رساندن گرما به مکان‌های سرد، به‌ویژه در فصل زمستان یکی از دغدغه‌های بزرگ و منبع آسایش انسان است. اگرچه ممکن است انسانها هرگز به کورهی داخلی و غول پیکر زمین فکر نکنند و از فواید و مزایای دقیق آن بی اطلاع باشند.
تحقیقات اخیر نشان میدهد که زمین احتمالاً بهترین انتقال دهندهی جریان گرمای داخلی به سطح سیاره به نسبت دیگر سیارات سنگی هم اندازه و هم سن خود است. علیرغم اندازهی کوچک و قدمت کمتر زمین (4.6 میلیارد سال)، انتقال جریان گرما از داخل به سطح سیاره حدود 42،000،000،000،000 وات است.1 تقریباً 70،000 بار اندازه گیری دما روی نقاط مختلف زمین نشان میدهد که به طور متوسط هر متر مربع از سطح خشکیهای سیارهی زمین، با 92 میلی وات انرژی از طریق انتقال گرما از درون سیاره به سطح آن گرم میشود. در همین حال، هر متر مربع از سطح اقیانوسها با 67 میلی وات گرم میشود.2 (گرما از طریق سیلیکاتهای قارهای راحتتر از بازالتهای اقیانوسی جریان پیدا میکند.)
تابش خورشید روی سطح زمین بر جریان گرمای داخل زمین غالب است. خورشید هر متر مربع از سطح زمین را به طور متوسط 340.2 وات گرم میکند.3 یعنی جریان گرمای داخلی زمین تنها 0.024 درصد از کل گرمایش سطح زمین را تشکیل میدهد. با این حال گرمای ناشی از تابش خورشید تا عمق زیادی نفوذ نمیکند. در اعماق بیشتر از چند ده متر در پوسته زمین، جریان گرمای داخلی بر گرمای خورشیدی غالب است.
منابع گرمای داخلی زمین
دو منبع اصلی تولید گرما در درون زمین وجود دارد. گرمای تولید شده از طریق تشعشعات رادیواکتیویتهی رادیو ایزوتوپهای نیمه عمر طولانی در داخل زمین (گرمای رادیوژنیک)، حدود 58 درصد از کل جریان گرمای کنونی را تشکیل میدهد.4 گرمای اولیه یا گرمای داخلی آن مقدار انرژی گرمایی است که علارغم ادامهی خنک شدن زمین، همچنان توسط فرآیندهای انباشتگی در لایههای داخلی زمین باقیمانده است.
زمین به دلیل فرآیند شکل‌گیری منحصربه‌فردش دارای مقدار قابل‌توجهی گرمای اولیه است. این سیاره مانند تمام سیارات سنگی از تجمع سنگهای کوچک و غبارها و گازها تشکیل شده است. فروپاشی گرانشی که از طریق این انباشتگی ذرات رخ داد باعث ایجاد گرمای داخلی بالایی شده است. با این حال، تاریخ تشکیل زمین به همین جا ختم نمیشود.
زمین سه رویداد بزرگ دیگر را نیز تجربه کرده است. مهم‌ترین آنها رویداد ادغام بود که کمی کمتر از 100 میلیون سال پس از شکل‌گیری اولیهی زمین اتفاق افتاد و منجر به شکل‌گیری قمری به نام ماه شد. زمین و تیا (سیاره ای 15 تا 45 درصد از جرم اولیه زمین) با هم ادغام شدند و جرم زمین را افزایش دادند و باعث به وجود آمدن ماه شدند و به طور قابل ملاحظهای گرمای انباشتگی زمین را افزایش دادند.5 مدت کوتاهی پس از رویداد تشکیل ماه، اتفاق دیگری در زمین روی داد و این سیاره توسط سیارک‌ها و دنباله‌دارهای بزرگ بمباران شد.6 و پس از آن هم مجددا حدود 3.9 میلیارد سال پیش، زمین آخرین بمباران سنگین توسط سیارک‌ها و دنباله‌دارهای بزرگ را دریافت کرد.7 در نتیجهی این برخوردها، گرمای اولیه زمین که ناشی از انباشتگی ذرات بود نسبت به اندازهی معمول سایر سیارات سنگی افزایش بیشتری یافت.
