شعار زيفيرنت

فهم التغيرات في اللب الخارجي للأرض بمساعدة الموجات الزلزالية

التاريخ:

إن تكوين الكتلة ، اللب الخارجي للأرض ، ليس من الحديد النقي ولكن لديه عجز في الكثافة بحوالي 5-10٪ ، مما يشير إلى وجود كمية كبيرة من العناصر الخفيفة في اللب الخارجي ، بما في ذلك الهيدروجين والكربون ، النيتروجين والأكسجين والكبريت والسيليكون. هذه هي ملاحظات الموجات الزلزالية وكثافة اللب الخارجي للأرض.

كما أرض يبرد ، يؤدي تبلور الحديد السائل إلى إطلاق عناصر خفيفة وينمو اللب الداخلي الصلب. لا يزال النطاق الزمني لعملية تصلب الحديد والحمل الحراري المصاحب (الجيودينامو) غير واضح. 

إذا كانت العناصر الخفيفة المنبعثة مركزة محليًا ، فقد يكون لها تأثير يمكن اكتشافه على الموجة الزلزالية المحلية. توفر الموجات الزلزالية الناتجة عن الزلازل الكبيرة أخذ عينات مباشرة من اللب الخارجي للأرض. يمكن استخدام السرعة التي تنتشر بها الموجة الزلزالية عبر اللب الخارجي لتقييد عدم التجانس الجانبي في اللب الخارجي.

زلزالان ، نفس المنطقة ، وفرق مدهش

في مايو 1997 ، ضرب زلزال كبير منطقة جزر كرماديك في جنوب المحيط الهادئ. بعد ما يقرب من 20 عامًا ، في سبتمبر 2018 ، ضرب زلزال كبير ثان نفس الموقع ، وانبثقت موجاته من الطاقة الزلزالية من نفس المنطقة.

على الرغم من أن الزلازل حدثت قبل عقدين من الزمان لأنها حدثت في نفس المنطقة ، فمن المتوقع أن ترسل موجات زلزالية عبر طبقات الأرض بنفس السرعة ، كما قال يينغ تشو ، عالم الجيولوجيا في قسم علوم الأرض في Virginia Tech كلية العلوم.

ولكن في البيانات المسجلة في أربع من أكثر من 150 محطة شبكة رصد زلزالية عالمية تسجل الاهتزازات الزلزالية في الوقت الفعلي ، وجد تشو شذوذًا بين الأحداث المزدوجة: خلال زلزال 2018 ، انتقلت مجموعة من الموجات الزلزالية المعروفة باسم موجات SKS حوالي ثانية واحدة أسرع من نظرائهم في عام 1997.

وفقًا لما ذكره تشو ، الذي نُشرت نتائجه مؤخرًا في اتصالات الطبيعة الأرض والبيئة، هذا التناقض لمدة ثانية واحدة في وقت السفر لموجة SKS يعطينا لمحة مهمة وغير مسبوقة لما يحدث في عمق باطن الأرض ، في قلبها الخارجي.

الخطوط الزرقاء عبارة عن أشعة زلزالية في اللب الخارجي ، حيث تحركت الموجات الزلزالية المخترقة للنواة عبر تلك المنطقة بشكل أسرع في عام 2018 مقارنة بعام 1997.
الخطوط الزرقاء عبارة عن أشعة زلزالية في اللب الخارجي ، حيث تحركت الموجات الزلزالية المخترقة للنواة عبر تلك المنطقة في عام 2018 بشكل أسرع مما كانت عليه في عام 1997. الصورة بإذن من ينج تشو.

الهيكل الداخلي هو الأكثر أهمية

يقع اللب الخارجي بين الوشاح ، الطبقة السميكة من الصخور تحت القشرة الأرضية ، واللب الداخلي ، أعمق طبقة داخلية للكوكب. يتكون أساسًا من الحديد السائل الذي يخضع للحمل الحراري ، أو تدفق السوائل ، مع برودة الأرض. ينتج عن هذا الدوران الناتج من المعدن السائل تيارات كهربائية مسؤولة عن توليد المجال المغناطيسي للأرض ، والذي يحمي الكوكب وجميع أشكال الحياة عليه من الإشعاع الضار والرياح الشمسية.

بدون مجالها المغناطيسي ، لا يمكن للأرض أن تحافظ على الحياة ، وبدون التدفق المتحرك للمعدن السائل في اللب الخارجي ، لن يعمل المجال المغناطيسي. قال تشو ، الأستاذ المشارك ، إن الفهم العلمي لهذه الديناميكية يعتمد على المحاكاة. قالت: "نحن نعلم أنه من الناحية النظرية فقط ، إذا كان لديك حمل حراري في اللب الخارجي ، فستكون قادرًا على توليد المجال المغناطيسي".

كان العلماء أيضًا قادرين فقط على التكهن بمصدر التغيرات التدريجية في قوة واتجاه المجال المغناطيسي التي تمت ملاحظتها ، والتي من المحتمل أن تتضمن تغيير التدفقات في اللب الخارجي.

