به گزارش خبرگزاری آنا؛ دانشمندان اکنون با بررسی حرکات بخش‌های درونی زمین، توضیح تازه‌ای برای این تغییرات چنددهه‌ای ارائه کرده‌اند؛ توضیحی که نشان می‌دهد تغییرات بسیار ظریف در هسته داخلی زمین می‌تواند از طریق اثر گرانشی بر گوشته، سرعت چرخش آن را تغییر دهد.

این تغییرات آن‌قدر کوچک هستند که در زندگی روزمره احساس نمی‌شوند، اما برای فیزیک‌دانانی که چرخش زمین را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری می‌کنند، قابل شناسایی‌اند. پژوهش جدید نشان می‌دهد که تعامل میان هسته داخلی جامد، هسته خارجی مایع و گوشته سنگی می‌تواند در تغییر طول شبانه‌روز نقش داشته باشد و درک دقیق‌تری از پویایی اعماق زمین در اختیار دانشمندان قرار دهد.

چرخش زمین آن‌قدرها هم ثابت نیست

در تصور معمول، یک شبانه‌روز برابر با ۲۴ ساعت است؛ اما این عدد یک مقدار قراردادی و میانگین است. سرعت واقعی چرخش زمین در طول زمان اندکی تغییر می‌کند و همین تغییرات کوچک باعث می‌شود طول شبانه‌روز نیز ثابت نماند.

مقدار این تغییرات در حد میلی‌ثانیه است؛ یعنی هزارم ثانیه. با وجود کوچک‌بودن این اختلاف، ابزارهای دقیق ژئوفیزیکی و نجومی قادرند آن را اندازه‌گیری کنند. بررسی تغییرات طول شبانه‌روز به دانشمندان اجازه می‌دهد درباره فرایندهایی که در اعماق زمین رخ می‌دهند، اطلاعاتی به دست آورند؛ فرایندهایی که مستقیماً قابل مشاهده نیستند.

دانشمندان حدود سه دهه است که می‌دانند سرعت چرخش هسته مایع زمین در طول زمان ثابت نمی‌ماند. تغییرات میدان مغناطیسی زمین نشان داده‌اند که هسته مایع می‌تواند طی چند دهه به‌تدریج سریع‌تر شود و سپس در چند دهه بعدی سرعت آن کاهش پیدا کند.

این تغییرات در هسته با تغییرات مخالفی در گوشته همراه است؛ لایه سنگی بزرگی که پوسته زمین را دربرمی‌گیرد و حدود ۳۰۰۰ کیلومتر ضخامت دارد. هنگامی که هسته سریع‌تر می‌چرخد، چرخش گوشته اندکی کندتر می‌شود و هنگامی که سرعت هسته کاهش پیدا می‌کند، گوشته می‌تواند اندکی سریع‌تر بچرخد.

این رفتار به اصل مهمی در فیزیک مربوط است: «تکانه زاویه‌ای» (Angular Momentum) کل سامانه زمین باید حفظ شود. بنابراین، تغییر در تکانه زاویه‌ای یک بخش می‌تواند با تغییر در بخش دیگری همراه باشد.

حتی تغییر بسیار کوچک در سرعت چرخش گوشته می‌تواند طول شبانه‌روز را در حد چند میلی‌ثانیه تغییر دهد.

نیرویی پنهان میان هسته و گوشته

با وجود آگاهی از این تغییرات، یک پرسش مهم برای دانشمندان باقی مانده بود: دقیقاً چه سازوکاری باعث انتقال تکانه زاویه‌ای میان هسته و گوشته می‌شود؟

در مطالعه‌ای که تازگی منتشر شده است، «هویفنگ ژانگ»، دانشجوی دکتری فیزیک دانشگاه آلبرتا، و «ماتیو دامبری»، استاد این دانشگاه، سازوکاری را پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند بخشی از این معما را توضیح دهد.

تمرکز این پژوهش بر «هسته داخلی» (Inner Core) زمین است؛ بخش جامد و مرکزی سیاره که درون هسته خارجی مایع قرار دارد. هسته داخلی برخلاف تصور ساده از یک کره کاملاً متقارن، شکل کاملاً کروی ندارد و توزیع جرم در بخش‌های مختلف آن یکسان نیست.