گرمای ناشی از تابش خورشید در سطح زمین بسیار بیشتر است. زمین در مقایسه با میانگین سطوح فراوانی برخی عناصر نسبت به سایر سیارات سنگی و فراخورشیدی، دارای 90 برابر پتاسیم، 340 برابر اورانیوم و 610 برابر توریم بیشتر است.8 یکی از دلایلی که زمین تا این حد از عناصر فوق برخوردار است شیوه منحصر به فرد شکل گیری منظومه شمسی است. بنابراین، تمام سیارات منظومه شمسی از فراوانی این سه عنصر برخوردارند. البته به چند دلیل، فراوانی این عناصر در زمین بسیار فراتر از دیگر سیارات منظومه شمسی است. (من به جزئیات بیشتر این موضوع در کتابهایم به نام چرا کیهان اینگونه است9 و سیاره غیرممکن پرداختهام.10)
این منحصر به فرد بودن در وجود مقدار بالای عناصر پتاسیم، اورانیوم و توریم نه تنها برای تشکیل حیات در یک سیاره بسیار مهم هستند، بلکه محل فراوانی این عناصر که در کدام قسمت سیاره تراکم بیشتری داشته باشد نیز بسیار مهم است. اندازه‌گیری‌ها در مریخ نشان میدهد که وزن کلاهک یخی قطبی، لیتوسفر زیرین (پوسته) را تحت فشار قرار نداده است. دمای اندازهگیری شده در این فرورفتگی نشان میدهد که مقدار گرمای گوشتهی این سیاره باید کمتر از 7 میلی وات بر متر مربع باشد.11 این تحقیقات نشان میدهد که بیشتر پتاسیم، اورانیوم و توریم موجود در مریخ در پوستهی آن قرار دارد و از گوشته تخلیه شده است. چنین کمبودی در این عناصر توضیح میدهد که چرا میدان مغناطیسی و فعالیتهای تکتونیکی و آتشفشانی این سیاره حدود 4 میلیارد سال پیش خاموش شد. در صورتی که این ویژگیها روی زمین حفظ شده است.
مسیرهای جریان گرمای داخلی
در سال 1862 یک فیزیکدان معروف بریتانیایی سر ویلیام تامسون (Sir William Thomson) ، بارون کلوین (Baron Kelvin) ، محاسبه کرد که زمین نمیتواند بیش از 98 میلیون سال سن داشته باشد.12 محاسبهی او بر اساس تخمین جریانات گرمای داخلی زمین در آن زمان بود. فرض بر این بود که تمام جریان گرمای داخلی زمین ناشی از گرمای باقیماندهی از یک رویداد انباشتگی منفرد (تراکم زمین از سیاره‌های کوچک) است و این جریان گرم در داخل زمین صرفاً در نتیجهی سرد شدن رسانا یا همان گوشته رخ داده است. همانطور که قبلاً اشاره شد، اولین فرض او نادرست بود. فرض دوم او نیز نادرست از آب در آمد.
همرفت نقش بسیار مهمتری در انتقال حرارت نسبت به رسانش در گوشته و هستهی مایع زمین بازی میکند (شکل 1 را ببینید).13 در واقع روش غالب انتقال حرارت در هستهی بیرونی مایع و گوشتهی زمین همرفت است و روش غالب انتقال حرارت در هستهی داخلی و جامد زمین رسانش است. به عنوان یک مکانیسم انتقال حرارت، همرفت دلیل مهمی است برای این واقعیت که جریان گرمای داخلی زمین برای چندین میلیارد سال پایدار بوده است.
