داخل سیاره زمین
کارل سیگان در سال 1996 در یکی از آخرین مصاحبه‌های این ستاره شناس اعلام کرد: «ما بر روی تکه‌ای از سنگ و فلز زندگی میکنیم که دور یک ستاره هُمدروم می‌چرخد».
این توصیفی ساده از زمین است، اما برای مدت طولانی بسیاری از دانشمندان با آن همراهی می کردند. هیچ راهی برای کشف مستقیم درون سیاره ما وجود ندارد. عمیق ترین حفره ای که تا به حال حفر شده است، گمانه عمیق کولا در قطب شمال روسیه، تنها 0.2 درصد از راه به مرکز می رسد. بنابراین حتی بهترین نقشه‌های علمی خیلی بهتر از کارتون کتاب درسی دوره راهنمایی شما که یک پوسته بیرونی، یک هسته داخلی و یک لایه ضخیم به نام گوشته در بین آن را نشان می‌دهد، به نظر نمی‌رسند.
اما این تصویر در حال تغییر است. محققانی مانند باربارا رومانوویچ در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، از امواج لرزه‌ای (زلزله) برای اسکن درون سیاره ما استفاده می‌کنند، دقیقاً مانند پزشکان که از امواج فراصوت برای مشاهده درون بیماران استفاده می‌کنند. چیزی که آنها می بینند پر از جزئیات پیچیده است؛ نه یک توده معدنی ملایم، بلکه یک منظره درونی غنی و پویا.
به نظر می رسد که گوشته مانند یک پیاز لایه لایه است، با تغییرات عمده 250 مایلی و 410 مایلی پایین. در سطح 410 مایلی، محققان اخیراً یک رشته کوه داخلی عظیم را شناسایی کرده‌اند که قله‌هایی ممکن است حتی از قله اورست نیز بلندتر باشد. رومانوویچ می گوید: «اخیراً، ما تغییر دیگری را در عمق حدود 1000 کیلومتری [600 مایل] کشف کرده ایم.
لایه ها توسط توده های سنگ داغ برآمده شکافته می شوند. و در زیر ستون ها، دو حباب عجیب و غریب به اندازه استرالیا در بالای هسته، یکی در زیر آفریقا و دیگری در زیر اقیانوس آرام قرار دارند.
رومانوویچ می گوید: «بیشتر و بیشتر متوجه می شویم که این تصویر کارتونی استاندارد نیست. برای ژئودینامیک‌ها، این یک انقلاب کامل است.»
متحیر از حباب ها
حباب های گوشته به دلیل تأثیر آنها بر زندگی در سطح مورد توجه خاص هستند. کار اخیر ماریا تسخمسترنکو، زلزله‌شناس دانشگاه آکسفورد، حباب‌ها را به‌عنوان منبعی از توده‌های داغ گوشته تأیید می‌کند و این توده‌ها می‌توانند باعث فوران‌های ابرآتشفشانی ویرانگر در هنگام ظهور شوند.
تحقیقات او پیوندهای دقیقی را بین حباب آفریقایی و ستون گوشته La Reunion (در حال حاضر در زیر جزیره Reunion، در شرق ماداگاسکار) پیدا کرده است که موجی از فوران‌ها را در جایی که اکنون هند است 67 میلیون سال پیش به راه انداخته است، و یک ضربه یک یا دو برخورد سیارکی بزرگ برای از بین بردن دایناسورها را ایجاد کرده است.
توده‌های دیگر منجر به آتشفشان‌های عظیمی شدند که ایسلند را ایجاد کردند و همچنان به فعالیت‌های غرش در زیر یلوستون ادامه می‌دهند. تسخمسترنکو می گوید: «همبستگی بالایی بین این رویدادها، تغییرات آب و هوایی و انقراض های دسته جمعی در چند صد میلیون سال گذشته وجود دارد.
با این حال، ماهیت حباب‌های گوشته یک راز دائمی است، زیرا عمدتاً به این دلیل است که امواج لرزه‌ای که توسط تسخمسترنکو و همکارانش مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، ساختار درونی سیاره ما را تنها به‌طور غیرمستقیم نشان می‌دهند. امواج بسته به دما و ترکیب ماده ای که از آن عبور می کنند سریعتر یا کندتر حرکت می کنند. سپس امواج را می توان با ابزارهایی که حرکت زمین را در سطح اندازه گیری می کنند، شناسایی کرد و برای تفسیر ساختارهایی که امواج از آن عبور می کنند، تجزیه و تحلیل کرد.
متأسفانه، این رویکرد نمی تواند به راحتی مواد گرم و متراکم را از چیزهای خنک تر و سبک تر تشخیص دهد. که جای زیادی برای تفسیر باقی می گذارد.
سانه کوتار، ژئوفیزیکدان دانشگاه کمبریج که نقشه‌برداری وسیعی از حباب‌ها انجام داده است، فکر می‌کند که آنها توده‌هایی از سنگ‌های با چگالی بالا هستند که در اوایل تاریخ زمین به ته گوشته فرو رفته‌اند. آنها در بالای هسته داغتر می نشینند و بنابراین با گذشت زمان گرم می شوند. سپس گرما باعث می شود که چگالی آنها کمتر شود.
