لایه های زمین — از صفر تا صد

زمین، بیش از چیزی است که ما در سطح، آن را می‌بینیم. به عبارت دیگر، اگر شما می‌توانستید زمین را در دستان خود نگه دارید و آن را به دو نیم تقسیم کنید، متوجه می‌شدید که زمین از لایه‌های مختلفی تشکیل شده است. البته لایه های زمین همچنان در بعضی قسمت‌ها ناشناخته باقی مانده‌اند، حتی با وجود اینکه بشر توانسته با پرتاپ فضاپیماها، اطلاعات مختلفی در خصوص سیاره‌های مختلف و حتی لایه‌های جو کسب کند اما همچنان محدودیت‌هایی جهت بررسی لایه‌ های زمین برای انسان وجود دارد.

البته پیشرفت‌های علم لرزه‌شناسی سبب فهم بهتر زمین و لایه‌های تشکیل‌دهنده آن شده است. هر کدام از لایه‌ های زمین خواص، ترکیبات و شاخصه‌های خود را دارند که بر فعالیت‌های اصلی در کره زمین تاثیرگذار هستند. اگر از سطح زمین به داخل آن حرکت کنیم، لایه‌های مختلفی را می‌بینیم که این لایه‌ها به ترتیب عبارتند از: «پوسته» (Crust)،‌ «گوشته» (Mantle)، «هسته بیرونی» (Outer Core) و «هسته داخلی» (Inner Core).

ساختار زمین و تفاوت‌های آن

همانند دیگر کره‌های خاکی، لایه‌ های زمین نیز با یکدیگر تفاوت دارند. به عبارت دیگر، ساختار داخلی آن شامل لایه‌هایی است که با آرایش خاصی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند که هر لایه با خواص شیمیایی و زمین‌شناسی متفاوتی شناخته می‌شود. در گذر از این لایه‌ها، فشار و دما تفاوت‌های زیادی دارند.

فیلم آموزش زمین شناسی – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

فهم امروزی ما در خصوص لایه های زمین مدیون کمک‌های علم لرزه‌نگاری است. این علم، موج‌های صوتی حاصل از زمین‌لرزه‌ها را اندازه‌گیری و نحوه تغییر سرعت این امواج در عبور از لایه های زمین را بررسی می‌کند. این تغییرات سرعت موجب تعیین چگالی به کمک «قانون اسنل» (Snell's Law) می‌شود.

چنین سنجش‌هایی،‌ همراه با اندازه‌گیری میدان مغناطیسی و گرانشی زمین و همچنین آزمایش‌های بلورهای جامد در فشار و دمای مشخصه عمق زمین، ما را در تعیین شکل لایه‌ها یاری کرده‌اند. البته قابل درک است که تفاوت دما و فشار در لایه های زمین به زمان شکل‌گیری اولیه زمین، یعنی واپاشی رادیواکتیو اتم‌ها و انجماد هسته درونی در اثر فشار زیاد برمی‌گردد.

خواص فیزیکی لایه های زمین

زمین را می‌توان به دو صورت تقسیم‌بندی کرد: مکانیکی یا شیمیایی. اگر آن را به لحاظ مکانیکی بررسی کنیم، لایه‌های زمین عبارت خواهند بود از: «سنگ‌کره» (Lithosphere)، «سست‌کره» (Asthenosphere)، «گوشته مزوسفری» (Mesospheric Mantle)، هسته خارجی و هسته داخلی. اگر زمین را از لحاظ شیمیایی تقسیم بندی کنیم که در اصل این مدل بیشتر استفاده می‌شود، لایه‌ها عبارتند از: پوسته، گوشته (شامل گوشته بالایی و گوشته پایینی) و هسته (شامل هسته بیرونی و هسته درونی).

