در اعماق زمین، تقریباً سه هزار کیلومتر زیر سطح، لایه‌ای مرموز قرار دارد که در آن امواج لرزه‌ای به‌طور غیرمنتظره‌ای شتاب می‌گیرند. برای دهه‌ها، دانشمندان در رابطه این لایه موسوم به ʺD (دی دابل پرایم) سردرگم بودند. اکنون، آزمایش‌های پیشگامانه‌ای توسط دانشگاه ETH زوریخ نشان داده‌ است که سنگ جامد در اعماق زمین به شکل مایع جریان اشکار می‌کند.

این جریان افقی در گوشته، بلورهای معدنی به نام «پُست‌پِرووسکایت» را در یک جهت اشکار ردیف می‌کند که همین امر حرکت شگفت امواج لرزه‌ای را توضیح می‌دهد. این کشف، جهشی دیدنی در فهمیدن ما از مکانیک درونی زمین است و معمایی دیرینه را به نقشه‌ای زنده از جریان‌های نهان زیرزمینی تبدیل می‌کند؛ جریان‌هایی که آتشفشان‌ها، زمین‌لرزه‌ها و حتی میدان مغناطیسی زمین را نیرو می‌بخشند.

زمین‌لرزه‌ها، فوران‌های آتشفشانی، و حرکت صفحه‌های تکتونیکی — همه این‌ها نشانه‌هایی می باشند از این که سیاره ما زنده است. اما آنچه در اعماق زمین کشف شده، دانشمندان و افراد عادی را به یک اندازه شگفت‌زده کرده است: تقریباً ۳۰۰۰ کیلومتر زیر سطح زمین، سنگ جامدی با حرکت مایع‌گونه جریان دارد که نه مایع است (همانند گدازه) و نه شکننده (همانند سنگ معمولی). این یافته توسط پژوهشی تازه از سوی زمین‌شناسان به رهبری «موتوهیکو موراکامی»، استاد فیزیک تجربی مواد معدنی در دانشگاه ETH زوریخ، اراعه شده است.

نیم‌قرن گمان و گمان در حل راز هسته زمین

برای بیشتر از ۵۰ سال، پژوهشگران دچار معمای ناحیه‌ای شگفت در اعماق زمین بودند — لایه‌ای موسوم به ʺD در عمق نزدیک به ۲۷۰۰ کیلومتری زیر پای ما. در این ناحیه، یک دفعه شدت امواج زلزله تحول می‌کند، گویی از بین ماده‌ای متفاوت عبور می‌کنند. این که دقیقاً در این لایه از گوشته چه رخ می‌دهد، برای زمان طویل اشکار نبوده است.

در سال ۲۰۰۴، موراکامی که از سال ۲۰۱۷ استاد دانشگاه ETH زوریخ است، کشف کرد که پرووسکایت، که ماده معدنی مهم گوشته پایینی زمین است، در نزدیکی لایه ʺD تحت سختی و دمای زیاد بالا به ماده‌ای تازه به نام پست‌پرووسکایت تبدیل می‌شود.

در آن زمان، پژوهشگران فکر کردند این دگرگونی معدنی می‌تواند تغییرات شدت امواج لرزه‌ای را توضیح دهد. اما این همه ماجرا نبوده است. در سال ۲۰۰۷، موراکامی و همکارانش شواهدی یافتند که نشان داد تنها دگرگونی فازی پرووسکایت برای تسریع امواج زلزله کافی نیست.

آن‌ها با منفعت گیری از یک مدل رایانه‌ای پیشرفته به کشف مهمی رسیدند: بسته به جهت‌گیری بلورهای پست‌پرووسکایت، سختی این ماده معدنی تحول می‌کند. فقط وقتی که همه بلورها در یک جهت خاص قرار می‌گیرند، شدت امواج لرزه‌ای در مدل افزایش می‌یابد — درست همانند آنچه در لایه ʺD در عمق ۲۷۰۰ کیلومتری مشاهده می‌شود.

موراکامی اثبات کرد که بلورهای پست‌پرووسکایت واقعاً در شرایط سختی و دمای بسیار بالا در یک جهت اشکار قرار می‌گیرند. آن‌ها در این آزمایش شدت امواج لرزه‌ای را اندازه‌گیری کردند و توانستند همان جهش شدت مشاهده‌شده در لایه ʺD را در محیط آزمایشگاهی بازسازی کنند. موراکامی می‌گوید: «ما سرانجام آخرین قطعه‌ی پازل را یافتیم.»

جریان گوشته زمین، بلورها را هم‌راستا می‌کند

سوال بزرگ این است: چه چیزی علتمی‌شود این بلورها هم‌راستا شوند؟ جواب این است که سنگ جامد گوشته در پایین‌ترین لایه‌ گوشته زمین به‌صورت افقی جریان می‌یابد. پژوهشگران زمان‌ها است به این چنین حرکتی — که همانند همرفت در آب در حال جوش است — مشکوک بوده‌اند، اما تا بحال نتوانسته بودند آن را مستقیماً اثبات کنند.

اغاز فصلی نو در پژوهش‌های زمین‌شناسی

موراکامی و همکارانش اکنون به‌صورت تجربی نیز نشان داده‌اند که همرفت در گوشته — جریان یافتن سنگ جامد — واقعاً در مرز بین هسته و گوشته زمین وجود دارد. یعنی سنگ جامد، نه مایع، در آن عمق به‌آرامی ولی مدام جریان دارد. موراکامی توضیح می‌دهد: «این کشف نه‌تنها معمای لایه ʺD را حل می‌کند، بلکه دریچه‌ای به دینامیک درون زمین می‌گشاید.»

این کشف نه‌تنها یک دستاورد مهم، بلکه نقطه‌ی عطفی در علوم زمین محسوب می‌شود. نظریه‌ی جریان سنگ جامد، اکنون از یک فرضیه به یک حقیقت تبدیل شده است. موراکامی می‌گوید: «کشف ما مشخص می کند که زمین نه‌تنها در سطح، بلکه در اعماق خود نیز فعال است.»

اکنون با این دانش، پژوهشگران می‌توانند به ترسیم جریان‌ها در اعماق زمین بپردازند و به این ترتیب، موتور نامرئی‌ای را که آتشفشان‌ها، صفحه‌های تکتونیکی، و احتمالا حتی میدان مغناطیسی زمین را به حرکت درمی‌آورد، به عکس بکشند. این مطالعه به‌تازگی در مجله «Communications Earth & Environment» انتشار شده است.

این چنین بخوانید: هرآنچه باید درمورد زمین بدانید