ترکیب بخش عمده، هسته بیرونی زمین، آهن خالص نیست، اما دارای کمبود چگالی در حدود 5-10٪ است که نشان دهنده وجود مقدار قابل توجهی از عناصر سبک در هسته بیرونی، احتمالاً از جمله هیدروژن، کربن، نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و سیلیکون. اینها مشاهدات سرعت موج لرزه ای و چگالی هسته بیرونی زمین هستند.

به عنوان زمین سرد می شود، تبلور آهن مایع عناصر سبک را آزاد می کند و هسته داخلی جامد رشد می کند. مقیاس زمانی فرآیند انجماد آهن و همرفت مرتبط (ژئودینامو) نامشخص است. 

اگر عناصر نور آزاد شده به صورت محلی متمرکز شوند، ممکن است تأثیر قابل تشخیصی بر سرعت موج لرزه ای محلی داشته باشند. امواج لرزه ای تولید شده توسط زمین لرزه های بزرگ نمونه برداری مستقیم از هسته بیرونی زمین را ارائه می دهد. سرعت انتشار موج لرزه ای در هسته بیرونی می تواند برای محدود کردن ناهمگنی های جانبی در هسته خارجی استفاده شود.

دو زلزله، یک منطقه، و تفاوت شگفت انگیز

در می 1997، زمین لرزه بزرگی منطقه جزایر کرمادک در اقیانوس آرام جنوبی را لرزاند. تقریباً 20 سال بعد، در سپتامبر 2018، دومین زمین لرزه بزرگ در همان مکان رخ داد که امواج انرژی لرزه ای آن از همان منطقه منتشر شد.

یینگ ژو، دانشمند زمین شناسی، گفت: اگرچه زمین لرزه ها با فاصله دو دهه از هم رخ داده اند، زیرا در یک منطقه اتفاق افتاده اند، انتظار می رود که امواج لرزه ای را با همان سرعت از لایه های زمین بفرستند. گروه علوم زمین در فناوری ویرجینیا کالج علم.

اما در داده های ثبت شده در چهار ایستگاه از بیش از 150 ایستگاه شبکه جهانی لرزه نگاری که ارتعاشات لرزه ای را در زمان واقعی ثبت می کنند، ژو متوجه یک ناهنجاری در بین دو رویداد شد: در طول زلزله 2018، مجموعه ای از امواج لرزه ای معروف به امواج SKS حدود یک ثانیه حرکت کردند. سریعتر از همتایان خود در سال 1997.

به گفته ژو، که یافته‌هایش اخیراً در ارتباطات طبیعت زمین و محیط زیست، این اختلاف یک ثانیه ای در زمان سفر موج SKS به ما یک نگاه اجمالی مهم و بی سابقه از آنچه در اعماق زمین، در هسته بیرونی آن اتفاق می افتد، می دهد.

ساختار داخلی بیشترین اهمیت را دارد

هسته بیرونی بین گوشته، لایه ضخیم سنگ در زیر پوسته زمین، و هسته داخلی، عمیق ترین لایه داخلی سیاره قرار گرفته است. عمدتاً از آهن مایع تشکیل شده است که با سرد شدن زمین تحت همرفت یا جریان سیال قرار می گیرد. این چرخش حاصل از فلز مایع، جریان‌های الکتریکی تولید می‌کند که مسئول تولید میدان مغناطیسی زمین است، که از سیاره و تمام حیات روی آن در برابر تشعشعات مضر و بادهای خورشیدی محافظت می‌کند.

بدون میدان مغناطیسی خود، زمین نمی توانست حیات را حفظ کند، و بدون جریان های متحرک فلز مایع در هسته بیرونی، میدان مغناطیسی کار نمی کند. ژو، دانشیار گفت، اما درک علمی این پویایی مبتنی بر شبیه سازی است. او گفت: "ما فقط می دانیم که از نظر تئوری، اگر شما همرفت در هسته خارجی داشته باشید، می توانید میدان مغناطیسی ایجاد کنید."

دانشمندان همچنین تنها توانسته‌اند در مورد منبع تغییرات تدریجی در قدرت و جهت میدان مغناطیسی که مشاهده شده‌اند، حدس بزنند که احتمالاً شامل تغییر جریان در هسته بیرونی است.

ژو گفت: «اگر به قطب ژئومغناطیسی شمالی نگاه کنید، در حال حاضر با سرعتی در حدود 50 کیلومتر [31 مایل] در سال در حال حرکت است. از کانادا دور می شود و به سمت سیبری می رود. میدان مغناطیسی هر روز یکسان نیست. در حال تغییر است. از آنجایی که در حال تغییر است، ما همچنین حدس می زنیم که همرفت در هسته بیرونی با گذشت زمان در حال تغییر است، اما هیچ مدرک مستقیمی وجود ندارد. ما هرگز آن را ندیده‌ایم.»