هسته درونی جامد و هسته بیرونی، مایع است و گوشته خاصیتی پلاستیکی دارد. این خواص متفاوت، از عناصر مختلف تشکیل دهنده لایه های زمین و خواص مرتبط با آن‌ها ناشی می‌شوند. به این موارد می‌توانید تغییر فشار و دما را نیز اضافه کنید. در سطح زمین، آلیاژهای آهن-نیکل و سیلیکات‌ها سرد و به حالت جامد هستند. در گوشته بالایی، سیلیکات‌ها عموما به صورت جامد وجود دارند اما در مناطقی به شکل‌های مذاب نیز قابل رویت هستند.

در مقابل، گوشته پایین تحت فشار بسیار زیادی قرار دارد و در نتیجه، ویسکوزیته پایین‌تری از گوشته بالایی دارد. هسته خارجی که از نیکل و آهن تشکیل شده است، به دلیل دمای زیاد این ناحیه در حالت مایع قرار دارد. اگرچه این ناحیه فشار زیادی دارد که هرقدر به سمت هسته درونی پیش‌می‌رویم، بر آن افزوده می‌شود که این اتقاق، تغییر نقطه ذوب آهن-نیکل را به همراه دارد. در نتیجه هسته داخلی به حالت جامد قرار دارد.

لایه های زمین

تفاوت بین لایه های زمین به دلیل فرآیندهایی است که در 4.5 میلیارد سال پیش به هنگام شکل‌گیری زمین رخ داده است. در آن زمان بر اثر ذوب شدن، مواد چگال‌تر به سمت مرکز سرازیر شدند و موادی که چگالی کمتری داشتند به طرف پوسته حرکت کردند. در نتیجه، هسته زمین بیشتر از آهن و نیکل تشکیل شده است و عناصر سبک‌تر در آن زمان به همراه سنگ‌های سیلیکاتی به سطح زمین مهاجرت کردند.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم – بخش زیست و زمین شناسی در فرادرس

کلیک کنید

پوسته، خارجی‌ ترین لایه زمین

پوسته را به عنوان خارجی‌ترین لایه کره زمین در نظر می‌گیرند. در حقیقت، این لایه را می‌توان بخش سرد و سخت‌شده زمین دانست که عمق آن بین 5-70 کیلومتر است. این لایه تنها ۱ درصد از کل حجم زمین را تشکیل می‌دهد اما همین میزان کم، قاره‌ها و اقیانوس‌ها را شامل می‌شود.

بخش‌هایی از پوسته که عمق کمی دارند موسوم به «پوسته اقیانوسی» (Oceanic Crust) هستند که حوضه‌های اقیانوسی را با عمق 5-10 کیلومتر تشکیل می‌دهند درحالیکه پوسته ضخیم‌تر،‌ «پوسته قاره‌ای» (Continental Crust) است. پوسته‌های اقیانوسی از مواد چگال‌ همچون «بازالت» (Basalt) تشکیل شده‌اند اما پوسته‌ قاره‌ای چگالی کمتری دارد و مواد تشکیل‌دهنده سبک‌تری همچون گرانیت را در خود جای داده‌ است.

پوسته به همراه بالاترین بخش از گوشته،‌ سنگ‌کره را تشکیل می‌دهند. این لایه، ضخامتی در حدود 200 کیلومتر دارد. بسیاری از سنگ‌هایی که امروزه پوسته زمین را تشکیل می‌دهند، در حدود 100 میلیون سال پیش شکل گرفته‌اند. البته کهن‌ترین دانه‌هایی معدنی یافت شده، قدمتی در حدود 4/4 میلیارد سال دارند که نشان می‌دهد پوسته زمین طی این سال‌ها همواره جامد بوده است.

