كيف حافظ باطن الأرض على درجة حرارة بلغت حرارة سطح الشمس على مدى مليارات السنين؟
وجود البشر على الأرض ربما يعود إلى حركة الصفائح التكتونية
بقلم شيتشون هوانغ، أستاذ مشارك في علوم الأرض والكواكب، جامعة تينيسي
23 يناير 2023
المترجم: عدنان أحمد الحاجي
المقالة رقم 45 لسنة 2023
?How has the inside of the Earth stayed as hot as the Sun"s surface for billions of years
Shichun Huang، Associate Professor of Earth and Planetary Sciences، University of Tennessee
January 23,2023
كيف حافظ باطن الأرض على حرارته التي تصل إلى درجة الغليان على مدى مليارات السنوات؟
الأرض مثل البصلة - تتكون من قشرة تلو أخرى.
بدءًا من سطح الأرض وصولًا إلى جوفها، هناك القشرة الأرضية [1] ، بما فيها سطح الأرض الذي نمشي عليه؛ يأتي بعدها وشاح الأرض [2] ، ومعظمه متكون من الصخور الصلبة؛ وعلئ عمق أبعد منه يأتي اللب الخارجي للأرض [3] المتكون من الحديد المنصهر؛ وصولًا إلى اللب الداخلي [4] المتكون من الحديد الصلب وبنصف قطر يبلغ 70٪ من حجم القمر. كلما تعمقت باتجاه باطن الأرض زادت الحرارة - تبلغ حرارة أجزاء من لب الأرض حرارة سطح الشمس.
هذا الرسم التوضيحي يعرض الطبقات الأربع تحت سطح الأرض.: من الأعلى إلى الأسفل: القشرة السطحية والوشاح واللب الخارجي واللب الداخلي
رحلة إلى مركز الأرض
بصفتي استاذًا مشاركًا في علوم الأرض والكواكب [5] ، أقوم بدارسة بواطن الكواكب. وكما يستخدم الطبيب تقنية تسمى التصوير بالموجات فوق الصوتية [6] لتصوير دواخل الجسم، يستخدم علماء الجلوجيا والجيوفيزياء تقنية مماثلة لتصوير بواطن الأرض. ولكن بدلاً من الموجات فوق الصوتية، يستخدم علماء الجيولوجيا الموجات الزلزالية seismic waves[7] - وهي الموجات الصوتية التي تصدرها الزلازل.
على سطح الأرض، نرى ترابًا ورملًا وعشبًا وغيرها، بالطبع. تكشف الاهتزازات الزلزالية عما هو في داخل الأرض [8] : من صخور أكانت كبيرة أم صغيرة. هذا كله جزء من القشرة التي قد يصل عمقها لـ 20 ميلاً «30 كيلومترًا»؛ وتتموضع فوق قشرة أخرى تسمى الوشاح.
يتحرك الجزء العلوي من الوشاح عادةً مع القشرة. يُطلق عليهما معًا الغلاف الصخري [9] ، والذي يبلغ سمكه حوالي 60 ميلاً «100 كيلومتر» في المتوسط، على الرغم من أنه يمكن أن يكون أكثر سمكًا في بعض الأماكن.
ينقسم الغلاف الصخري إلى عدة كتل كبيرة تسمى الصفائح التكتونية [10] . على سبيل المثال، تقع الصفائح التكتونية للمحيط الهادئ تحت المحيط الهادئ بأكمله، وتغطي الصفائح التكتونية لأمريكا الشمالية معظم أمريكا الشمالية. الصفائح التكتونية تشبه قطع أحجية puzzle pieces تركب مع بعضها البعض تقريبًا وتغطي سطح الأرض بتمامه.
الصفائح التكتونية ليست ساكنة. ولكنها متحركة. في بعض الأحيان تتحرك بمقدار أصغر جزء من إجزاء البوصة على فترة سنوات. في الفترات الزمانية الأخرى، هناك حركة زائدة، وقد تكون مفاجئة. هذا النوع من الحركة هو ما يتسبب في حدوث الزلازل والانفجارات البركانية.
علاوة على ذلك، تعد حركة الصفائح التكتونية عاملاً حاسمًا، وربما أساسيًا، تدفع بتطور الحياة على الأرض، لأن الصفائح التكتونية المتحركة تغير البيئة مما يضطر الحياة للتكيف مع الظروف الجديد [11] .
مقطع فيديو: سيدهشك جميع ما يحدث تحت قدميك.
الضغط عالٍ فلابد أن يحدث شيء
حركة الصفائح التكتونية تتطلب وشاحًا حارًا. وبالفعل، كلما تعمقت في باطن الأرض ازدادت درجة الحرارة.
