هسته داخلی زمین کند شده و شروع به عقب‌گرد کرده است؛ مطالعه دانشگاه USC تأیید می‌کند

در اعماق زیر سطح زمین، قلمرویی قرار دارد که به اندازه دورترین ستارگان غیرقابل دسترس است. این دنیایی از گرمای شدید و فشار خردکننده است که زیر هزاران مایل سنگ و فلز مایع پنهن شده است. برای دهه‌ها، این مرز زیرزمینی موضوع بحث‌های شدید علمی بوده است و محققان برای نقشه‌برداری از مرزهای مرموز آن، به پژواک‌های ضعیف زمین‌لرزه‌ها تکیه کرده‌اند. اکنون، یک مطالعه پیشگامانه وضوح بی‌سابقه‌ای در مورد رفتار عمیق‌ترین لایه سیاره ما ارائه کرده است. هسته داخلی زمین، یک کره جامد از آهن و نیکل، در حال انجام کاری غیرمنتظره است: در حال کند شدن است.[6]

هسته داخلی یک موتور زمین‌شناسی شگفت‌انگیز است. این هسته تقریباً به اندازه پلوتو است، با قطری حدود ۲۴۴۲ کیلومتر، و بیش از ۳۰۰۰ مایل زیر پای ما قرار دارد. با وجود اینکه تنها یک درصد از کل جرم زمین را تشکیل می‌دهد، این توپ فلزی متراکم نقش بزرگی در سلامت کلی ژئوفیزیکی سیاره ایفا می‌کند. این هسته در داخل هسته بیرونی معلق است، یک اقیانوس متلاطم از آهن و نیکل مایع که میدان مغناطیسی محافظ جهان ما در برابر تشعشعات مضر خورشیدی را تولید می‌کند. از آنجایی که هسته داخلی را نمی‌توان مستقیماً بازدید یا مشاهده کرد، حرکات آن مدت‌ها در هاله‌ای از رمز و راز باقی مانده بود.[1][5]

یک مطالعه جدید به رهبری محققان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی (USC) سرانجام به یک مناقشه دو دهه‌ای در مورد سرعت چرخش هسته داخلی پایان داده است. این تحقیق که در مجله نیچر (Nature) منتشر شده است، شواهد غیرقابل انکاری ارائه می‌دهد مبنی بر اینکه هسته داخلی نسبت به سطح سیاره در حال کند شدن است. این پدیده، که لرزه‌شناسان از آن به عنوان «عقب‌گرد» (backtracking) یاد می‌کنند، نشان‌دهنده یک تغییر قابل توجه در درک ما از دینامیک‌های داخلی زمین است. یافته‌ها تأیید می‌کنند که چرخش هسته در حدود سال ۲۰۱۰ شروع به کاهش کرده، با چرخش زمین هماهنگ شده و در نهایت از آن عقب افتاده است.[1][2]

برای درک مفهوم عقب‌گرد، تصور دو خودرو که در یک بزرگراه در حال حرکت هستند، مفید است. اگر هر دو خودرو با سرعت یکسان حرکت کنند، نسبت به یکدیگر ثابت به نظر می‌رسند. اگر خودروی سریع‌تر ناگهان شتاب خود را کم کند و سرعتش از خودروی دوم کمتر شود، از دید راننده دوم به نظر می‌رسد که در حال حرکت به عقب است، حتی اگر هر دو همچنان رو به جلو حرکت کنند. به طور مشابه، هسته داخلی هنوز در همان جهت زمین می‌چرخد، اما چون سرعت چرخشی آن از گوشته و پوسته کمتر شده است، به نظر می‌رسد که در حال معکوس کردن مسیر است.[2][6]

سال‌ها، اجماع غالب در میان ژئوفیزیکدانان این بود که هسته داخلی کمی سریع‌تر از بقیه سیاره می‌چرخد. این نظریه، معروف به «فوق چرخش» (super-rotation)، توسط مدل‌های لرزه‌نگاری مختلفی که در اواخر دهه ۱۹۹۰ و اوایل دهه ۲۰۰۰ توسعه یافتند، پشتیبانی می‌شد. با این حال، با در دسترس قرار گرفتن داده‌های بیشتر، ناهماهنگی‌هایی شروع به ظهور کردند. برخی محققان استدلال می‌کردند که سرعت هسته در نوسان است، در حالی که برخی دیگر پیشنهاد می‌کردند که با حرکتی پیچیده‌تر، شبیه آونگ، حرکت می‌کند. مطالعه USC با استفاده از مجموعه داده‌های بسیار گسترده و بسیار دقیق، این ابهامات را برطرف کرده و قطعی‌ترین راه‌حل را تا به امروز ارائه می‌دهد.[1][2]

