لرزشی ناشی از زلزله‌های تکرار شونده، معمولا زمانی که به یک نقطه خاص می‌رسند، شکل موجی یکسانی دارند.اما با وجود تداخل موج‌های زلزله‌های تکرارشونده با هسته داخلی زمین ، از آنجایی که این موج‌ها ممکن است نمونه‌ای از ساختارهای مختلف هسته داخلی زمین باشند، امکان دارد شکل و زمان‌ رسیدن آنها متفاوت باشد.»

محققان توانستند با استفاده از این امواج لرزه‌ای، الگوی چرخش هسته داخلی زمین را در چند دهه گذشته دریابند و جزئیات جدیدی در مورد این فرآیند و ارتباط آن با سایر لایه‌های زمین را آشکار کنند.

یافته‌های آنها نشان می‌دهد که هسته داخلی زمین سریع‌تر از گوشته و پوسته زمین، و هم جهت با پوسته زمین و رو به سمت شرق می‌چرخد. این نتایج طی تحقیقات آنها از اوایل دهه ۱۹۷۰ تا سال ۲۰۰۹ بدست آمده است. به نظر می‌رسد که این چرخشها در بین سال‌های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۱، یا کمی بعد از آن متوقف شده باشند. داده‌های بدست آمده از آن زمان به بعد نشان می‌دهد که ظاهرا چرخش هسته زمین به تدریج معکوس شده است.

نویسندگان این مقاله می‌گویند:«شواهد نشان دهنده معکوس شدن چرخش هسته زمین، از سال ۲۰۰۹ بسیار قوی هستند و از نظر آماری می‌توانیم بگوییم این موضوع ۹۵٪ صحت دارد.»

همچنین آنها می‌گویند که این تغییرات احتمالا بخشی از نوسانی است که تقریبا در طول هفت دهه رخ می‌دهد، و نقطه عطف قبلی این اتفاق در اوایل دهه ۱۹۷۰ بوده است.

نویسندگان در ادامه گفتند:« این نتایج به درک بهتر ما از نحوه عملکرد درون زمین و نحوه تعامل لایه‌های مختلف کمک می‌کنند. چنین نوساناتی که طی چندین دهه رخ می‌دهند، در دیگر لایه‌های زمین نظیر هسته خارجی، گوشته و سطح زمین نیز وجود دارند و نشان‌دهنده احتمال تشدید سیستم زمین هستند.»

دو نیروی اصلی بر هسته داخلی زمین تاثیر می‌گذارند. اولین آنها نیروی الکترومغناطیسی است. میدان مغناطیسی زمین توسط مایع سیال در هسته بیرونی زمین ایجاد می‌شود. تصور می‌شود که میدان مغناطیسی بر روی هسته داخلی فلزی تاثیر بگذارد و آن هسته را به چرخش درآورد.

نیروی دیگری که بر هسته داخلی زمین تاثیر می‌گذارد نیروی جاذبه است. گوشته و هسته داخلی به شکل قابل توجهی در ویژگی‌های فیزیکی خود با هم متفاوت هستند، بنابراین جاذبه بین این ساختارها تمایل دارد تا هسته داخلی را به موقعیت تعادل گرانشی بکشاند.

محققان می‌گویند:«اگر این دو نیرو متعادل نباشند، حرکت هسته داخلی یا شتاب می‌گیرد و یا کند می‌شود. احتمالا نوسان ۷۰ ساله هسته داخلی زمین به وسیله نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی هدایت می‌شوند.»

به گفته دانشمندان، این نوسان با تغییرات دوره‌ای مشابه در دیگر مشاهدات ژئوفیزیکی، نظیر تغییرات میدان مغناطیسی یا طول روز مرتبط است.

چرخش هسته داخلی با نیروی مغناطیسی مرتبط است. این ارتباط به دلیل نیروهای الکترومغناطیسی بین هسته داخلی و میدان مغناطیسی ایجاد شده در هسته خارجی است.

همچنین این چرخش به دلیل جاذبه بین هسته داخلی و گوشته به مدت زمان طول روز مرتبط است. تعاملات گرانشی بین این دو ناحیه ممکن است سبب تغییر شکل در گوشته و پوسته زمین شود که آن را با فرآیندهای پوسته زمین مرتبط می‌سازد.

نویسندگان ادامه می‌دهند:«بنابراین ممکن است زمین از عمیق‌ترین قسمت تا سطح خارجی خود با تناوب چند دهه‌ای در حال رزونانس(افزایش دامنه) باشد.این مطالعه نشان می‌دهد که زمین دارای یک سیستم یکپارچه است و پیوندهای زیادی بین لایه‌های آن وجود دارد.»

نویسندگان تاکید کردند که علیرغم این یافته‌ها، محدودیت‌هایی برای این مطالعه وجود دارد. از آن جمله محدودیت زمان داده‌های لرزه‌ای موجود است.

دانشمندان می‌گویند:«اطلاعاتی که ما داریم شامل کمتر از ۶ دهه می‌شود، و هنوزیک چرخه کامل از نوسان هفتاد ساله را مشاهده نکرده‌ایم. ایستگاه‌های لرزه‌نگاری دیجیتالی مدرن از دهه ۱۹۹۰ به طور جهانی شروع به کار کرده‌اند. داده‌های لرزه‌نگاری قدیمی بیشتری در پرونده‌های کاغذی وجود دارند، اما آنها کاملا پراکنده هستند و دسترسی به آنها مشکل است.»