لایههای زمین و ویژگیهای آنها
زمین یک توپ سنگی یکنواخت نیست. در زیر سطحی که ما در آن زندگی میکنیم، زمین از لایههایی با خواص فیزیکی و شیمیایی متمایز تشکیل شده است. این تفاوتها تقریباً بر هر پدیده زمینشناسی تأثیر میگذارند: زلزله، فورانهای آتشفشانی، تشکیل کوهها، رانش قارهای و حتی میدان مغناطیسی که از حیات در برابر تشعشعات مضر محافظت میکند. درک لایههای زمین به معنای درک "موتوری" است که سیاره را به حرکت در میآورد.
به طور کلی، لایههای زمین را میتوان به دو روش توصیف کرد: بر اساس ترکیب شیمیایی (پوسته، گوشته، هسته) و بر اساس خواص فیزیکی یا مکانیکی (لیتوسفر، آستنوسفر، مزوسفر، هسته بیرونی، هسته درونی). این دو رویکرد مکمل یکدیگر هستند.
۱) پوسته زمین: بیرونیترین لایه نازک اما مهم
پوسته، بیرونیترین لایه زمین است که قارهها و کف اقیانوسها در آن قرار دارند. با وجود اینکه پوسته «مرحله» اولیه برای حیات است، در مقایسه با اندازه زمین بسیار نازک است.
ویژگیهای اصلی:
– ضخامت: حدود ۵ تا ۱۰ کیلومتر برای پوسته اقیانوسی و ۳۰ تا ۷۰ کیلومتر برای پوسته قارهای (ضخیمتر در زیر کوههای بزرگ).
- ترکیب:
پوسته اقیانوسی عمدتاً از سنگ بازالت (غنی از منیزیم و آهن) تشکیل شده است.
– پوسته قارهای حاوی سنگهای گرانیتی بیشتری (غنیتر از سیلیس) است.
چگالی: پوسته اقیانوسی چگالتر (متراکمتر) از پوسته قارهای است، بنابراین به راحتی به زیر آن فرو میرود.
– دما: در مقایسه با لایههای زیرین نسبتاً پایین است، اما با عمق افزایش مییابد.
پوسته زمین به صفحات تکتونیکی تقسیم شده است که دائماً در حال حرکت هستند. این حرکت صفحات باعث ایجاد زلزله، باز شدن اقیانوسهای جدید و تشکیل رشته کوهها میشود.
۲) گوشته: «آشپزخانه» پویا در زیر پوسته
در زیر پوسته، گوشته، ضخیمترین لایه زمین قرار دارد که بیشتر حجم سیاره را تشکیل میدهد. گوشته اغلب به عنوان دریایی از ماگما تصور میشود، اما در واقع عمدتاً جامد است. با این حال، پلاستیک است - میتواند در مقیاسهای زمانی زمینشناسی بسیار آهسته جریان یابد.
ویژگیهای اصلی:
– ضخامت: حدود ۲۹۰۰ کیلومتر، از پایه پوسته تا مرز هسته.
– ترکیب: عمدتاً شامل کانیهای سیلیکات غنی از منیزیم و آهن (مانند پریدوتیت) است.
– دما: از حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد در بالا تا بیش از ۴۰۰۰ درجه سانتیگراد در نزدیکی مرز هسته متغیر است.
– یک فرآیند کلیدی: جریانهای همرفتی گوشته، حرکت مواد داغتر به سمت بالا و مواد سردتر به سمت پایین. این یکی از محرکهای اصلی حرکت صفحات تکتونیکی است.
گوشته به گوشته بالایی و گوشته پایینی تقسیم میشود. در برخی مناطق، ذوب بخشی رخ میدهد و ماگما تولید میکند. این ماگما میتواند به سطح زمین بیاید و باعث فعالیت آتشفشانی شود.
۳) هسته زمین: مرکز زمین و منبع میدان مغناطیسی
درونیترین لایه زمین هسته است که عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده است. هسته نقش حیاتی ایفا میکند زیرا منبع میدان مغناطیسی زمین است که به عنوان "سپر" در برابر باد خورشیدی و ذرات باردار عمل میکند.
ویژگیهای اصلی:
– موقعیت: از عمق تقریبی ۲۹۰۰ کیلومتری تا مرکز زمین در حدود ۶۳۷۱ کیلومتری.
– ترکیب: عمدتاً آهن (Fe) و نیکل (Ni)، با احتمال وجود عناصر سبک دیگر در مقادیر کم.
- تقسیمبندی: هسته بیرونی (مایع) و هسته درونی (جامد).
– نقش: حرکت سیال رسانا در هسته بیرونی، اثر دینام ایجاد میکند که میدان مغناطیسی زمین را به وجود میآورد.
بدون یک هسته فعال، زمین احتمالاً در برابر تشعشعات بسیار آسیبپذیرتر خواهد بود و جو آن میتواند به راحتی توسط باد خورشیدی فرسایش یابد، همانطور که تصور میشود در مریخ اتفاق افتاده است.
-
لایهها بر اساس خواص فیزیکی (مکانیکی)
علاوه بر تقسیمبندی پوسته-گوشته-هسته، ژئوفیزیکدانان اغلب از تقسیمبندی دیگری بر اساس «نحوه رفتار لایهها» در رابطه با فشار و گرما استفاده میکنند.
۴) لیتوسفر: پوسته سفت و سختی که به صفحات شکسته شده است.
لیتوسفر شامل پوسته و قسمت بالایی و سفت گوشته است. این لایهای است که صفحات تکتونیکی را تشکیل میدهد.
ویژگیهای اصلی:
– خواص: سفت و سخت، شکننده، به راحتی ترک خورده - به همین دلیل است که زمین لرزه ها اغلب در لیتوسفر رخ می دهند.
