كيف بقي باطن الأرض ساخنًا مثل سطح الشمس لمليارات السنين؟

Curious Kids هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال تود أن يجيب عليه خبير ، فأرسله إلى curiouskidsus@theconversation.com.

كيف يظل باطن الأرض ساخنًا لمليارات السنين؟ هنري ، 11 سنة ، سومرفيل ، ماساتشوستس

تتكون أرضنا من نوع ما مثل البصل – طبقة تلو الأخرى.

بدءًا من الأعلى إلى الأسفل ، هناك القشرة ، والتي تشمل السطح الذي تمشي عليه ؛ ثم في الأسفل ، الوشاح ، ومعظمها من الصخور الصلبة ؛ ثم أعمق ، اللب الخارجي ، مصنوع من الحديد السائل ؛ وأخيرًا ، اللب الداخلي ، مصنوع من الحديد الصلب ، وبنصف قطر يبلغ 70٪ من حجم القمر. كلما تعمقت في الغوص ، زادت سخونة – فأجزاء من القلب تكون ساخنة مثل سطح الشمس.

الرحلة إلى مركز الأرض

بصفتي أستاذًا لعلوم الأرض والكواكب ، أدرس دواخل عالمنا. مثلما يمكن للطبيب استخدام تقنية تسمى التصوير بالموجات فوق الصوتية لعمل صور للهياكل داخل جسمك باستخدام الموجات فوق الصوتية ، يستخدم العلماء تقنية مماثلة لتصوير الهياكل الداخلية للأرض. ولكن بدلاً من الموجات فوق الصوتية ، يستخدم علماء الجيولوجيا الموجات الزلزالية – الموجات الصوتية التي تنتجها الزلازل.

على سطح الأرض ، ترى الأوساخ والرمل والعشب والأرصفة بالطبع. الاهتزازات الزلزالية تكشف ما هو أدناه: الصخور ، الكبيرة والصغيرة. هذا كله جزء من القشرة التي قد تنخفض لمسافة تصل إلى 20 ميلاً (30 كيلومترًا) ؛ يطفو فوق طبقة تسمى الوشاح.

يتحرك الجزء العلوي من الوشاح عادةً مع القشرة. يُطلق عليهم معًا الغلاف الصخري ، والذي يبلغ سمكه حوالي 60 ميلاً (100 كيلومتر) في المتوسط ​​، على الرغم من أنه يمكن أن يكون أكثر سمكًا في بعض المواقع.

ينقسم الغلاف الصخري إلى عدة كتل كبيرة تسمى الصفائح. على سبيل المثال ، تقع لوحة المحيط الهادئ تحت المحيط الهادئ بأكمله ، وتغطي لوحة أمريكا الشمالية معظم أمريكا الشمالية. اللوحات تشبه قطع الألغاز التي تتلاءم مع بعضها تقريبًا وتغطي سطح الأرض.

اللوحات ليست ثابتة. بدلا من ذلك ، يتحركون. في بعض الأحيان يكون أصغر جزء من البوصات على مدار سنوات. في أوقات أخرى ، يكون هناك المزيد من الحركة ، وتكون مفاجئة أكثر. هذا النوع من الحركة هو ما يتسبب في حدوث الزلازل والانفجارات البركانية.

ما هو أكثر من ذلك ، أن حركة الصفائح هي عامل حاسم ، وربما ضروري ، يقود تطور الحياة على الأرض ، لأن اللوحات المتحركة تغير البيئة وتجبر الحياة على التكيف مع الظروف الجديدة.

الحرارة قيد التشغيل

تتطلب حركة اللوحة عباءة ساخنة. وبالفعل ، كلما تعمقت في الأرض ، تزداد درجة الحرارة.

في الجزء السفلي من الصفائح ، على عمق حوالي 60 ميلاً (100 كيلومتر) ، تبلغ درجة الحرارة حوالي 2400 درجة فهرنهايت (1300 درجة مئوية).

بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الحد الفاصل بين الوشاح واللب الخارجي ، والذي يقل بمقدار 1،800 ميل (2،900 كيلومتر) ، تكون درجة الحرارة ما يقرب من 5000 فهرنهايت (2700 درجة مئوية).

