ساختار درونی زمین چیست؟ – ویژگی های لایه های تشکیل دهنده آن

سه بخش اصلی تشکیل دهنده ساختار درونی زمین شامل پوسته، گوشته و هسته است. همه این بخش ها دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مخصوص به خود هستند. تشکیل این بخش ها و لایه های کره زمین در نتیجه اختلافی که بین وزن و چگالی مواد تشکیل دهنده زمین وجود دارد، به وجود می آید. دما و فشار در داخل زمین با افزایش عمق آن، زیاد می شود. درباره ساختار درونی زمین در کتاب علوم پایه ششم توضیحاتی داده شده است. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با ساختمان درونی زمین و لایه های تشکیل دهنده آن آشنا می کند.

زمین

جابجایی هایی که در لایه ها و صفحات پوسته زمین اتفاق می افتد و همچنین انفجار مواد مذاب آتشفشان ها، عواملی هستند که شکل سطحی و درونی ساختمان کره زمین را به وجود آوردند. زمین از پنج قاره تشکیل شده است که روی ۱۲ صفحه قرار دارند. حرکت و جابجایی این صفحات روی مواد نیمه مذاب انجام می شود. سیاره زمین به دلیل این که در سطح خود دارای آب بوده و جوی مناسب را دارد و همچنین در فاصله ای مطمئن از خورشید قرار دارد، به سیاره ای امن برای زندگی انسان ها تبدیل شده است. زندگی و حیات برای اولین بار در حدود ۳,۸ میلیارد سال پیش بوده و اولین دایناسورها، در حدود ۱۵۰ میلیون سال قبل در این سیاره، حیات خود را آغاز کردند.

ساختار درونی زمین

با پیشرفت علم ژئوفیزیک اطلاعات ارزشمندی درباره ساختار درونی زمین به دست آمده است. از میان آن ها، مهمترین علم، لرزه نگاری مهمترین آن هاست. اندازه گیری موج های صوتی و تغییر سرعت این موج های صوتی در لایه های زمین، که از زلزله ها حاصل می شود، توسط علم لرزه نگاری انجام می شود. با این علم می توان چگالی لایه ها را تعیین کرد. از میان امواجی که توسط زلزله ایجاد می شود دو نوع که از داخل زمین عبور می کنند و دارای سرعت های متفاوتی، حتی در محیط های یکسان هستند، حائز اهمیت هستند.

یکی از این موج ها به نام امواج اولیه یا امواج S و در جهت انتشار موج هستند و دیگری به نام امواج ثانویه یا امواج P بوده و در جهت عمود بر جهت انتشار موج منتقل می شوند. بر اساس این علوم و اطلاعات می توان ساختمان درونی زمین را به سه لایه پوسته، گوشته و هسته تقسیم بندی کرد. شکل لایه ها نیز با تعیین میزان میدان مغناطیسی، نیروی گرانشی زمین و آزمایش جامداتی که در اعماق زمین وجود دارد، مشخص می شود.

تقسیم بندی های مختلف ساختار درونی زمین

می توان ساختمان داخلی زمین را به دو صورت مکانیکی و شیمیایی تقسیم بندی کرد. در تقسیم بندی مکانیکی، لایه های زمین شامل سنگ کره، سست کره، گوشته مزوسفری، هسته بیرونی و هسته داخلی خواهد بود. در تقسیم بندی شیمیایی، لایه های زمین شامل پوسته، گوشته و هسته (هسته بیرونی و داخلی) خواهد بود.

خواص فیزیکی لایه های زمین

چون لایه های مختلف زمین دارای عناصر مختلف هستند و در اعماق آن، دما و فشار تغییرات زیادی دارند، پس خواص متفاوتی خواهند داشت. سطح و پوسته زمین متشکل از آلیاژهای نیکل، آهن و سیلیکات های سرد و جامد است. گوشته دارای سیلیکات بوده و دارای خاصیت الاستیک  است. در برخی از جاها گوشته جامد و در برخی دیگر به شکل مذاب است. ویسکوزیته گوشته پایینی کمتر است چون این لایه متحمل فشار زیادی است. هسته بیرونی به دلیل دمای بالا به شکل مایع و از جنس آهن و نیکل است، اما هسته داخلی به شکل جامد است.

لایه های شیمیایی ساختار درونی زمین

پوسته

بیرونی ترین لایه تشکیل دهنده زمین، پوسته است که به عنوان لایه سطحی آن محسوب می شود. برای اولین بار ضخامت پوسته توسط آندریا موهوروویچیچ کرواتی اندازه گیری شد. مرز بین پوسته و گوشته در این زمان بود که با نشان دادن زیاد شدن ناگهانی سرعت موج در زیر سنگ های کم عمق، مشخص شد. این مرز که موهو خوانده می شود دارای خواص متغیری است. ساختار موهو به شکل لایه لایه بوده و افزایش فشار و دما در این ناحیه کم است. سیلیس، اکسیژن و آلومینیوم مواد اصلی تشکیل دهنده پوسته زمین هستند.