ضخامت: متغیر، تقریباً ۵۰ تا ۲۰۰ کیلومتر، میتواند در زیر قارههای قدیمی ضخیمتر باشد.
– نقش: حرکت روی لایه پلاستیکیتر زیر آن (آستنوسفر)، که باعث برهمکنشهای صفحهای مانند واگرایی، همگرایی و تبدیل میشود.
در مرزهای صفحات واگرا، لیتوسفر میتواند کشیده شود و پشتههای میان اقیانوسی را تشکیل دهد. در مرزهای همگرا، لیتوسفر اقیانوسی متراکمتر تمایل به فرورانش به درون گوشته دارد و گودالهای اقیانوسی و کمانهای آتشفشانی را تشکیل میدهد.
۵) آستنوسفر: لایه «نرمی» که به صفحات اجازه حرکت میدهد
آستنوسفر در زیر لیتوسفر قرار دارد، از جمله قسمت داغتر و سیالتر گوشته بالایی.
ویژگیهای اصلی:
– خواص: پلاستیک، میتواند تغییر شکل دهد و به آرامی جریان یابد.
– شرایط: اغلب ذوب جزئی را در درصدهای کمی تجربه میکند، که آن را از نظر مکانیکی «ضعیفتر» میکند.
– نقش: یک «سطح لغزنده» بودن که صفحات لیتوسفر روی آن میلغزند، به طوری که تکتونیک صفحهای میتواند رخ دهد.
آستنوسفر برای توضیح اینکه چرا صفحات میتوانند حرکت کنند، حتی اگر لیتوسفر سخت و ضخیم به نظر برسد، مهم است.
۶) مزوسفر (گوشته پایینی): جامد اما بسیار کند جریان دارد
مزوسفر اغلب به گوشته پایینی (زیر آستنوسفر تا مرز هسته) اشاره دارد. با وجود دمای بالاتر، فشار عظیم آن را جامد نگه میدارد.
ویژگیهای اصلی:
– ویژگیها: از آستنوسفر سختتر است، اما همچنان میتواند در مقیاس زمانی میلیونها سال جریان داشته باشد.
– نقش: در گردش همرفتی گوشته در مقیاس بزرگ که گرما را از درون زمین به سمت بالا حرکت میدهد، مشارکت دارد.
همرفت در گوشته پایینی به همراه گوشته بالایی یک سیستم انتقال گرما را تشکیل میدهد که بر فعالیتهای زمینشناسی سطح زمین تأثیر میگذارد.
۷) هسته بیرونی: فلز مایع میدان مغناطیسی را هدایت میکند
هسته بیرونی زیر گوشته قرار دارد و مایع است. جریان این فلز مایع بسیار مهم است.
ویژگیهای اصلی:
– عمق: حدود ۲۹۰۰ تا ۵۱۵۰ کیلومتر.
– خواص: به دلیل ترکیبی از دمای بالا و شرایط فیزیکی خاص، به صورت مایع در میآید.
– نقش اصلی: تولید میدان مغناطیسی از طریق حرکت همرفتی فلز مایع رسانا و چرخش زمین (ژئودینامو).
تغییرات در جریان در هسته بیرونی همچنین به تغییرات در قدرت میدان مغناطیسی، حتی جابجایی قطبهای مغناطیسی در طول زمان زمینشناسی مربوط میشود.
۸) هسته داخلی: یک توپ جامد با فشار شدید
در مرکز زمین یک هسته داخلی جامد وجود دارد. با وجود دمای بسیار بالای آن، فشار بسیار زیاد باعث میشود آهن و نیکل موجود در آن جامد شوند.
ویژگیهای اصلی:
– عمق: حدود ۵۱۵۰ تا ۶۳۷۱ کیلومتر (تا مرکز زمین).
– خواص: متراکم، بسیار سفت.
– دما: تخمین زده میشود که به حدود ۵۰۰۰ تا ۶۰۰۰ درجه سانتیگراد برسد.
– نقش: به حفظ پویایی هسته کمک میکند و فرآیند انجماد تدریجی هسته داخلی میتواند عناصر گرما و نور را آزاد کند که همرفت را در هسته بیرونی تقویت میکند.
-
دانشمندان چگونه لایههای زمین را میشناسند؟
از آنجا که نمیتوانیم هسته زمین را سوراخ کنیم، دانش ما از ساختار زمین عمدتاً از لرزهشناسی حاصل میشود. امواج زلزله به طور متفاوتی از جامدات و مایعات عبور میکنند. امواج P میتوانند از هر دو جامدات و مایعات عبور کنند، در حالی که امواج S نمیتوانند. الگوهای انحراف و "مناطق سایه" امواج زلزله به شدت نشان میدهند که هسته بیرونی مایع و هسته داخلی جامد است. علاوه بر این، دادههای حاصل از گرانش، میدانهای مغناطیسی و آزمایشهای معدنی فشار بالا مفید هستند.
بستن
لایههای زمین - پوسته، گوشته و هسته - صرفاً تقسیمات ساختاری نیستند، بلکه سیستمهای فعال و به هم پیوستهای هستند. لیتوسفر سفت و سخت بر روی آستنوسفر که بیشتر حالت پلاستیکی دارد، حرکت میکند و تکتونیکهای صفحهای را ایجاد میکند که سطح سیاره را شکل میدهند. گوشته به عنوان یک موتور همرفتی عمل میکند که گرما را منتقل میکند، در حالی که هسته بیرونی مایع، یک میدان مغناطیسی ایجاد میکند که از حیات محافظت میکند. با درک ویژگیهای هر لایه، میتوانیم بهتر درک کنیم که چرا زمین پویا، قابل سکونت و دائماً در طول زمان در حال تغییر است.