في قاع الصفائح التكتونية، على عمق حوالي 60 ميلاً «100 كيلومتر»، تبلغ درجة الحرارة حوالي 2400 درجة فهرنهايتية «1300 درجة مئوية». وحين تصل إلى الحد الفاصل بين الوشاح واللب الخارجي، على عمق 1800 ميل «2900 كيلومتر»، تصل درجة الحرارة إلى ما يقرب من 5000 درجة فهرنهايتية «2700 درجة مئوية». ثم عند الحد الفاصل بين اللب الخارجي والداخلي، تتضاعف درجة الحرارة لتصل إلى ما يقرب من 10800 درجة فهرنهايتية «أكثر من 6000 درجة مئوية». تبلغ حرارة هذا الجزء من الأرض حرارة سطح الشمس [12] . في هذه الدرجة، كل شيء تقريبًا - المعادن والماس والبشر - يتبخر إلى غاز. ولكن نظرًا لأن اللب تحت مثل هذا الضغط العالي في أعماق الأرض، فإن الحديد المكوِّن له يبقى سائلاً أو صلبًا.
مقطع فيديو: بدون حركة الصفائح التكتونية، ربما لن يكون البشر موجودين.
تصادم في الفضاء الخارجي
من أين تأتي كل هذه الحرارة؟ ليست من الشمس. على الرغم من انها تمدنا وجميع النباتات والحيوانات على سطح الأرض بالحرارة، لا يستطيع نور الشمس اختراق سُمك أميال من باطن الأرض.
ولكن هناك نوعان من مصادر الحرارة. إحداها هي الحرارة التي ورثتها الأرض جين تكونت قبل 4,5 مليار سنة. تكونت الأرض من السديم الشمسي، وهو عبارة عن سحابة غازية عملاقة، وسط تصادمات واندماجات لا نهاية لها بين ما يسمى بالكواكب المصغرة planetesimals[13] . استغرقت هذه العملية عشرات الملايين من السنين. صدر من ذلك كم هائل من الحرارة أثناء تلك الاصطدامات بما يكفي لإذابة الأرض بأكملها. على الرغم من فقدان بعض هذه الحرارة في الفضاء، إلا أن ما تبقى منها بقي محبوسًا داخل الأرض، حيث لا يزال الكثير من هذه الحرارة باقٍ حتى اليوم.
مصدر الحرارة الآخر هو اضمحلال النظائر المشعة المنتشرة في كل مكان على الأرض. لفهم هذا الاضمحلال، تخيل أولاً عنصرًا له عدة نظائر مشعة. كل ذرة من عنصر معين لها نفس عدد البروتونات، ولكن نظائرها المختلفة تختلف باختلاف عدد النيوترونات فيها. النظائر المشعة ليست مستقرة. تصدر تيارًا ثابتًا من الطاقة يتحول إلى حرارة. البوتاسيوم -40 والثوريوم -232 واليورانيوم -235 واليورانيوم -238 هي أربعة نظائر مشعة تجعل باطن الأرض حارًا.
قد تبدو بعض هذه الأسماء مألوفًا. اليورانيوم 235، على سبيل المثال، يستخدم كوقود في محطات الطاقة النووية [14] . فالأرض ليست معرضة لخطر نفاد مصادر الحرارة هذه. بالرغم من أن معظم كميات اليورانيوم 235 والبوتاسيوم -40 الأصلية قد نفدت، إلا أن هناك ما يكفي من الثوريوم -232 واليورانيوم 238 يكفي لمليارات السنين القادمة. إلى جانب اللب الحار والوشاح، هذه النظائر التي تصدر الطاقة توفر الحرارة الكافية لدفع حركة الصفائح التكتونية.
لا حرارة، لا حركة للصفائح التكتونية، لا حياة
حتى الآن، تستمر الصفائح التكتونية المتحركة في تغيير سطح الأرض، مما يؤدي على الدوام إلى ظهور أراضٍ جديدة «يابسة، كالجزر، مثلًا» ومحيطات جديدة على مدى ملايين بل على مدى مليارات السنين [المترجم: يذكر هنا، مثلًا، انشقاق البحر الأحمر قبل 20 مليون سنة بسبب حركة الصفائح التكتونية]. تؤثر الصفائح التكتونية أيضًا في الغلاف الجوي على مدى نفس الفترات الزمنية الطويلة.
ولكن لولا الحرارة الباطنية للأرض، لما تحركت الصفائح التكتونية. ولو بردت الأرض ربما لكانت غير صالحة للسكن ولن نكون نحن هنا.
تأمل فيما يجري في داخل الأرض تحت قدميك.