حباب ها مانند یک درب قابلمه عمل می کنند تا زمانی که گرمای اجاق گاز باعث می شود آنچه در داخل است بجوشد و بیرون بریزد، گاهی اوقات به طور فاجعه بار.
زندگی در یک سیاره پیازی
این نتیجه گیری با دیدگاه نوظهور رومانوویچ از زمین درونی به عنوان مجموعه ای از لایه های پیاز مانند روی هم تداخل دارد. دانشمندان قبلاً گوشته را به عنوان یک واحد تصور می کردند که به آرامی تحت تأثیر گرمای هسته در حال چرخش است. آنها به این نتیجه رسیدند که یک گردش منظم و بالا و پایین به پوسته کشیده می شود، قاره ها را حرکت می دهد و اقیانوس ها را تغییر می دهد.
رومانوویچ می‌گوید: «در جامعه بیشتر و بیشتر درک می‌شود که کار به همین سادگی نیست. در عوض، به نظر می رسد هر لایه از پیاز تاریخ و تکامل خاص خود را دارد. انتقال 410 مایلی با تغییر ناگهانی در ساختار سنگ های گوشته همراه است. در منطقه 600 مایلی مطالعه شده توسط رومانوویچ، به نظر می رسد که ستون های گوشته در حال افزایش خم می شوند و منحرف می شوند، گویی به دیوار برخورد می کنند: “این یکی هنوز درک نشده است.”
لایه های زیر نیز پیچیدگی دیوانه کننده ای را نشان می دهند. هسته بیرونی یک آلیاژ آهن مذاب است که به آسانی مانند آب در اقیانوس جریان دارد. کوتار می‌گوید: «همچنین با سرعت‌هایی مشابه اقیانوس گردش می‌کند و بسیار متلاطم است».
این تلاطم بسیار مهم است، زیرا میدان مغناطیسی قنداق سیاره ای را ایجاد می کند که از زمین در برابر طوفان های خورشیدی و تشعشعات کیهانی محافظت می کند، کمتر خوشایند است و می تواند باعث سکسکه ناگهانی در میدان، یا حتی برگشت کامل شود.
در مرکز زمین، هسته داخلی، یک توپ آهنی به عرض 760 مایل قرار دارد. مطالعات لرزه نگاری نشان می دهد که از بلورهای آهن تشکیل شده است که با فشار بسیار زیاد جامد نگه داشته می شوند، حتی اگر گرمتر از سطح خورشید باشد. این جوانترین ساختار اصلی در داخل سیاره است که کمتر از یک میلیارد سال پیش شروع به یخ زدن از قسمت مایع هسته کرده است. علاوه بر عجیب بودن، هسته داخلی کمی سریعتر از بقیه سیاره می چرخد.
رومانوویچ می گوید: «سوالات بسیاری درباره ساختار هسته درونی باقی مانده است.»
بازگشت به آغاز زمین
هدف نهایی این است که تمام لایه‌های پیاز زمین را به نحوه شکل‌گیری سیاره ما متصل کنیم، که به نوبه خود به توضیح چگونگی تبدیل شدن آن به دنیای دوست‌دار زندگی امروز کمک می‌کند. دیوید جی استیونسون، دانشمند سیاره‌شناسی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا، داستان را به لحظه‌ای 4.5 میلیارد سال پیش برمی‌گرداند که زمین توسط یک جسم سیاره‌ای به اندازه مریخ برخورد کرد.
گمان می‌رود که زباله‌هایی که در اثر آن برخورد به زمین پرتاب شدند، ماه را ساختند، اما سیاره ما را نیز بازسازی کردند.
این برخورد غول پیکر ممکن است بخشی از اعماق زمین را ذوب یا تکان داده باشد. استیونسون می‌گوید، جداسازی مایع از جامد، و مواد هسته از مواد گوشته، حالتی را ایجاد می‌کند که به آنچه می‌بینیم تبدیل شده است. هسته، حباب های گوشته و لایه بندی ممکن است همه از آن حالت اولیه ناشی شوند.
رومانوویچ می‌خواهد با ساختن آرایه اقیانوس آرام، شبکه‌ای از آشکارسازهای حرکتی مبتنی بر اقیانوس که راه جدیدی برای تماشای امواج لرزه‌ای که از درون زمین عبور می‌کنند، بیشتر از تاریخ درونی سیاره ما کاوش کند. او می گوید: «این چیزی است که برخی از ما 30 سال است که روی آن کار می کنیم. “ما به آن نیاز داریم تا گوشته پایینی را روشن کنیم.”
برای استیونسون، آرزوی نهایی این است که به سبک ژول ورن به سمت پایین کاوش کند. در یک نقطه، او حتی ایده ساخت کاوشگری را مطرح کرد که بتواند تمام مسیر را تا هسته طی کند. او می‌گوید: «این یک ایده ساده بود، اما مطمئناً خوب است که چیزی برای نمونه‌برداری درست از منتل داشته باشیم. من با این دیدگاه موافقم که تا زمانی که به آنجا نروید، جایی را نمی شناسید، البته اگر یک ربات باشید.»