في أعماق كوكب صخري مثل الأرض، يؤثر سلوك الحديد بشكل كبير على خصائص المادة المنصهرة. إن البحث الجديد الذي يستكشف الخصائص الكمومية للعناصر في البيئات القاسية له آثار مهمة على فهمنا لتاريخ الأرض، وشرح النشاط الزلزالي الفريد، ودراسة الكواكب الخارجية لاكتساب نظرة ثاقبة حول قدرتها على دعم الحياة.

في أعماق كوكب صخري مثل الأرض، يؤثر سلوك الحديد بشكل كبير على خصائص المادة المنصهرة: وهي الخصائص التي تؤثر على كيفية تشكل الكوكب وتطوره. استخدم العلماء أشعة ليزر قوية وأشعة سينية فائقة السرعة لإعادة خلق الظروف القاسية في هذه المواد المنصهرة، والمعروفة باسم ذوبان السيليكات، وقياس خصائص الحديد. المصدر: جريج ستيوارت/مختبر المسرع الوطني SLAC

لعبت هذه الخصائص دورًا حاسمًا في تكوين الأرض وتطورها. ربما كان تطور كوكبنا مدفوعًا إلى حد كبير بالحالات الكمومية المجهرية لذرات الحديد. "حالة الدوران" للحديد هي خاصية كمية لإلكتروناته التي تؤثر على سلوكه المغناطيسي وتفاعله الكيميائي. تؤثر التغيرات في حالة الدوران على الشكل المنصهر أو الصلب للحديد وعلى موصليته.

حتى الآن، كان من الصعب إعادة إنتاج الظروف القاسية في هذه المواد المنصهرة، والمعروفة باسم ذوبان السيليكات، لقياس حالة دوران الحديد. تغلب فريق دولي من الباحثين من مختبر التسريع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، وجامعة ستانفورد، وجامعة غرونوبل ألب، ومختبر استخدام الليزر المكثف (LULI)، وجامعة ولاية أريزونا، على هذا التحدي باستخدام أشعة ليزر قوية وأشعة سينية فائقة السرعة. ووجدوا أنه عند الضغوط ودرجات الحرارة المرتفعة للغاية، كان الحديد الموجود في السيليكات المصهور في الغالب في حالة دوران منخفض، مما يعني أن إلكتروناته كانت أقرب إلى المركز وتقترن في مستويات الطاقة، مما يجعل الحديد أقل مغناطيسية وأكثر استقرارًا.

وتدعم النتائج، التي نُشرت في مجلة Science Advances، فكرة أن أنواعًا معينة من الحمم البركانية قد تكون مستقرة في أعماق الأرض والكواكب الصخرية الأخرى، ومن المحتمل أن تلعب دورًا في إنشاء المجالات المغناطيسية. البحث له آثار محتملة لفهم تطور الأرض، وتفسير الإشارات الزلزالية، وحتى دراسة الكواكب الخارجية.

وقال المؤلف المشارك دان شيم، الباحث في جامعة ولاية أريزونا: "فيما يتعلق باستكشاف تاريخ الأرض، فإننا ننظر إلى العمليات التي حدثت منذ أكثر من 4 مليارات سنة". "إن الطريقة الوحيدة لدراسة تاريخ الأرض هي استخدام التكنولوجيا الحديثة التي تقاس بالفيمتو ثانية. إن التناقض بين هذه المقاييس الزمنية الشاسعة بليغ وصادم في نفس الوقت: إنه أقرب إلى مفهوم آلة الزمن."

قصف الكويكبات ومحيطات الصهارة

منذ حوالي 4.3 إلى 4.5 مليار سنة، شهدت الأرض المبكرة تأثيرًا قويًا وضربها كويكب كبير بحجم مدينة. ولدت هذه التأثيرات الكثير من الحرارة لدرجة أنها ربما أدت إلى إذابة الطبقات الخارجية للأرض بالكامل، مما أدى إلى خلق محيط عميق من الحمم البركانية.

