یک شبانه‌روز دقیقا ۲۴ ساعت نیست؛ هسته زمین ممکن است دلیل آن باشد

طول شبانه‌روز زمین دقیقاً ۲۴ ساعت نیست و نوسان هسته درونی سیاره می‌تواند یکی از دلایل آن باشد.

هسته درونی زمین در بازه‌ای حدود ۷۰ سال، نزدیک به ۲.۳۵ درجه به جلو و عقب نوسان می‌کند و کشش گرانشی آن می‌تواند طول شبانه‌روز را در حد چند میلی‌ثانیه تغییر دهد.

ساعت‌ها هر شبانه‌روز را ۸۶ هزار و ۴۰۰ ثانیه محاسبه می‌کنند، اما چرخش واقعی زمین دقیقاً از این برنامه پیروی نمی‌کند. طی حدود شش دهه گذشته، طول یک شبانه‌روز چند میلی‌ثانیه تغییر کرده و گاهی اندکی طولانی‌تر و گاهی کوتاه‌تر شده است.

یک پژوهش جدید نشان می‌دهد بخشی از این تغییرات ممکن است در عمق بیش از ۴ هزار و ۸۰۰ کیلومتری زیر پای ما سرچشمه بگیرد. به نظر می‌رسد هسته جامد درونی زمین به جلو و عقب حرکت نوسانی دارد و گرانش آن با کشیدن گوشته سنگی بالای خود، سرعت چرخش سیاره را اندکی تغییر می‌دهد.

این پژوهش را هویفنگ ژانگ، دانشجوی دکترای فیزیک دانشگاه آلبرتا، به همراه ماتیو دامبری، استاد فیزیک همین دانشگاه، هدایت کرده‌اند.

دلایل تغییر طول شبانه‌روز

جزر و مد باعث تغییرات جزئی از یک روز تا روز دیگر می‌شود و وزش باد نیز با تغییر فصل‌ها روی طول شبانه‌روز اثر می‌گذارد.

در مقیاس میلیون‌ها سال، اصطکاک ناشی از جزر و مد ماه به‌تدریج باعث طولانی‌تر شدن شبانه‌روز شده است.

همچنین نوعی نوسان آهسته‌تر در زمان چرخش زمین وجود دارد. طی دوره‌هایی بین ۱۰ تا ۷۰ سال، طول شبانه‌روز چند میلی‌ثانیه تغییر می‌کند.

دانشمندان بیش از ۳۰ سال است که می‌دانند این تغییرات چنددهه‌ای از درون زمین سرچشمه می‌گیرند. علت اصلی، جابه‌جایی تکانه چرخشی میان هسته مایع و گوشته است؛ گوشته لایه‌ای از سنگ داغ با ضخامت نزدیک به ۲ هزار و ۹۰۰ کیلومتر محسوب می‌شود که میان پوسته و هسته قرار دارد.

هرگاه هسته سرعت بیشتری پیدا کند، گوشته اندکی کندتر می‌چرخد و برعکس. با این حال، مشخص نبود چه نیرویی امکان انتقال این اثر میان دو بخش را فراهم می‌کند.

سه نیروی احتمالی

دانشمندان سه گزینه اصلی را بررسی کردند. نخست، نیروهای مغناطیسی در مرز میان هسته و گوشته می‌توانند چنین اثری ایجاد کنند.

گزینه دوم فشار آهن مایع در حال حرکت بود که هنگام برخورد با ناهمواری‌های مرز میان هسته و گوشته اعمال می‌شود. دانشمندان این نیروها را نیروهای توپوگرافی می‌نامند.

گزینه سوم، نیروی گرانشی هسته جامد درونی بود. هسته درونی شکلی کاملاً کروی ندارد و برآمدگی‌های کوچکی روی آن وجود دارد که معمولاً با نواحی دارای توزیع جرم متفاوت در گوشته هم‌راستا می‌شوند.

ژانگ و دامبری هر سه فرضیه را با تغییرات اندازه‌گیری‌شده طول شبانه‌روز از سال ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹ مقایسه کردند.

هسته درونی مانند آونگ نوسان می‌کند

برای بررسی حرکت هسته درونی، پژوهشگران از بازسازی مبتنی بر امواج لرزه‌ای استفاده کردند که در سال ۲۰۲۳ توسط یی یانگ و شیائودونگ سونگ از دانشگاه پکن منتشر شده بود.

بر اساس این بازسازی، هسته درونی نسبت به گوشته حدود ۲.۳۵ درجه در یک جهت و سپس در جهت مخالف می‌چرخد. یانگ و سونگ اعلام کرده بودند که حرکت چرخشی هسته درونی حدود سال ۲۰۰۹ تقریباً متوقف شد و پس از آن در جهت مخالف تغییر مسیر داد.

یی یانگ و شیائودونگ سونگ در آن زمان به خبرگزاری فرانسه گفتند

ما معتقدیم هسته درونی نسبت به سطح زمین به صورت رفت‌وبرگشتی و شبیه یک تاب حرکت می‌کند. یک چرخه کامل این نوسان حدود هفت دهه طول می‌کشد.

وب‌سایت ارث‌دات‌کام نیز پیش‌تر درباره شواهدی گزارش داده بود که نشان می‌داد چرخش هسته درونی نسبت به سطح زمین حرکت معکوس خود را آغاز کرده است.

هنگامی که هسته درونی از وضعیت هم‌راستایی خارج می‌شود، برآمدگی‌های آن جرم موجود در گوشته را به سمت خود می‌کشند. پژوهشگران این اثر را گشتاور گرانشی می‌نامند.

گرانش با داده‌های ثبت‌شده مطابقت داشت

مدل‌های مربوط به نیروهای مغناطیسی و توپوگرافی، تغییراتی در طول شبانه‌روز را پیش‌بینی کردند که در بیشتر موارد برخلاف تغییرات ثبت‌شده قرار داشتند.

در مقابل، گشتاور گرانشی هم از نظر اندازه و هم از نظر زمان‌بندی با تغییرات مشاهده‌شده طی چند دهه هماهنگ بود. بر اساس مدل پژوهشگران، هسته درونی عامل اصلی نوسان‌های طولانی‌مدت طول شبانه‌روز محسوب می‌شود و نیروهای موجود در مرز هسته و گوشته در برابر آن واکنش نشان می‌دهند.

نویسندگان پژوهش نوشتند

سهولت نسبی توضیح تغییرات چنددهه‌ای طول شبانه‌روز با استفاده از گشتاور گرانشی نشان می‌دهد که این نیرو احتمالاً عامل اصلی این تغییرات در بازه زمانی ۱۹۶۴ تا ۲۰۱۹ بوده است.

اصطلاح ΔLOD نیز برای اشاره به تغییرات طول شبانه‌روز به کار می‌رود.

این مدل تنها زمانی با داده‌ها مطابقت داشت که شکل هسته درونی به‌آرامی تغییر کند. برآمدگی‌های سطح هسته باید طی حدود ۱۰ سال آرام‌آرام تغییر شکل دهند؛ موضوعی که نشان می‌دهد هسته درونی بیشتر از آنکه مانند یک توپ آهنی کاملاً سخت رفتار کند، شبیه ماده‌ای است که به‌تدریج جریان پیدا می‌کند.

برآمدگی‌های کوچک با اثرگذاری گسترده

برآمدگی‌هایی که در این پژوهش بررسی شدند، در مقیاس سیاره‌ای بسیار کوچک هستند. ارتفاع اختلاف میان قله و فرورفتگی آنها تنها حدود ۱۱ تا ۲۹ متر برآورد شده است. چرخش همین برآمدگی‌ها به اندازه حدود یک درجه برای ایجاد گشتاور مورد نیاز مدل کافی به نظر می‌رسد.