قال تشو: "إذا نظرت إلى القطب المغنطيسي الأرضي الشمالي ، فهو يتحرك حاليًا بسرعة حوالي 50 كيلومترًا [31 ميلًا] في السنة". "إنها تتحرك بعيدًا عن كندا ونحو سيبيريا. المجال المغناطيسي ليس هو نفسه كل يوم. إنه يتغير. نظرًا لأنه يتغير ، فإننا نتوقع أيضًا أن الحمل الحراري في اللب الخارجي يتغير بمرور الوقت ، لكن لا يوجد دليل مباشر. لم نرها من قبل ".

شرع تشو في العثور على هذا الدليل. قالت إن التغييرات التي تحدث في اللب الخارجي ليست دراماتيكية ، لكنها تستحق التأكيد والفهم الأساسي. في الموجات الزلزالية وتغيراتها في السرعة على مقياس زمني لعقد من الزمن ، رأى زو وسيلة "لأخذ عينات مباشرة" من اللب الخارجي. هذا لأن موجات SKS التي درستها تمر من خلالها.

يمثل “SKS” ثلاث مراحل من الموجة: أولاً تمر عبر الوشاح كموجة S ، أو موجة القص ؛ ثم في اللب الخارجي كموجة انضغاطية ؛ ثم تتراجع عبر الوشاح كموجة S. تعتمد سرعة انتقال هذه الموجات جزئيًا على كثافة اللب الخارجي الموجود في مسارها. إذا كانت الكثافة أقل في منطقة من اللب الخارجي حيث تخترقها الموجة ، فإن الموجة ستنتقل بشكل أسرع ، تمامًا كما فعلت موجات SKS الشاذة في عام 2018.

قال تشو: "لقد تغير شيء ما على طول مسار تلك الموجة ، لذا يمكنها أن تسير بشكل أسرع الآن".

بالنسبة إلى تشو ، يشير الاختلاف في سرعة الموجة إلى مناطق منخفضة الكثافة تتشكل في اللب الخارجي في العشرين عامًا منذ عام 20 زلزال. وقالت إن سرعة موجة SKS العالية خلال زلزال 2018 يمكن أن تُعزى إلى إطلاق عناصر ضوئية مثل الهيدروجين والكربون والأكسجين في اللب الخارجي أثناء الحمل الحراري الذي يحدث عندما تبرد الأرض.

قال تشو: "المواد التي كانت موجودة قبل 20 عامًا لم تعد موجودة". "هذه مادة جديدة وهي أخف وزنا. ستتحرك هذه العناصر الخفيفة لأعلى وتغير الكثافة في المنطقة التي توجد بها ".

بالنسبة لـ Zhou ، هذا دليل على أن الحركة تحدث بالفعل في القلب ، وأنها تتغير بمرور الوقت ، كما افترض العلماء. قالت: "نحن قادرون على رؤيتها الآن". "إذا تمكنا من رؤيته من الموجات الزلزالية ، في المستقبل ، يمكننا إنشاء محطات رصد الزلازل ومراقبة هذا التدفق."

ماذا بعد

باستخدام طريقة قياس الموجة المعروفة باسم قياس التداخل ، يخطط فريقها لتحليل التسجيلات الزلزالية المستمرة من محطتين زلزاليتين ، أحدهما سيكون بمثابة مصدر زلزال "افتراضي" ، على حد قولها.

قال تشو: "يمكننا استخدام الزلازل ، ولكن محدودية الاعتماد على بيانات الزلازل هو أننا لا نستطيع التحكم في مواقع الزلازل". لكن يمكننا التحكم في مواقع محطات الزلازل. يمكننا وضع المحطات في أي مكان نريدها ، بحيث يمر مسار الموجة من محطة إلى المحطة الأخرى عبر اللب الخارجي. إذا راقبنا ذلك بمرور الوقت ، فيمكننا أن نرى كيف تتغير الموجات الزلزالية المخترقة للنواة بين هاتين المحطتين. بذلك ، سنكون قادرين بشكل أفضل على رؤية حركة السوائل في اللب الخارجي بمرور الوقت ".

نظرة مستقبلية:

تُظهر الملاحظات في هذه الدراسة أن اللب الخارجي بعيد كل البعد عن الاختلاط جيدًا في مقياس زمني لعقد من الزمن ، وأن التغايرات الجانبية المرتبطة بالحمل الحراري الأساسي الخارجي قوية بما يكفي لإنتاج تغيرات موجات زلزالية يمكن اكتشافها في تسجيلات الزلازل. هذا يفتح إمكانية مراقبة التغيرات الزمنية في اللب الخارجي باستخدام البيانات الزلزالية.

مرجع المجلة

  1. Zhou ، Y. تباين عابر في نقاط سرعة الموجة الزلزالية إلى حركة السوائل السريعة في اللب الخارجي للأرض. بيئة الأرض المشتركة 3, 97 (2022). معرف الهوية الرقمي: 10.1038/s43247-022-00432-7
بقعة_صورة

أحدث المعلومات الاستخباراتية

بقعة_صورة