بعدها با اندازه گیری ضخامت پوسته مشخص شد که در زیر قاره ها بین ۲۵ تا ۷۰ کیلومتر و در زیر اقیانوس ها این ضخامت بین ۴ الی ۱۵ کیلومتر است. بر این اساس دو نوع پوسته قاره ای و اقیانوسی وجود دارد.

در پوسته قاره ای انواع مختلفی از سنگ ها وجود دارد اما در پوسته اقیانوسی، بیشتر سنگ های آذرین بازالت دیده می شود و دارای چگالی بالایی است. سنگ های گرانیتی، سنگ هایی هستند که بخش بالای پوسته قاره ای را تشکیل می دهد. از سطح زمین به تدریج به اعماق که می رویم فشار به اندازه ۳۰ مگاپاسکال و دما به اندازه ی ۲۵ درجه سانتی گراد، به ازای هر یک کیلومتر زیاد می شود.

گوشته

بین پوسته و هسته را لایه میانی به نام گوشته تشکیل می دهد که با مطالعات لرزه نگاری، سه بخش جدا در آن مشخص شده است. یک بخش که در عمق ۶۶۰ کیلومتری است، به نام منطقه انتقالی بوده و در زیر منطقه کم سرعت قرار دارد. بالاترین بخش گوشته در عمق بین ۶۰ تا ۲۰۰ کیلومتری زمین بوده و منطقه کم سرعت است. در بخش های غیرفعال ضخامت این ناحیه که تحت تاثیر محیط تکتونیکی است، کم است. تا جایی که ضخامت آن در پایین پوسته اقیانوسی، صفر است و بر این اساس این بخش روی منطقه کم سرعت است.

بخش کم سرعت همان طور که اشاره شد، در پشته های میان اقیانوسی، کم و در مناطق قاره ای بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ کیلومتر است. پس قسمت های زیر موهو، منطقه کم سرعت و منطقه انتقالی جزء گوشته بالایی است و در کل دارای ضخامت ۷۱۰ کیلومتری است. بعد از گوشته فوقانی، گوشته پایینی قرار دارد که امتداد آن تا عمق ۲۸۹۰ کیلومتر است. ساختار کانی های همگن تشکیل دهنده گوشته پایینی، پروفسکیتی بوده و آخرین بخش آن ناپیوستگی گوتنبرگ است. از واکنش سیلیکات های گوشته با آهن هسته بیرونی، آلیاژهای فلزی و سیلیکات های غیرفلزی به وجود می آید. دما در گوشته بالایی بین ۵۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی گراد است.

نکته

در عمق ۲۰۰ تا ۷۰۰ کیلومتری از عمق زمین و در لایه گوشته، الماس های نادر به وجود می آید که آتشفشان ها علت پرتاب آن ها به سطح زمین هستند. قسمت سخت گوشته، بخش خارجی آن است که همانند پوسته است.

هسته

اولین بار هسته زمین در سال ۱۹۰۶ توسط اولدهام کشف شد. این بخش که به عنوان داخلی ترین بخش کره زمین محسوب می شود، به دو بخش هسته بیرونی (مایع) و هسته داخلی (جامد) تقسیم می شود. گوتنبرگ کسی بود که توانست شروع هسته را در عمق ۲۹۰۰ کیلومتری به دست آورد. این برآورد عمق در سال ۱۹۱۲ به دست آمد که بعد از آن و در عمق ۱۹۲۶، جفریز کسی بود که با علم لرزه نگاری و عبور امواج S از هسته، توانست مایع بودن آن را ثابت کند.

در کل بیش از ۳۰ درصد از جرم زمین را هسته آن تشکیل می دهد که تا حد نصف شعاع زمین را در بر می گیرد. مواد تشکیل دهنده هسته، آهن، نیکل و اکسیژن است.

هسته داخلی

مواد اصلی تشکیل دهنده هسته داخلی که در عمق ۵۱۸۰ تا ۶۴۰۰ کیلومتری از عمق زمین است، آهن و نیکل است. هسته درونی دمای بالایی دارد به حدی که حرارتی به اندازه سطح خورشید دارد. این هسته نسبت به بقیه قسمت های زمین، با سرعت بیشتری در چرخش است و فشاری که متحمل می شود، به اندازه ی ۳ میلیون بار بیشتر از سطح زمین است.

هسته خارجی

مواد اصلی تشکیل دهنده هسته بیرونی، آهن و نیکلی است که به شکل مایع هستند. عناصری مانند اورانیوم و توریم هستند که گرم شدن مواد هسته بیرونی را سبب می شوند. عمق هسته بیرونی در ۲۸۸۰ تا ۵۱۸۰ کیلومتری از سطح زمین است. چرخش هسته بیرونی در جریان های بزرگ زمین اتفاق افتاده و جریان الکتریکی ایجاد می شود. یکی از اثرات مهم هسته بیرونی، تولید میدان مغناطیسی زمین است که هر سیصد سال یکبار جهت میدان مغناطیسی زمین برعکس می شود.