شکل 1: مقطع زمین که تقسیمات داخلی و سهم آن در کل انتقال جریان گرمای داخلی زمین به سطح سیاره را نشان میدهد که برگرفته از دو مقاله است: “ژئونوترینوها و قدرت رادیواکتیو زمین” بررسی ژئوفیزیک 50, شماره 3 (سپتامبر 2012): id. id. RG3007، doi:10.1029/2012RG0004000; ریکاردو آروالو (Reviews of Geophysics) ، جونیور Jr. ، ویلام اف. مک‌دوناف (Willam F. McDonough) ، و ماریو لونگ (Mario Luong) ، “نسبت K/U زمین سیلیکات: مشاهداتی در زمینهی ترکیب، ساختار، و تکامل حرارتی گوشته”، مقالات علوم زمین و سیارهای 278، شماره‌های 3-4 ( 25 فوریه 2009): 361–369, doi:10.1016/j.epsl.2008.12.023. اعتبار تصویر: Bkilli1، Creative Commons Attribution-Share Alike
تاریخچه جریان گرمای داخلی زمین
جریان گرمای داخلی از هر دو روش گرمای اولیه (افزایشی) و گرمای پرتوزایی در طول زمان تغییر میکند. گرمای باقیمانده از انباشتگی ذرات به تدریج از بین می‌رود و از اعماق زمین به گوشته و از طریق گوشته و پوسته به سطح سیاره میرسد و بعد از آن وارد جریانات بالاتر و فضا میشود.
زمانی که عمر زمین کمتر از 100 میلیون سال بود، گرمای پرتوزایی آن تحت تسلط رادیو ایزوتوپ هایی با نیمه عمر کوتاه مانند آلومینیوم-26، سزیم-135، هافنیوم-182، آهن-60، نپتونیوم-237، تکنسیم-97 و پلوتونیوم-244 بود. اما در 4 میلیارد سال گذشته، تنها چهار ایزوتوپ رادیویی پتاسیم-40، توریم-232، اورانیوم-235 و اورانیوم-238 بیش از 99 درصد از گرمای پرتوزایی زمین را به خود اختصاص دادهاند. شکل شماره 2 سهم نسبی پتاسیم-40، توریم-232، اورانیوم-235 و اورانیوم-238 را در جریان گرمای داخلی زمین در طول 4.5 میلیارد سال گذشته نشان میدهد.14
شکل 2: تاریخچهی جریان گرمای پرتوزا از رادیو ایزوتوپ های داخلی زمین. اعتبار نمودار: هیو راس
فواید جریان گرمای داخلی زمین
دمای فعلی گوشته دقیقا در زیر پوسته اقیانوسی زمین 1410 درجه سانتیگراد است.15 دمای فعلی بالای گوشته فوقانی به این معنی است که مواد تشکیل دهندهی گوشته فوقانی ویسکوزیتهی پایینی دارند (به راحتی جریان مییابند). یک تشبیه آشنا میتواند تفاوت ذوب بین یک قطعه کَرهی سرد و یک قطعه کَره با دمای متوسط باشد که در یک قابلمهی داغ انداخته شدهاند.
به لطف ویسکوزیتهی پایین گوشته است که صفحات تکتونیکی پوسته زمین میتوانند نسبت به یکدیگر حرکت کنند و این یکی از ویژگیهای زمین در طول 3.8 میلیارد سال گذشته است. این فعالیت تکتونیکی، زمین را از سیارهای آبی که فقط آب در سطح آن وجود داشت، به سیارهای تبدیل کرد که هم اقیانوس‌های سطحی و هم قاره‌های سطحی دارد. ترکیب اقیانوسها و قاره‌های سطحی و فعالیتهای تکتونیکی پایدار و قوی، چرخه‌های ژئوشیمیایی را ایجاد کرد و به‌رغم درخشش مداوم خورشید، دمای سطح زمین را در سطح بهینه‌ای برای حیات حفظ کرد.16 همین ترکیب باعث بازیافت بسیاری از مواد مغذی و حیاتی زمین شد و بدون جریان گرمای درونی پایدار و قوی زمین، در بهترین حالت تنها برای چندین میلیون سال فقط حیات میکروبی می‌توانست روی زمین وجود داشته باشد. البته حیات میکروبی هرگز قادر به ایجاد تغییرات فیزیکی و شیمیایی روی سطح زمین، به گونه‌ای که گیاهان و جانوران و انسانها بتوانند وجود داشته باشند نخواهد بود.