ثم ، عند الحد الفاصل بين النوى الخارجية والداخلية ، تتضاعف درجة الحرارة لتصل إلى ما يقرب من 10800 فهرنهايت (أكثر من 6000 درجة مئوية). هذا هو الجزء الساخن مثل سطح الشمس. في هذه الدرجة ، كل شيء تقريبًا – المعادن والماس والبشر – يتبخر في الغاز. ولكن لأن اللب يقع تحت ضغط عالٍ في أعماق الكوكب ، فإن الحديد الذي يتكون منه يبقى سائلاً أو صلبًا.

تصادم في الفضاء الخارجي

من أين تأتي كل هذه الحرارة؟

إنه ليس من الشمس. بينما يدفئنا وجميع النباتات والحيوانات على سطح الأرض ، لا يستطيع ضوء الشمس اختراق أميال من باطن الكوكب.

بدلا من ذلك ، هناك نوعان من المصادر. إحداها هي الحرارة التي ورثتها الأرض أثناء تكوينها قبل 4.5 مليار سنة. صُنعت الأرض من السديم الشمسي ، وهو عبارة عن سحابة غازية عملاقة ، وسط تصادمات واندماجات لا نهاية لها بين أجزاء من الصخور والحطام تسمى planetesimals. استغرقت هذه العملية عشرات الملايين من السنين.

تم إنتاج كمية هائلة من الحرارة أثناء تلك الاصطدامات ، بما يكفي لإذابة الأرض بأكملها. على الرغم من فقدان بعض هذه الحرارة في الفضاء ، إلا أن ما تبقى منها كان محبوسًا داخل الأرض ، حيث لا يزال الكثير منها حتى اليوم.

مصدر الحرارة الآخر: اضمحلال النظائر المشعة المنتشرة في كل مكان على الأرض.

لفهم هذا ، تخيل أولاً عنصرًا كعائلة بها نظائر كأعضاء. كل ذرة من عنصر معين لها نفس عدد البروتونات ، ولكن أبناء عمومة النظائر المختلفة لديهم أعداد متفاوتة من النيوترونات.

النظائر المشعة ليست مستقرة. يطلقون تيارًا ثابتًا من الطاقة يتحول إلى حرارة. البوتاسيوم -40 ، والثوريوم -232 ، واليورانيوم -235 ، واليورانيوم -238 هي أربعة من النظائر المشعة التي تحافظ على حرارة باطن الأرض.

قد تبدو بعض هذه الأسماء مألوفة لك. يستخدم اليورانيوم 235 ، على سبيل المثال ، كوقود في محطات الطاقة النووية. الأرض ليست في خطر نفاد مصادر الحرارة هذه: على الرغم من اختفاء معظم اليورانيوم 235 والبوتاسيوم الأصلي ، إلا أن هناك ما يكفي من الثوريوم 232 واليورانيوم 238 لتستمر لبلايين السنين.

إلى جانب اللب الساخن والعباءة ، توفر هذه النظائر المطلقة للطاقة الحرارة لدفع حركة الصفائح.

لا حرارة ، لا حركة لوحة ، لا حياة

حتى الآن ، تستمر اللوحات المتحركة في تغيير سطح الأرض ، مما يؤدي باستمرار إلى إنشاء أراضٍ جديدة ومحيطات جديدة على مدى ملايين ومليارات السنين. تؤثر الصفائح أيضًا على الغلاف الجوي على مدى فترات زمنية طويلة مماثلة.

لكن بدون الحرارة الداخلية للأرض ، لما كانت الصفائح تتحرك. قد تبرد الأرض. من المحتمل أن يكون عالمنا غير صالح للسكنى. لن تكون هنا.

فكر في ذلك ، في المرة القادمة التي تشعر فيها بالأرض تحت قدميك.

مرحبًا أيها الأطفال الفضوليون! هل لديك سؤال تود أن يجيب عليه خبير؟ اطلب من شخص بالغ إرسال سؤالك إلى CuriousKidsUS@theconversation.com. من فضلك قل لنا اسمك وعمرك والمدينة التي تعيش فيها.