لبّ الأرض «كوكبٌ داخل كوكب» وضروريٌّ لبقاء الحياة

ما الذي سبب الانتعاش السريع للمجال المغناطيسي الأرضي؟ يعتقد العلماء على نحو متزايد، بأن السبب يكمن في ولادة اللبّ الداخلي للأرض، وهو كرة من الحديد الصلب داخل اللب الخارجي المنصهر، حيث يولّد المعدن المتماوج المجالَ المغناطيسي للكوكب. بمجرد ولادة اللب الداخلي، ربما بعد 4 مليارات سنة من الكوكب نفسه، بدأ يتنامى بشكل شبيه بالشجرة- بمعدل بضعة مليمترات في السنة على سطحه- وله حركات توربينية في اللب الخارجي، مما أحيا المجال المغناطيسي المتعثر وجدد الدرع الواقي للحياة.
لماذا وكيف ولد اللب الداخلي في تلك اللحظة؟ هو أحد الألغاز العديدة العالقة حول الجرم السماوي بحجم بلوتو، على مسافة 5000 كيلو متر تحت الأقدام. يقول هرفوجي تكاليتش، عالم الزلازل في الجامعة الوطنية الأسترالية (ANU): «اللب الداخلي هو كوكبٌ داخل كوكب»، مع تضاريسه الخاصة، ومعدل دورانه، وبنيته الخاصة. ويقول: «إنه تحت أقدامنا ومع ذلك ما زلنا لا نفهم بعض الأسئلة الكبيرة حوله».

دور دراسة الزلازل

بدأ الباحثون يتوصلون لبعض النتائج باستخدام الموجات الزلزالية النادرة من الزلازل أو الاختبارات النووية التي تخترق اللب الداخلي أو تنعكس عليه، واكتشف علماء الزلازل أن اللب يدور بشكل مستقل عن بقية الكوكب. وباستخدام نماذج حاسوبية معقدة، تنبأوا بالبنية والسلوك الغريب لسبائك الحديد التي سحقها وزن العالَم. ويقترب التجريبيون من تأكيد بعض تلك التنبؤات في المختبر من خلال إعادة محاكاة درجات الحرارة القصوى والضغط في اللب الداخلي.
سابقاً كان هناك اعتقاد قديم بأن مركز الأرض أجوف: موطن الجحيم أو نار الجحيم، أو عالم من الأنفاق التي تسخّن مياه المحيط. في وقت لاحق، بعد تقديرات خاطئة لكثافة القمر والأرض من قبل إسحق نيوتن، اقترح إدموند هالي في عام 1686 أنّ الأرض كانت عبارة عن سلسلة من الأصداف المتداخلة التي تحيط بدائرة تحرك المغناطيسية الملحوظة على السطح.
قدمت المبادئ الأساسية لتكوين الكواكب صورة أكثر واقعية. الفرضية تقول إنه منذ حوالي 4.5 مليارات سنة، ولدت الأرض على الأرجح نتيجة اصطدام العديد من «الكواكب الصغيرة» التي تشبه الكويكبات. كان الحديد الكثيف في الكواكب الصغيرة قد غرق في قلب الأرض الأولية المنصهرة، بينما ارتفعت صخور السيليكات الأخف مثل الزيت على الماء لتشكيل الوشاح. عند درجات حرارة تصل إلى آلاف الدرجات وملايين الضغط الجوي، سيظل اللب منصهراً، حتى مع تبريد وتصلّب وشاح الأرض وقشرة الأرض.
أكد علماء الزلازل في أوائل القرن العشرين هذا الرأي بدليل أساسي هو ما يسمى ظِلّ الزلزال. عندما يضرب الزلزال، يصدر التمزّق موجات أولية أو موجات ضغط (موجات P) في جميع الاتجاهات. تليها موجات جزئية (موجات S). بالنسبة للزلازل الكبيرة، كان علماء الزلازل قادرين على اكتشاف موجات P على الجانب الآخر من الكوكب، بعد تثنّيها وانكسارها بوساطة الطبقات الداخلية للأرض. لكن الغريب أن موجات S كانت مفقودة. وكان التفسير المنطقي هو فقط إذا كان اللب الحديدي سائلاً، لأنّ السوائل تفتقر إلى الصلابة التي تسمح لموجات S بالمرور.
وهكذا إلى أن تم اكتشاف الدوران الفائق للنواة الداخلية للأرض، الذي صدم العديد من الجيوفيزيائيين، الذين افترضوا أنه يدور بمعدل دوران الوشاح نفسه. ويمكن أن يقدم الدوران أدلة حول كيفية تزاوج اللب الداخلي مع اللب الخارجي وتأثيره على الدينامو المغناطيسي. يعتقد البعض أنه يمكن أن يساعد في تفسير سبب تجول الأقطاب المغناطيسية للأرض وتقلّبها من وقت لآخر.