سرعت سرمایش فعلی گوشته زمین 70 تا 130 درجه سانتیگراد در هر یک میلیارد سال است.17 این سرد شدن به اندازه ای آهسته است که در کوتاه مدت هیچ گونه تهدیدی برای هیچکدم از گونههای حیات فعلی ایجاد نمیکند. با این حال، سرد شدن به این معنی است که گوشته زمین رفته رفته چسبناکتر خواهد شد و در نهایت، آنقدر چسبناک خواهد بود که فعالیت تکتونیکی صفحهها متوقف میشود. وقتی این اتفاق بیفتد، ابتدا حیات پیشرفته و در نهایت همهی حیات منقرض خواهد شد.
به لطف جریان گرمای داخلی قوی و بادوام و منحصر به فرد است که باعث شده زمین دارای یک هستهی داخلی جامد و یک هستهی خارجی مایع باشد. تمام جرم هستهی مایع زمین تقریباً از عناصر آهن، کبالت و نیکل تشکیل شده است. این عناصر توسط جریانهای همرفتی در هستهی بیرونی به راحتی مغناطیسی شده و جواب این پرسش را میدهند که چرا زمین در طول حداقل 3.7 میلیارد سال گذشته یک میدان مغناطیسی قدرتمند را حفظ کرده است.18
این میدان مغناطیسی قدرتمند و بادوام، از حیات روی زمین در برابر ذرات پرانرژی و کشندهای که از خورشید و پرتوهای کیهانی ساطع میشوند محافظت کرده است. همچنین اگر این سپر نبود، تابشهای خورشیدی، هم اتمسفر و هم آبهای سطحی زمین را به فضای بین سیارهای پراکنده میکرد.
در واقع اگر جریان گرمای داخلی حیرت‌انگیز و پایدار هستهی زمین نبود، هیچ تمدن و هیچ انسانی روی زمین وجود نداشت. همچنین حیوانات، درختان، گیاهان بزرگ، اقیانوسها و اتمسفر هم وجود نخواهد داشت. به لطف طراحی بسیار دقیق برای شکل‌گیری زمین و ساختار داخلی و گرمای آن است که میلیاردها انسان میتوانند روی زمین رشد کنند، از تمدن و تکنولوژی بالا لذت ببرند، دانش و درک عظیمی از هستی به دست آورند و از آنها برای تحقق اهداف خود استفاده کنند. رسیدن به هدف و سرنوشتی که خالق بزرگ، ما را برای تحقق آن آفریده است.
تصویر ویژه: ساختار داخلی زمین.
اعتبار تصویر: کلوین سونگ (Kelvinsong)
پانویس
فرانسیس لوکازو (Francis Lucazeau) ، “تحلیل و نقشه برداری از مجموعه دادههای جریان گرمای زمین در عصر حاضر”، ژئوشیمی، ژئوفیزیک، ژئوسیستمها 20، شماره. 8 (اوت 2019): 4000–24، doi:10.1029/2019GC008389; و جی.اچ دیویس و دی.آر دیویس D. R. Davies، J. H. Davies “شار حرارتی سطح زمین”، شماره. 1 (22 فوریه 2010): 5–24, doi:10.5194/se-1-5-2010.
لوکازو (Lucazeau) ، “تحلیل و نقشه برداری”، 4000.
اندرو سی. کرن (Andrew C. Kren) ، پیتر پیلوسکی (Peter Pilewskie) ، و اودل کدینگتون (Odele Coddington) ، “اتمسفر زمین از کجا انرژی میگیرد؟”، مجله آب و هوای فضا 7 (20 مارس 2017): شناسه. A10, doi:10.1051/swsc/2017007; Fei Feng و Kaicun Wang، “تعیین عوامل تغییر ماهانه تا ده ساله در تابش خورشیدی سطح زمین در چین: شواهدی از تحلیل‌های مجدد فعلی،” مجله تحقیقات ژئوفیزیک: اتمسفر 124، شماره. 16 (اوت 2019): 9161–82، doi:10.1029/2018JD030214.