گوشته، ضخیم‌ترین لایه زمین

گوشته که تقریبا ۸۴ درصد از حجم زمین را تشکیل می‌دهد، به طور عمده به حالت جامد قرار دارد و در طول زمان‌های زمین‌شناسی، رفتاری همچون یک سیال بسیار ویسکوز از خود نشان داده است. گوشته بالایی که از «ناپیوستگی موهورویچ» (Mohorovicic Discontinuity) و از عمق ۷-35 کیلومتری زمین شروع می‌شود و تا 410 کیلومتری آن ادامه می‌یابد. سنگ‌کره در قسمت بالایی خود سخت و محکم است و به مرور با حرکت به سمت پایین، خاصیت پلاستیکی پیدا می‌کند.

در مقایسه با دیگر لایه های زمین، اطلاعات بیشتری در خصوص گوشته بالایی داریم. این امر به لطف مطالعات لرزه‌نگاری و زمین‌شناسی است. حرکات در گوشته (پدیده همرفتی) موجب حرکت «صفحات تکتونیکی» (Tectonic Plates) می‌شود. در حقیقت، این امر موجب حرکت قاره‌ها، وقوع زلزله‌ها، تشکیل رشته‌کوه‌ها و دیگر وقایع زمین‌شناسی خواهد بود.

گوشته به لحاظ شیمیایی با پوسته تفاوت دارد و علاوه بر این، از نظر نوع سنگ و شاخصه‌های لرزه‌نگاری نیز تفاوت‌هایی دیده می‌شود. علت این امر را می‌توان در نحوه تشکیل‌شدن پوسته و گوشته جستجو کرد. پوسته از مواد منجمد‌شده‌ای تشکیل شده است که از سمت گوشته مهاجرت کرده‌اند و در مقابل، گوشته حالتی ویسکوز و مذاب دارد. در اثر این تفاوت، مواد ناسازگار با گوشته، به صورت مذاب از آن جدا و در سطح به حالت جامد تبدیل شده‌اند.

در گوشته بالایی، دما در بازه‌ای بین 500 تا 900 درجه سانتی‌گراد متغیر است. بین گوشته بالایی و پایینی،‌ بخشی تحت عنوان «ناحیه گذار» (Transition Zone) وجود دارد که عمق آن را بین 410-660 کیلومتر ذکر می‌کنند.

گوشته پایینی

گوشته پایینی در عمق 660-2891 کیلومتری از سطح زمین قرار دارد. دما در مرز این لایه با هسته به بیش از 4000 درجه سانتی‌گراد می‌رسد که این، به معنای افزایش نقطه ذوب سنگ‌های گوشته خواهد بود. به علت فشار زیادی که بر روی گوشته اعمال می‌شود، ویسکوزیته و ذوب شدن در مقایسه با گوشته بالایی بسیار محدود است. در خصوص گوشته پایینی، دانش کمی وجود دارد جز اینکه این بخش حالتی همگن دارد.

هسته بیرونی

هسته بیرونی، سیالی با ویسکوزیته پایین است. از طریق روش‌های لرزه‌نگاری مشخص شده است که این بخش به حالت مایع وجود دارد. به دلیل همین گرانروی پایین، به سادگی تغییر شکل می‌دهد و «جریان‌های آشفته همرفتی» (Turbulent Convection) در آن بوجود می‌آیند. جریان‌های شدید سبب می‌شود تا این بخش نسبت به دیگر بخش‌های کره زمین، چرخش سریع‌تری داشته باشد که همین عامل، موجب تشکیل شدن «جریان‌های ادی»‌ (Eddy Currents) در هسته بیرونی خواهد بود. در نتیجه این جریان‌ها، میدان مغناطیسی زمین بوجود می‌آید. متوسط قدرت میدان مغناطیسی را در هسته بیرونی زمین، حدود 25 گاوس تخمین زده‌اند که 50 بار قوی‌تر از میدان اندازه‌گیری شده در سطح زمین ذکر می‌شود.