لایه های فیزیکی ساختار درونی زمین

ساختار درونی زمین دارای ۵ لایه فیزیکی است که به نام های لیتوسفر، استنوسفر، مزوسفر، هسته داخلی و هسته بیرونی هستند. سه لایه اول، بخش های تشکیل دهنده گوشته هستند در صورتی که هسته داخلی و هسته بیرونی همان هسته مورد مطالعه در لایه های شیمیایی زمین هستند.

لیتوسفر

به بخش خارجی گوشته و همچنین پوسته، لایه لیتوسفر گفته می شود. لیتوسفر خارجی ترین بخش فیزیکی کره زمین که مانند تقسیم بندی پوسته زمین، به دو بخش قاره ای و اقیانوسی تقسیم می شود. بخش قاره ای این لایه نیمه جامد و ضخیم، اما بخش اقیانوسی آن سخت و نازک است. لیتوسفر از چندین لایه صفحه ای تشکیل شده و ساختار پیوسته ای ندارد. زلزله و آتشفشان ها نتیجه حرکت و جابجایی صفحات و نزدیکی مرز صفحات در این لایه است. این لایه سرد و سخت، به دلیل این ویژگی با وجود مختلف بودن مواد شیمیایی آن، رفتار یکسانی دارد. ضخامت این لایه تا ۱۰۰ کیلومتر و گاهی تا ۲۵۰ کیلومتر می رسد.

استنوسفر

لایه ای نرم و ضعیف که به دلیل بالا بودن دما و فشار، قسمتی از آن به شکل ذوب شده است، به نام استنوسفر است. لایه استنوسفر که در بخش پایین لایه لیتوسفر است، با حرکت و جابجایی لیتوسفر، حرکت می کند. حرکت این لایه که تحت تاثیر دما و حرارت است، در اعماق اقیانوس ها و پایین کوه ها است.

مزوسفر

لایه ای سخت که در پایین بخش ضعیف استنوسفر وجود دارد و فشار بالایی که در این ناحیه است، دمای بالا را بی تاثیر می کند، به نام مزوسفر است. در این ناحیه به تدریج با رفتن به اعماق، سنگ ها مقاوم تر می شوند. اما با این که این سنگ ها مقاوت بالایی دارند، ولی به دلیل گرم بودن می توانند جریان داشته باشند. لایه مزوسفر لایه ای بی حرکت است که همین خصوصیت می تواند مانعی باشد تا حرکت صفحات زمین و به وجود آمدن زلزله را دچار اختلال کند. بخش مزوسفر گرم بوده و ترکیب و ساختار یکنواختی تا هسته دارد.

لایه های زمین را نام ببرید

آنچه در سطح زمین اتفاق می افتد مستقیماً با درون آن ارتباط دارد. حدود ۴.۶ میلیارد سال پیش، زمین از ابر داغ غباری که به دور خورشید فروزان می چرخید، شکل گرفت. با سرد شدن سیاره، عناصر متراکم در هسته سیاره متمرکز شدند، در حالی که عناصر سبکتر گوشته را تشکیل دادند. یک پوسته نازک و سفت و سخت در سطح ایجاد شد.

هسته داخلی: درونی ترین قسمت زمین هسته است و حدود ۱۵۰۰ مایل (۲۴۱۴ کیلومتر) ضخامت دارد. هر دو هسته داخلی و خارجی عمدتا از آهن و نیکل تشکیل شده است. آنها بسیار گرم هستند و دمای آنها از ۷۲۰۰ تا ۹۰۰۰ درجه سانتیگراد (۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد) متغیر است. هسته داخلی تحت فشار شدید است که علیرغم دماهای بالا آن را جامد نگه می دارد.

هسته بیرونی: هسته خارجی که مایع است حدود ۱۳۰۰ مایل (۲۰۹۲ کیلومتر) ضخامت دارد. هر دو هسته داخلی و خارجی عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده‌اند و با دمایی بین ۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد بسیار گرم هستند.

گوشته: بیشتر حجم زمین در گوشته است. این لایه حدود ۱۸۰۰ مایل (۲۸۸۰ کیلومتر) ضخامت دارد. این سنگ از سنگ های تیره و متراکم شبیه به بازالت اقیانوسی تشکیل شده است. هر چه به عمق زمین بروید، گرمتر می شود. ماده گوشته در نزدیکی پوسته بیرونی سرد حدود ۷۰۰ درجه سانتیگراد است در حالی که سنگ نزدیک هسته زمین تا حدود ۴۰۰۰ درجه سانتیگراد گرم می شود.

پوسته: دو نوع پوسته خارجی ترین لایه زمین را تشکیل می دهند: قاره ای و اقیانوسی. پوسته قاره ای از سنگ های غنی از سیلیس تشکیل شده است و ضخامت آن به طور متوسط ​​۴۴ مایل (۷۰ کیلومتر) است. پوسته اقیانوسی از سنگ های تیره و فقیر از سیلیس مانند بازالت ساخته شده است. نازک تر و انعطاف پذیرتر از قاره ها است و ضخامت آن تنها حدود ۵ کیلومتر است.