همکاری KamLAND، “مدل حرارتی و پرتوزای جزئی برای زمین که توسط اندازه‌گیری‌های ژئونوترینو آشکار شد،” مجله دانش طبیعت 4 (سپتامبر 2011): 647-51، doi:10.1038/ngeo1205; لوکازو (Lucazeau) ، “تحلیل و نقشه برداری”؛ دیویس و دیویس (Davies and Davies) ، “شار حرارتی سطح زمین”.
هیو راس، سیارهی غیرممکن (گرند رپیدز، MI: بیکر، 2016)، 48-60; هیو راس، “دلایل بیشتر برای تشکر از خدا برای خلقت ماه”، دلایل جدید امروز برای باور (وبلاگ)، 22 نوامبر 2016، /todays-new-reason-to-believe/read/todays-new-reason-to-believe/2016/11/22/yet-more-reasons-to-thank-god-for-the-moon.
راس، سیاره غیرممکن، 57–60; هیو راس، “شواهد جدید برای طراحی منظومه شمسی: تنظیم دقیق روکش دیرهنگام”، دلایل جدید امروز برای باور (وبلاگ)، 20 اوت 2012، /todays-new-reason-to-believe/read/tnrtb/2012/08/20/new-evidence-for-solar-system-design-fine-tuning-the-late-veneer.
راس، سیاره غیرممکن، 65–72، 97–105; هیو راس، “شدت بمباران سنگین اواخر و منشأ زندگی”، دلایل جدید امروز برای باور (وبلاگ)، 29 ژوئن 2009، /todays-new-reason-to-believe/read/tnrtb/2009/06/29/late-heavy-bombardment-intensity-and-the-origin-of-life.
لوجندرا اوجا (Lujendra Ojha) و همکاران، “تخلیه عناصر تولید کنندهی گرما در گوشته مریخ”، نامه تحقیقات ژئوفیزیکی 46 (28 نوامبر 2019): 12756-63، doi:10.1029/2019GL085234.
ویلیام تامسون (William Thomson) ، “4. در مورد سرد شدن سراسری زمین”، مجموعه مقالات انجمن سلطنتی ادینبورگ 4 (1862): 610–11، doi:10.1017/S0370164600035124. فایل پی دی اف مقالهی تامسون در اینجا موجود است.
امیلی صرافیان (Emily Sarafian) و همکاران، “محدودیت‌های آزمایشی روی دمای پتانسیل پریدوتیت نمناک و دمای بالقوه گوشتهی اقیانوسی”، علم 355، شماره 6328 (3 مارس 2017): 942-45، doi:10.1126/science.aaj.
هیو راس، «نیازهای چرخه کربن برای زندگی پیشرفته، قسمت 1»، دلایل جدید امروز برای باور (وبلاگ)، 18 نوامبر 2019، /todays-new-reason-to-believe/read/todays-new-reason-to-believe/2019/11/18/carbon-cycle-requirements-for-advanced-life-part-1; هیو راس، «نیازهای چرخه کربن برای زندگی پیشرفته، قسمت 2»، دلایل جدید امروز برای باور(وبلاگ)، 25 نوامبر 2019، /todays-new-reason-to-believe/read/todays-new-reason-to-believe/2019/11/25/carbon-cycle-requirements-for-advanced-life-part-2.
ریکاردو آروالو جونیور (Ricardo Arevalo Jr) ، و همکاران، “نسبت K/U زمین سیلیکات”، 361-69.
الکساندرا ویتزه (Alexandra Witze) ، “سنگهای گرینلند نشان میدهند که میدان مغناطیسی زمین قدیمی‌تر از آن چیزی است که گمان می‌کردیم”، Nature 576 (10 دسامبر 2019): 347, doi:10.1038/d41586-019-03807-7.
