اكتشف العلماء حالة جديدة للمادة في مركز الأرض

اكتشف باحثون صينيون أن الكربون الخلالي في سبائك الحديد والكربون يتصرف في حالة سائلة فائقة التأين تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة الأساسية للأرض.

تحت اللب الخارجي المنصهر للأرض توجد منطقة مركزية صلبة، اللب الداخلي، عبارة عن كرة مدمجة مكونة من عنصر ضوء حديدي سبيكة مضغوط بأكثر من 3.3 مليون ضغط جوي ويتم تسخينه إلى درجات حرارة مماثلة لسطح الشمس.

لسنوات عديدة، ناضل الباحثون لشرح سلوكه غير المعتاد: على الرغم من أنه صلب، إلا أنه يتصرف مثل المعدن الناعم بشكل غير متوقع، مما يؤدي إلى إبطاء موجات القص الزلزالية وعرض نسبة بواسون أقرب إلى الزبدة منها إلى الفولاذ. وقد أثار هذا سؤالًا طويل الأمد حول كيف يمكن للمركز الصلب للكوكب أن يبدو ثابتًا ومرنًا بشكل مدهش.

دراسة كبيرة نشرت في مراجعة العلوم الوطنية يقدم الآن تفسيرا قويا. لقد وجد العلماء أن اللب الداخلي للأرض لا يتصرف مثل مادة صلبة عادية على الإطلاق؛ بدلاً من ذلك، فهو يحتل حالة فائقة التأين، حيث تتحرك العناصر الخفيفة عبر شبكة حديدية صلبة ذات حركة تشبه السائل. ويعيد هذا الاكتشاف تشكيل وجهات النظر العلمية حول ما يحدث في أعماق الكوكب.

أثبت فريق البحث، بقيادة البروفيسور يوجون تشانغ والدكتور يوكيان هوانغ من جامعة سيتشوان والبروفيسور يو هي من معهد الكيمياء الجيولوجية بالأكاديمية الصينية للعلوم، أن سبائك الحديد والكربون تتحول إلى مرحلة فائقة التأين عندما تتعرض لضغط وحرارة شديدين. في هذا الشكل، تنتقل ذرات الكربون بسرعة عبر الإطار البلوري للحديد الصلب، مما يقلل من صلابته بشكل كبير.

“لأول مرة، أظهرنا تجريبيًا أن سبيكة الحديد والكربون في ظل الظروف الأساسية الداخلية تظهر سرعة قص منخفضة بشكل ملحوظ.” قال البروفيسور تشانغ. “في هذه الحالة، تصبح ذرات الكربون شديدة الحركة، وتنتشر عبر إطار الحديد البلوري مثل الأطفال الذين ينسجون خلال رقصة مربعة، في حين يظل الحديد نفسه صلبًا ومنظمًا. وهذا ما يسمى “المرحلة فوق الصوتية” يقلل بشكل كبير من صلابة السبيكة.

من النظرية إلى التجربة

وبينما ألمحت نماذج الكمبيوتر إلى مثل هذه الحالة في عام 2022، ظل الدليل التجريبي المباشر بعيد المنال – حتى الآن. وباستخدام منصة ضغط الصدمات الديناميكية، قام الفريق بتسريع عينات الحديد والكربون إلى سرعات تصل إلى 7 كيلومترات في الثانية، مما أدى إلى ضغوط تصل إلى 140 جيجاباسكال، ودرجات حرارة قريبة من 2600 كلفن، وهي ظروف مشابهة لتلك الموجودة في النواة الداخلية.

من خلال الجمع بين قياسات سرعة الصوت في الموقع مع محاكاة الديناميكيات الجزيئية المتقدمة، لاحظ العلماء انخفاضًا حادًا في سرعة موجة القص وارتفاعًا في نسبة بواسون – بما يتوافق مع الإشارات الزلزالية “الناعمة” المكتشفة في أعماق الأرض. وعلى المقياس الذري، أظهرت النتائج أن ذرات الكربون تنزلق بحرية عبر الشبكة الحديدية، مما يضعف صلابتها دون تدمير بنيتها.

جوهر ديناميكي ذو تأثير عالمي

لا يشرح النموذج الفائق التأين الخصائص الزلزالية المحيرة للأرض فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا جديدة للديناميكيات الداخلية للأرض. يمكن أن تساعد حركة العناصر الضوئية في تفسير التباين الزلزالي -التغيرات في سرعات الموجات اعتمادًا على الاتجاه- وربما تؤثر أيضًا على المجال المغناطيسي للأرض.

قال الدكتور هوانغ: “يمثل الانتشار الذري داخل النواة الداخلية مصدر طاقة تم التغاضي عنه سابقًا في الدينامو الجغرافي”. “بالإضافة إلى الحرارة والحمل الحراري التركيبي، فإن الحركة الشبيهة بالسوائل للعناصر الخفيفة قد تساعد في تشغيل المحرك المغناطيسي للأرض.”

وتحسم النتائج أيضًا نقاشات طويلة الأمد حول كيفية تصرف العناصر الخفيفة تحت الضغوط الشديدة. ركزت الدراسات السابقة على المركبات أو السبائك البديلة، لكن هذا البحث يسلط الضوء على أهمية المحاليل الصلبة الخلالية – خاصة تلك التي تحتوي على الكربون – في تحديد خصائص النواة.

إعادة النظر في قلب الكوكب

ووفقا للبروفيسور تشانغ، فإن هذا الاكتشاف يشير إلى تحول في كيفية رؤية العلماء لمركز الأرض. وأوضح قائلاً: “إننا نبتعد عن النموذج الثابت والصلب للنواة الداخلية نحو النموذج الديناميكي”.

وبعيدًا عن الأرض، فإن اكتشاف مرحلة فائقة التأين يمكن أن يسلط الضوء أيضًا على التطور المغناطيسي والحراري للكواكب الصخرية والكواكب الخارجية الأخرى. وكما لاحظ تشانغ، “إن فهم هذه الحالة الخفية للمادة يقربنا خطوة واحدة من كشف أسرار التصميم الداخلي للكواكب الشبيهة بالأرض”.

المرجع: “دليل تجريبي على سبيكة Fe-C فائقة التأين التي تم الكشف عنها من خلال تليين القص في اللب الداخلي للأرض” بقلم يوكيان هوانغ، ويو هي، ويوجون تشانغ، وجون لي، ولونغ هاو، وبو غان، وجانغ جيانغ، وتشيانغ وو، وهو كوانغ ماو، 26 سبتمبر 2025، مراجعة العلوم الوطنية.
دوى: 10.1093/nsr/nwaf419

تم تمويل هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، وبرنامج العلوم والتكنولوجيا في سيتشوان، وفريق الشباب متعدد التخصصات في CAS.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.