ژو به دنبال یافتن آن شواهد شد. او گفت که تغییراتی که در هسته بیرونی اتفاق می‌افتد چشمگیر نیستند، اما ارزش تایید و درک اساسی را دارند. در امواج لرزه ای و تغییرات سرعت آنها در مقیاس زمانی یک دهه، ژو وسیله ای برای "نمونه برداری مستقیم" از هسته بیرونی دید. این به این دلیل است که امواج SKS که او مطالعه کرد درست از آن عبور می کند.

"SKS" سه فاز موج را نشان می دهد: ابتدا به صورت موج S یا موج برشی از گوشته عبور می کند. سپس به عنوان یک موج فشاری وارد هسته خارجی می شود. سپس به عنوان موج S از گوشته خارج شوید. سرعت حرکت این امواج تا حدی به چگالی هسته خارجی که در مسیر آنها قرار دارد بستگی دارد. اگر چگالی در ناحیه ای از هسته خارجی با نفوذ موج کمتر باشد، موج سریعتر حرکت می کند، درست مانند امواج غیرعادی SKS در سال 2018.

ژو گفت: "چیزی در مسیر آن موج تغییر کرده است، بنابراین می تواند اکنون سریعتر حرکت کند."

از نظر ژو، تفاوت در سرعت موج به مناطق با چگالی کم اشاره دارد که در 20 سال از سال 1997 در هسته بیرونی تشکیل شده اند. زلزله. او گفت که سرعت بالاتر موج SKS در طول زلزله 2018 را می توان به انتشار عناصر سبک مانند هیدروژن، کربن و اکسیژن در هسته بیرونی در طول همرفتی که با سرد شدن زمین انجام می شود نسبت داد.

ژو گفت: «موادی که 20 سال پیش آنجا بود، دیگر وجود ندارد. این ماده جدید است و سبک تر است. این عناصر سبک به سمت بالا حرکت می کنند و چگالی را در منطقه ای که در آن قرار دارند تغییر می دهند.

از نظر ژو، این شواهدی است که نشان می‌دهد حرکت واقعاً در هسته اتفاق می‌افتد، و همانطور که دانشمندان نظریه‌پردازی کرده‌اند، با گذشت زمان در حال تغییر است. او گفت: "ما اکنون می توانیم آن را ببینیم." اگر بتوانیم آن را از امواج لرزه‌ای ببینیم، در آینده می‌توانیم ایستگاه‌های لرزه‌نگاری راه‌اندازی کنیم و آن جریان را رصد کنیم.»

گام بعدی چیست

او گفت که با استفاده از روشی برای اندازه‌گیری امواج به نام تداخل سنجی، تیم او قصد دارد ثبت‌های لرزه‌ای پیوسته از دو ایستگاه لرزه‌ای را تجزیه و تحلیل کند، که یکی از آنها به عنوان منبع زلزله "مجازی" عمل می‌کند.

ژو گفت: «ما می‌توانیم از زلزله استفاده کنیم، اما محدودیت تکیه بر داده‌های زلزله این است که واقعاً نمی‌توانیم مکان‌های زلزله را کنترل کنیم. اما ما می توانیم مکان ایستگاه های لرزه نگاری را کنترل کنیم. می‌توانیم ایستگاه‌ها را در هر جایی که می‌خواهیم قرار دهیم، با مسیر موج از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر از هسته بیرونی می‌گذرد. اگر آن را در طول زمان رصد کنیم، می‌توانیم ببینیم که چگونه امواج لرزه‌ای نافذ بین آن دو ایستگاه تغییر می‌کنند. با این کار، با گذشت زمان بهتر می‌توانیم حرکت سیال را در هسته بیرونی ببینیم.»

دیدگاه آینده نگر:

مشاهدات در این مطالعه نشان می دهد که هسته خارجی در مقیاس زمانی یک دهه به خوبی مخلوط نشده است، و ناهمگونی های جانبی مرتبط با همرفت هسته بیرونی به اندازه کافی قوی هستند تا تغییرات سرعت موج لرزه ای قابل تشخیص در ثبت زلزله را ایجاد کنند. این امکان نظارت بر تغییرات زمانی در هسته بیرونی را با استفاده از داده های لرزه ای باز می کند.

مرجع مجله

1. Zhou، Y. تغییرات گذرا در سرعت موج لرزه ای به حرکت سریع سیال در هسته بیرونی زمین اشاره دارد. محیط زمین کمون 3, 97 (2022). DOI: 10.1038/s43247-022-00432-7