از آنجایی که دانشمندان نمی‌توانند به طور فیزیکی به هسته دسترسی پیدا کنند، باید برای بررسی اعماق آن به لرزه‌شناسی—مطالعه زمین‌لرزه‌ها—تکیه کنند. هنگامی که زمین‌لرزه‌ای رخ می‌دهد، امواج لرزه‌ای را از طریق فضای داخلی زمین منتشر می‌کند. با عبور این امواج از لایه‌های مختلف سنگ و فلز، سرعت و مسیر حرکت آنها تغییر می‌کند. با اندازه‌گیری مدت زمانی که طول می‌کشد تا این امواج به ایستگاه‌های لرزه‌نگاری در طرف دیگر کره زمین برسند، محققان می‌توانند تصویری از ساختارهایی که امواج از آنها عبور کرده‌اند، بازسازی کنند. این کار شبیه انجام یک سونوگرافی عظیم در مقیاس سیاره‌ای است.[5][6]

تیم USC، با همکاری محققانی از دانشگاه کرنل و دانشگاه یوتا، تحلیل خود را بر روی نوع خاصی از رویدادهای لرزه‌ای متمرکز کردند: زمین‌لرزه‌های تکراری. اینها زمین‌لرزه‌هایی هستند که دقیقاً در یک مکان رخ می‌دهند و لرزه‌نگاشت‌های تقریباً یکسانی تولید می‌کنند. با مقایسه امواج لرزه‌ای حاصل از زمین‌لرزه‌های تکراری که سال‌ها یا حتی دهه‌ها از هم فاصله داشتند، محققان توانستند تغییرات ظریفی را در موقعیت هسته داخلی تشخیص دهند. اگر هسته حرکت نکرده بود، امواج دقیقاً یکسان به نظر می‌رسیدند. این واقعیت که آنها تغییر کردند، شواهد حیاتی مورد نیاز برای ردیابی چرخش هسته را فراهم کرد.[2][3][4]

محققان یک مجموعه داده عظیم را گردآوری کردند و امواج لرزه‌ای حاصل از ۱۲۱ زمین‌لرزه تکراری را که بین سال‌های ۱۹۹۱ تا ۲۰۲۳ در اطراف جزایر ساندویچ جنوبی در اقیانوس اطلس جنوبی دورافتاده رخ داده بودند، تجزیه و تحلیل کردند. این منطقه کانون فعالیت‌های لرزه‌ای است و منبع ثابتی از سیگنال‌های اعماق زمین را فراهم می‌کند. با مقایسه دقیق شکل موج‌های حاصل از این زمین‌لرزه‌ها، تیم توانست پیشروی و پسروی هسته داخلی را با جزئیات بی‌سابقه‌ای نقشه‌برداری کند و لحظه دقیقی را که چرخش آن شروع به کند شدن کرد، شناسایی نماید.[1][2]

برای تأیید بیشتر یافته‌های خود، محققان داده‌های لرزه‌نگاری تاریخی را از منبعی بسیار متفاوت در نظر گرفتند: آزمایش‌های هسته‌ای. در طول جنگ سرد، اتحاد جماهیر شوروی، فرانسه و ایالات متحده انفجارهای هسته‌ای زیرزمینی متعددی انجام دادند. این انفجارها امواج لرزه‌ای قدرتمندی تولید کردند که از هسته زمین عبور کردند، بسیار شبیه زمین‌لرزه‌های طبیعی. با تجزیه و تحلیل داده‌های حاصل از آزمایش‌های دوقلوی شوروی که بین سال‌های ۱۹۷۱ و ۱۹۷۴ انجام شد، و همچنین آزمایش‌های فرانسه و آمریکا، تیم توانست یک خط مبنای تاریخی برای حرکت هسته ایجاد کند و تأیید نماید که کند شدن فعلی یک رویداد منحصر به فرد در دهه‌های اخیر است.[1][3]

چه چیزی باعث می‌شود این کره عظیم و بسیار داغ آهنی ترمز کند؟ پاسخ در تعامل پیچیده نیروها در اعماق زمین نهفته است. به گفته محققان، محرک اصلی کاهش سرعت هسته داخلی، تلاطم هسته بیرونی آهن مایع است که آن را احاطه کرده است. این لایه مایع در حرکت دائمی است که توسط جریان‌های همرفتی هدایت می‌شود و میدان مغناطیسی زمین را تولید می‌کند. دینامیک سیالات هسته بیرونی یک کشش فیزیکی بر روی هسته داخلی جامد اعمال می‌کند و بر سرعت چرخش آن تأثیر می‌گذارد.[1][5]