گرم‌ترین نقطه از هسته بیرونی،‌ گرم‌تر از هسته درونی است. دما در این ناحیه از 4030 تا ۶۰۰۰ درجه سلسیوس تغییر می‌کند. این دما (۶۰۰۰ درجه)، با دمای سطح خورشید برابری می‌کند. ضخامت این بخش به 2300 کیلومتر می‌رسد که این شعاع در بخش‌هایی تا 3400 کیلومتر هم افزایش پیدا می‌کند. چگالی این ناحیه، بیشتر از چگالی پوسته و گوشته تخمین زده شده است. هسته بیرونی نسبت به هسته داخلی، فشار شدیدی را تحمل نمی‌کند تا به حالت جامد باشد. در نتیجه، با وجود اینکه ترکیبی همانند هسته درونی دارد، مایع است.

هسته درونی

همانند هسته بیرونی، این بخش نیز به طور عمده از آهن و نیکل تشکیل شده است و شعاعی در حدود 1220 کیلومتر دارد. چگالی هسته درونی بین $$12600\ kg/m^3$$ تا $$13000\ kg/m^3$$ است. این چگالی زیاد از حضور عناصری سنگین‌تر مانند طلا، پلاتین، پالادیوم، نقره و تنگستن حکایت دارد.

فیلم مجموعه آموزش زمین شناسی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

دمای هسته درونی در حدود 5400 درجه سانتی‌گراد ذکر می‌شود. تنها دلیلی که آهن و سایر فلزات سنگین در این دما به حالت جامد قرار دارند، فشار زیاد است که نقطه ذوب را به شدت افزایش می‌دهد. این فشار، بازه‌ای در حدود 330 تا 360 گیگاپاسکال را در بر می‌گیرد.

از آنجایی که هسته درونی با گوشته جامد ارتباطی ندارد، احتمال چرخش سریع‌تر یا آهسته‌تر آن نسبت به دیگر اجزای کره زمین، از گذشته مورد توجه بوده است. با مشاهده موج‌های لرزه‌نگاری که در طول دهه‌ها از میان هسته عبور داده شده‌اند، دانشمندان تخمین زده‌اند که هسته درونی در حدود یک درجه سریع‌تر از سطح چرخش می‌کند. مطالعات بیشتر ژئوفیزیکی سرعت چرخش نسبت به زمین را بین 0/3 تا 0/5 درجه در هر سال ذکر کرده‌اند.

لایه‌ای دیگر در هسته

مطالعات اخیر نشان می‌دهند که هسته درونی جامد نیز، خود از لایه‌ دیگری تشکیل شده که با ناحیه گذاری به ضخامت 250-400 کیلومتر از یکدیگر جدا شده‌ است. این یافته جدید، لایه‌ای داخلی را برای هسته درونی در نظر می‌گیرد که قطری برابر با 1180 کیلومتر - یعنی کمتر از نصف قطر هسته درونی - دارد. همچنین ترکیب این هسته را از آهن ذکر کرده‌اند که ممکن است ساختار بلوری متفاوتی از هسته درونی داشته باشد.

علاوه بر این،‌ زمین‌شناسان گمان می‌کنند که دینامیک (تحرک) عمق زمین موجب انبساط هسته درونی به ازای 1 میلیمتر در سال است. دلیل این انبساط، حل نشدن عناصر سبک‌تر در مقایسه با هسته بیرونی ذکر می‌شود.

تبدیل آهن مایع به بلور جامد در مرز هسته درونی،‌ تولید مواد مذابی را شامل می‌شود که در مقایسه با لایه مذاب بالاتر از خود، عناصری سبک‌تر را جای داده است. در نتیجه این امر، یک حالت «شناوری» (Bouyant) بوجود می‌آید که موجب جریان‌های همرفتی در هسته بیرونی خواهد بود.

این نوع از رشد (انبساط) در هسته درونی، نقش مهمی را در تولید میدان مغناطیسی زمین ایفا می‌کند. علاوه بر این، دانشمندان دریافته‌اند که هسته درونی و فرآیندهای حاکم بر آن، بسیار پیچیده‌تر از آنند که در گذشته تصور می‌شد.