نتایج پژوهش همچنین سرنخ‌هایی درباره بخش پایینی گوشته ارائه می‌دهد. یافته‌ها با وجود توده‌هایی از سنگ گرم و دارای ترکیب شیمیایی متفاوت در این ناحیه سازگار هستند؛ توده‌هایی که چگالی کلی آنها تقریباً به اندازه سنگ‌های اطرافشان است. همچنین اگر نیروهای مغناطیسی بخش بزرگی از نیروی بازدارنده را ایجاد کنند، ممکن است لایه‌ای نازک از ماده غنی از آهن و رسانای الکتریکی، با ضخامت حدود ۲ کیلومتر، درست بالای هسته وجود داشته باشد.

به طور میانگین، هسته درونی نسبت به گوشته سالانه حدود ۰.۱۲ درجه به سمت شرق حرکت می‌کند. اگر این سرعت طی ۹ هزار سال ثابت مانده باشد، مجموع این حرکت تقریباً معادل سه دور کامل خواهد بود.

پژوهش‌های دیگری نیز احتمال داده‌اند که شکل هسته درونی در حال تغییر باشد و ساختار آن مانند لایه‌های یک پیاز شکل گرفته باشد.

مشاهده مستقیم هسته همچنان دشوار است

نتایج جدید بر مدل‌هایی درباره چرخش هسته درونی و نحوه جریان آهن در هسته بیرونی تکیه دارند. نویسندگان پژوهش توضیح داده‌اند که با تغییر مدل‌های مربوط به جریان مواد، بهترین برآوردهای آنها ممکن است تا ۳۰ درصد تفاوت داشته باشد.

اندازه‌گیری‌های مربوط به هسته درونی از زمان انتشار این یافته‌ها با بحث و اختلاف نظر علمی همراه بوده است. جان ویدیل، زلزله‌شناس دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، در سال ۲۰۲۳ به خبرگزاری فرانسه گفت

این پژوهشی بسیار دقیق از سوی دانشمندانی برجسته است که داده‌های فراوانی را در آن به کار گرفته‌اند.

ویدیل همچنین افزود

از نظر من هیچ‌یک از مدل‌ها نمی‌توانند همه داده‌ها را به شکل بسیار خوبی توضیح دهند.

هروویه تکالچیچ، ژئوفیزیک‌دان دانشگاه ملی استرالیا، نیز انتظار داشت جامعه ژئوفیزیک درباره این یافته اختلاف نظر داشته باشد. او گفت

جامعه ژئوفیزیک درباره این یافته دچار اختلاف نظر خواهد شد.

تکالچیچ همچنین تأکید کرد

تصویر ما از بخش‌های درونی زمین هنوز مبهم است.

این پژوهش تنها تغییرات کلی طی یک دوره ۶۰ تا ۷۰ ساله را بررسی می‌کند. به نظر می‌رسد نوسان‌های سریع‌تر در بازه‌های ۱۰ تا ۳۰ ساله بیشتر تحت تأثیر نیروهایی قرار دارند که در مرز هسته و گوشته ایجاد می‌شوند.

هنوز مشخص نیست چرخه ۷۰ ساله در بازه‌های زمانی طولانی‌تر نیز به همین شکل تکرار می‌شود یا خیر.

میلی‌ثانیه‌ها هم اهمیت دارند

تغییر چند میلی‌ثانیه‌ای باعث نمی‌شود کسی برای رسیدن به محل کار دیر کند، اما همین تغییرات نشان می‌دهند چرخش زمین در مقایسه با ساعت‌های اتمی که زمان رسمی را تنظیم می‌کنند، ثبات بسیار کمتری دارد.

جان ویدیل در سال ۲۰۲۳ گفت

اتفاقی در حال رخ دادن است و فکر می‌کنم سرانجام دلیل آن را کشف خواهیم کرد.

تلاش‌های قبلی برای پیش‌بینی این تغییرات بر اساس مدل نیروهای درگیر، با داده‌های ثبت‌شده همخوانی نداشتند. نویسندگان پژوهش تازه نوشته‌اند که یافته‌های آنها به شکل‌گیری تصویری روشن‌تر از مناطق عمیق و ناشناخته سیاره کمک می‌کند.

این پژوهش در مجله نیچر منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.