علاوه بر دینامیک سیالات هسته بیرونی، هسته داخلی نیز تحت تأثیر نیروهای گرانشی از بالا قرار دارد. گوشته زمین، لایه ضخیم سنگی که بین پوسته و هسته بیرونی قرار دارد، کاملاً یکنواخت نیست. این لایه حاوی مناطق متراکمی از سنگ است که یک کشش گرانشی بر روی هسته داخلی اعمال می‌کنند. این جفت‌شدگی گرانشی بین گوشته و هسته داخلی به عنوان یک مکانیسم ترمز ثانویه عمل می‌کند و بیشتر به کاهش سرعت هسته و هماهنگ‌سازی حرکت آن با چرخش کلی سیاره کمک می‌کند.[1][3]

در حالی که ایده کند شدن هسته زمین ممکن است شبیه مقدمه یک فیلم فاجعه‌بار به نظر برسد، واقعیت بسیار کمتر دراماتیک است. اثرات این تغییر ژئوفیزیکی بر سطح زمین به طرز باورنکردنی ظریف و تقریباً نامحسوس است. مستقیم‌ترین پیامد عقب‌گرد هسته داخلی، تغییر جزئی در طول روز است. از آنجایی که چرخش هسته بر تکانه زاویه‌ای کلی سیاره تأثیر می‌گذارد، کاهش سرعت آن می‌تواند باعث شود زمین کمی کندتر بچرخد و طول روز را به اندازه کسری بسیار کوچک از یک ثانیه افزایش دهد.[2][5]

به طور دقیق، محققان تخمین می‌زنند که عقب‌گرد هسته داخلی ممکن است طول روز را تقریباً به اندازه یک هزارم ثانیه تغییر دهد. این تغییر میکروسکوپی کاملاً در نویز سایر دینامیک‌های سیاره‌ای گم می‌شود. تلاطم اقیانوس‌ها، جابجایی جریان‌های جوی و حتی ذوب شدن کلاهک‌های یخی قطبی، همگی تأثیر بسیار بیشتری بر چرخش زمین نسبت به رقص ظریف هسته داخلی دارند. برای یک فرد عادی، این نقطه عطف ژئوفیزیکی کاملاً نادیده گرفته خواهد شد.[1][3]

با این حال، برای جامعه علمی، پیامدهای این کشف عمیق است. هسته داخلی ارتباط نزدیکی با تولید میدان مغناطیسی زمین دارد، سپری نامرئی که سیاره را از بادهای خورشیدی مضر و تشعشعات کیهانی محافظت می‌کند. این مطالعه با ارائه یک مدل دقیق‌تر از چرخش هسته داخلی، محدودیت‌های حیاتی در مورد ویسکوزیته هسته و تکامل بلندمدت میدان ژئومغناطیسی ارائه می‌دهد. درک این فرآیندهای اعماق زمین برای پیش‌بینی چگونگی تغییر میدان مغناطیسی در آینده ضروری است.[3][6]

مطالعه USC نشان‌دهنده پیروزی لرزه‌شناسی مدرن است و نشان می‌دهد که چگونه دهه‌ها جمع‌آوری دقیق داده‌ها می‌تواند در نهایت اسرار عمیق سیاره را آشکار کند. همانطور که محققان به نظارت بر پژواک‌های لرزه‌ای زمین‌لرزه‌ها و اصلاح مدل‌های خود ادامه می‌دهند، امیدوارند که مسیر هسته داخلی را با جزئیات بیشتری ترسیم کنند. زمین زیر پای ما یک سنگ ایستا نیست، بلکه یک موتور پویا و در حال تغییر است. همانطور که این تحقیق پیشگامانه نشان می‌دهد، رقص هسته داخلی بسیار پیچیده‌تر و زنده‌تر از آن چیزی است که تصور می‌کردیم.[1][6]

در نهایت، تأیید عقب‌گرد هسته داخلی گواهی بر کنجکاوی انسان و پیگیری بی‌وقفه دانش است. این به ما یادآوری می‌کند که حتی پس از قرن‌ها تحقیق علمی، سیاره خانه ما هنوز اسرار عمیقی را در خود جای داده است. زمین یک سیستم پیچیده و به هم پیوسته است که در آن جابجایی ظریف یک کره فلزی در هزاران مایل زیر زمین می‌تواند به بیرون موج بزند و محیط مغناطیسی کل کره زمین را شکل دهد. همانطور که داده‌های لرزه‌ای جدید همچنان سرازیر می‌شوند، فصل بعدی در داستان فضای داخلی زمین در انتظار نگارش است.[6]