وقالت أريانا جليسون، المؤلفة المشاركة والعالمة في SLAC: "هناك نظريات مفادها أنه في ظل الضغط الشديد لهذه التأثيرات، يمكن أن تصبح الحمم البركانية أكثر كثافة من الصخور الصلبة". تغوص هذه الصهارة الأكثر كثافة باتجاه قلب الأرض، لتلتقط البصمة الكيميائية لتلك الحقبة. ويعتقد البعض أن بقايا طبقة الصهارة هذه ربما لا تزال موجودة حتى اليوم، وتحمل أدلة تعود إلى ما قبل 4.5 مليار سنة. ربما تطلق البراكين في أماكن مثل هاواي هذه العلامات الكيميائية القديمة، مما يمنحنا لمحة عن الماضي البعيد للأرض. "

في المستويات الضحلة، تشغل الصخور المنصهرة مساحة أكبر من نفس المادة في حالتها الصلبة. ولكن مع زيادة العمق والضغط، يقل هذا الاختلاف. ويلعب تركيب الحديد، وخاصة حالته الدورانية، دورًا مهمًا في تحديد هذه الخصائص. أظهرت الدراسات السابقة نتائج مختلطة لحالة دوران الحديد في ظل ظروف مماثلة: فقد وجد البعض تغيرات سريعة في حالة دوران الحديد عند الضغط العالي، بينما وجد البعض الآخر تغيرات أبطأ وأكثر تدرجًا.

الدراسة الجديدة هي أول ملاحظة مباشرة لكيفية تصرف الحديد في الحمم البركانية الحقيقية في ظل الظروف القاسية.

وقال شيم: "بينما يمكننا الحصول على الكثير من المعلومات من دراسة الصخور والحفريات، فقد ضاعت بعض جوانب التاريخ المبكر للأرض بسبب قلة السجلات من ذلك الوقت. وهذا ما يجعل هذه الدراسة فريدة من نوعها". "كان تكوين الأرض عملية مضطربة تنطوي على تأثيرات قوية وإنشاء طبقة حمم بركانية عالمية. وكان الضغط في طبقة الحمم البركانية هائلا. وقد درسنا ذلك من خلال تجارب معملية تحاكي الظروف في ذلك الوقت."

في غرفة المواد في الظروف القاسية (MEC) في مصدر الضوء المتماسك (LCLS) التابع لـ SLAC، قام الفريق بتفجير العينة باستخدام أشعة ليزر قوية، مما أدى إلى تحويل المواد الصلبة إلى ذوبان سيليكات في نانو ثانية، مما أدى إلى إعادة إنشاء الضغوط الشديدة الموجودة في محيطات الصهارة المبكرة للأرض. استخدم العلماء بعد ذلك نبضات الأشعة السينية بالفيمتو ثانية من LCLS لدراسة البنية الإلكترونية لعناصر مثل الحديد في ظل هذه الظروف القاسية، واكتساب نظرة ثاقبة حول كيفية تغير تكوينات الإلكترون في ظل ظروف مختلفة وكشف أن الصهارة المنصهرة تصبح بالفعل أكثر كثافة من المواد الصلبة في ظل ظروف معينة.

وقال جليسون: "من خلال فهم الديناميكيات الداخلية للأرض، يمكننا تحسين نماذج الحركات التكتونية والظواهر الجيولوجية الأخرى". "بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن طبقات الأرض مترابطة، فإن هذه النتائج لها آثار على علوم المناخ."

تعرف على كوكبنا

في هذه الدراسة، ركز الفريق على المصهورات ذات المحتوى المنخفض من الحديد. ولكن مع تدفق المواد نحو مركز الأرض، فإنها تمتص نظريًا المزيد من الحديد، مما يجعلها أكثر كثافة. ولمتابعة الدراسة، يخطط الفريق لدراسة المصهورات ذات المحتوى العالي من الحديد. ويأملون أيضًا في إجراء تجارب على المواد الذائبة التي تحتوي على بعض الماء لمعرفة المزيد عن دورة المياه على الأرض والمناخ.

يمكن أن يكشف البحث أيضًا عن سرعات زلزالية خاصة في أعماق وشاح الأرض. لقد حيرت هذه الحالات الشاذة العلماء لعقود من الزمن. تشير بعض النظريات إلى أن هذه المناطق قد تكون بقايا صهارة تعود إلى 4.5 مليار سنة، بينما يعتقد البعض الآخر أنها نتيجة غرق الصفائح التكتونية في باطن الأرض، مما يؤدي إلى نشر مواد ذات نقطة انصهار منخفضة. ومن خلال مقارنة الفرضيات المختلفة باستخدام تقنيات التصوير الزلزالي، يهدف الفريق إلى تحديد أصل هذه المناطق والتمييز بين المواد القديمة والحديثة.

وقال روبرتو ألونسو موري، العالم والمتعاون في SLAC: "مع تقدم التكنولوجيا، نحن في طليعة حل التحديات الكبرى من علم المعادن إلى علوم المناخ، وربط مجالات البحث معًا". "إن الكم الهائل من المعلومات التي يمكننا جمعها يغير قدراتنا. إنه يغير قواعد اللعبة. ومن المثير العمل مع مثل هذا الفريق المتنوع لتطوير تقنيات جديدة وتطبيقها لحل المشكلات الملحة."