پژوهشگران نشان داده‌اند که تغییرات کوچک در سرعت چرخش هسته داخلی می‌تواند نیرویی موسوم به «گشتاور گرانشی» (Gravitational Torque) ایجاد کند. این گشتاور در نتیجه برهم‌کنش گرانشی میان هسته داخلی و توزیع نامتقارن جرم در گوشته شکل می‌گیرد.

به بیان دیگر، هسته داخلی تنها یک بخش جامد و منفعل در مرکز زمین نیست؛ حرکت آن می‌تواند از طریق گرانش بر سایر بخش‌های سیاره اثر بگذارد.

گرانش چگونه طول شبانه‌روز را تغییر می‌دهد؟

«گشتاور» در فیزیک به اثری گفته می‌شود که می‌تواند تمایل یک جسم به چرخش را تغییر دهد. در این پژوهش، گشتاور گرانشی ایجادشده میان هسته داخلی و گوشته می‌تواند سرعت چرخش گوشته را اندکی تغییر دهد.

از آنجا که بخش عمده جرم زمین در گوشته و سایر لایه‌های بیرونی قرار دارد، تغییر بسیار کوچک در سرعت چرخش این بخش‌ها می‌تواند در نهایت در مدت‌زمان لازم برای یک دور کامل چرخش زمین اثر بگذارد.

اگر گوشته کمی کندتر بچرخد، یک شبانه‌روز اندکی طولانی‌تر می‌شود و اگر سرعت چرخش آن افزایش پیدا کند، طول شبانه‌روز می‌تواند اندکی کاهش یابد.

بر اساس مدل پژوهشگران، تغییرات مشاهده‌شده در طول شبانه‌روز در مقیاس چند دهه می‌تواند با تغییرات بسیار کوچک در حرکت هسته داخلی مرتبط باشد. این سازوکار، ارتباطی میان فرایندهای گرانشی در اعماق زمین و تغییری برقرار می‌کند که در سطح سیاره به صورت تغییر بسیار کوچک در طول شبانه‌روز قابل اندازه‌گیری است.

یک نیروی مخالف نیز در مرز هسته و گوشته وجود دارد

گشتاور گرانشی تنها نیروی مؤثر بر چرخش بخش‌های داخلی زمین نیست. در مرز میان هسته و گوشته، سازوکارهای دیگری نیز می‌توانند انتقال تکانه زاویه‌ای را تحت تأثیر قرار دهند.

یکی از آنها «گشتاور مرز هسته و گوشته» (Core-Mantle Boundary Torque) نام دارد. این اثر شامل اصطکاک و کشش الکترومغناطیسی است و در برابر تغییرات ایجادشده توسط گشتاور گرانشی مقاومت می‌کند.

در نتیجه، سرعت چرخش زمین تحت تأثیر رقابت میان این نیروها قرار می‌گیرد. بر اساس یافته‌های پژوهش جدید، تغییرات کوچک و چنددهه‌ای طول شبانه‌روز ممکن است حاصل تغییر در تعادل میان گشتاور گرانشی و گشتاور موجود در مرز هسته و گوشته باشد.

این دیدگاه به دانشمندان اجازه می‌دهد تغییرات بسیار کوچک در چرخش زمین را نه به عنوان یک نوسان تصادفی، بلکه به عنوان پیامدی از تعامل میان بخش‌های مختلف ساختار داخلی سیاره بررسی کنند.

هسته داخلی زمین ممکن است پویاتر از تصور گذشته باشد

اهمیت این پژوهش فقط به توضیح تغییرات طول شبانه‌روز محدود نمی‌شود. یافته‌ها تصویری پویاتر از هسته داخلی زمین ارائه می‌کنند؛ بخشی از سیاره که در عمق هزاران کیلومتری زیر سطح قرار دارد و دسترسی مستقیم به آن امکان‌پذیر نیست.

بر اساس نتایج منتشر شده در سایت «دانشگاه آلبرتا» (Ualberta University)، هسته داخلی ممکن است در مقیاس زمانی حدود ۱۰ سال دچار «تغییر شکل ویسکوز» (Viscous Deformation) شود. تغییر شکل ویسکوز به تغییر تدریجی شکل یک ماده در اثر اعمال نیرو گفته می‌شود؛ فرایندی که می‌تواند در مواد جامد نیز، اگر نیرو برای مدت کافی اعمال شود، رخ دهد.