تركيب اللب الداخلي للأرض

اللب الداخلي هو أكثر مكان معدني في الأرض- حتى أكثر من اللب الخارجي. كلاهما مصنوع في الغالب من الحديد، إلى جانب القليل من النيكل. لكن يُعتقد أن الحديد يحتوي أيضاً على آثار لعناصر أخف مثل الأكسجين والكربون والسيليكون. عندما يتبلور الحديد على السطح المتنامي للب الداخلي، فإنه يلفظ بعض هذه العناصر، تاركاً وراءه حديداً نقياً تقريباً، مثل الثلج المتجمد من دلو من الماء المالح، يطرد الملح ويصبح طازجاً إلى حد كبير. العناصر المطرودة، أخف من الحديد، ترتفع وتكتسح على طول السائل المحيط، مما يؤدي إلى 80% من الحمل الحراري الذي يولّد المجال المغناطيسي للأرض.

بنية الحديد في لب الأرض

طبيعة الحديد المتروك هي موضوع نقاش مستمر. ذرات الحديد على سطح الأرض تحزم نفسها في ترتيبات مكعّبة. ولكن عندما يتم ضغط عينات صغيرة من الحديد بين ماستين إلى ضغوط شبيهة باللب الداخلي، فإنّ الذرات تعيد ترتيبها في شكل سداسي. السؤال الصعب هو ماذا يحدث عندما يتم سحق الحديد وتسخينه في الوقت نفسه لآلاف الدرجات، كما تقول ليندوكا فوكالدو عالمة فيزياء المعادن الحاسوبية في جامعة لندن، إنه يصعب إعادة إنشاء هذه الظروف في المختبر، لأن الكربون الموجود في الماس غالباً ما يلوّث الحديد عند تسخين الجهاز. ولكن في نماذج الكمبيوتر، تقول «لا يوجد حد للضغط ودرجة الحرارة التي يمكنك الحصول عليها».
تشير النمذجة الحاسوبية التي قامت بها هذه العالمة ومعاونوها إلى أن التعبئة السداسية هي الترتيب الأكثر استقراراً في ظل الظروف الأساسية الداخلية. ووجدت النماذج أيضاً أنّ الحديد النقي يصبح طرياً عندما يستقر عند 98% من نقطة الانصهار، كما قد يحدث في جزء كبير من اللب الداخلي. يمكن أن يفسر هذا «التأثير السابق للانصهار»، كما يُطلق عليه، سببَ انتقال موجات S الزلزالية بشكل أبطأ بكثير مما كان متوقعاً في النواة الداخلية المفترضة الصلبة.

لغز اللب الداخلي الأعمق

إذا كان اللب الداخلي لكوكبنا لغزاً، فإنّ اللب الداخلي «الأعمق» هو ​​لغزٌ ملفوف في لغز. منذ الثمانينات، عرف علماء الزلازل أن الموجات الزلزالية تمرّ بشكل أسرع عبر اللب الداخلي على طول المحور الشمالي الجنوبي، ربما لأنّ بلورات الحديد لها محاذاة مشتركة، ويفترض أن تكون على طول الاتجاه السائد للمجال المغناطيسي للأرض. ولكن في عام 2002، اكتشف إيشي وآدم ديزيوفسكي، من جامعة هارفارد، أنه داخل كرة يبلغ قطرها حوالي 600 كيلومتر، يميل هذا الممر السريع بمقدار 45 درجة. يقول إيشي إنّ الشذوذ قد يكون من بقايا مجال مغناطيسي مائل قديم أو نواة من الحديد ذي البنية الجزيئية المكعبة بدلاً من السداسية.