این یافته اهمیت دارد، زیرا هسته داخلی زمین از جنس ماده جامد است و ممکن است در نگاه نخست، ساختاری کاملاً ثابت و بدون تغییر تصور شود. اما مدل ارائه‌شده نشان می‌دهد این بخش از زمین می‌تواند در برابر نیروهای واردشده واکنش نشان دهد و شکل آن در بازه‌های زمانی چندساله تغییر کند.

در نتیجه، اعماق زمین بیش از آنچه از سطح سیاره به نظر می‌رسد، پویا هستند. تغییرات کوچک در مرکز زمین می‌توانند با مجموعه‌ای از برهم‌کنش‌های فیزیکی به تغییراتی قابل اندازه‌گیری در چرخش کل سیاره منجر شوند.

تغییر طول شبانه‌روز، پنجره‌ای به اعماق زمین

دانشمندان نمی‌توانند هسته داخلی زمین را مستقیماً مشاهده کنند. بنابراین، برای شناخت این بخش از سیاره باید از نشانه‌هایی استفاده کنند که اثر فرایندهای درونی زمین را در سطح یا در اندازه‌گیری‌های قابل دسترس آشکار می‌کنند.

تغییرات میدان مغناطیسی زمین یکی از این نشانه‌هاست و تغییرات طول شبانه‌روز نیز اطلاعات ارزشمندی درباره نحوه توزیع و انتقال تکانه زاویه‌ای در داخل سیاره فراهم می‌کند.

از این منظر، طول شبانه‌روز تنها یک واحد زمانی برای اندازه‌گیری گذر روز و شب نیست. تغییرات بسیار کوچک آن می‌تواند حامل اطلاعاتی درباره رفتار هسته، گوشته و تعامل میان آنها باشد.

پژوهش‌های جدید نیز از همین مسیر به بررسی یکی از پرسش‌های قدیمی ژئوفیزیک پرداخته است: چرا طول شبانه‌روز در بازه‌های چنددهه‌ای تغییر می‌کند؟

مدل آنها نشان می‌دهد که گشتاور گرانشی ناشی از تغییرات حرکت هسته داخلی می‌تواند یکی از عوامل مؤثر در این تغییرات باشد و در کنار نیروهای موجود در مرز هسته و گوشته، سرعت چرخش زمین را تنظیم کند.

با این حال، این یافته به معنای آن نیست که تمام تغییرات طول شبانه‌روز با یک سازوکار واحد توضیح داده می‌شوند. چرخش زمین تحت تأثیر مجموعه‌ای از فرایندهای داخلی و خارجی قرار دارد و پژوهش درباره سهم هر یک از این عوامل همچنان ادامه دارد.

زمین زیر پای ما یک سامانه ایستا نیست

تصویر زمین به عنوان سیاره‌ای با لایه‌های ثابت و تغییرناپذیر، با آنچه پژوهش‌های ژئوفیزیکی نشان می‌دهند فاصله دارد. هسته، گوشته و پوسته در چارچوب مجموعه‌ای پیچیده از نیروها و حرکت‌ها با یکدیگر در تعامل هستند و حتی تغییرات بسیار کوچک در اعماق سیاره می‌تواند پیامدی قابل اندازه‌گیری در مقیاس کل زمین داشته باشد.

مطالعه منتشرشده در «نیچر» (Nature) نشان می‌دهد که تغییرات چند میلی‌ثانیه‌ای طول شبانه‌روز ممکن است بخشی از داستانی بسیار بزرگ‌تر درباره پویایی درونی زمین باشند. حرکت هسته داخلی، برهم‌کنش گرانشی آن با گوشته و نیروهای موجود در مرز میان این دو لایه، همگی در تنظیم چرخش سیاره نقش دارند.

در نهایت، آنچه ساعت‌های دقیق به صورت تغییر چند میلی‌ثانیه‌ای در طول یک شبانه‌روز ثبت می‌کنند، می‌تواند بازتابی از رویدادهایی باشد که هزاران کیلومتر پایین‌تر از سطح زمین رخ می‌دهند؛ جایی که هسته داخلی، با وجود جامد بودن، همچنان در حال تغییر و واکنش به نیروهای درونی سیاره است.