حين يأتي الحديث عن طبقات الأرض، أريدك أن تتخيل معي أنك ممسك بالأرض بين يديك كما لو تمسك بثمرة تفاح على سبيل المثال، ثم قمت بقطعها إلى نصفين، عندها ستلاحظ أنها تتكون من عدة طبقات.
هذا ما توَّصلت إليه الدراسات، لكن لا يزال هناك جزء غامض، بالأخص ذلك الجزء الداخلي الذي يشبه الألغاز بالنسبة للعلماء، حتى بعد إطلاق الأقمار الصناعية لكي تكشف العوالم المجهولة، لا زالت توجد بعض العوائق التي تقع خارج حدودنا.
من خلال التقدم في علم الزلازل، قد سمح هذا لنا تعلم الكثير حول الأرض وطبقاتها، حيث أن لكل طبقة خصائصها من حيث التركيب، وخصائص تؤثر على العديد من العمليات الرئيسية لكوكبنا.
طبقات الأرض تُقسم من الخارج إلى الداخل كالتالي؛ قشرة، وشاح، نواة خارجية، نواة داخلية.
تاريخ الدراسات على طبقات الأرض:
إن كوكب الأرض مثله كمثل باقي الكواكب، يتميز الجزء الداخلي ببنيته الداخلية، وهي عبارة عن طبقات مرتبة تشبه قشرة البصل، عند إزالة واحدة منها نجد أخرى تليها، يتميز كوكب الأرض عن باقي الكواكب من حيث الخصائص الكيميائية والجيولوجية، بجانب اختلافات في درجات الحرارة، والضغط أيضًا، والعديد من العوامل الأخرى.
اعتمد الفهم الحديث والعلمي للبنية التحتية للأرض على الاستنتاجات التي تم إجراؤها بواسطة المراقبة الزلزالية، التي تتضمن قياس الموجات الصوتية الناتجة عن الزلازل وكيف تبطء سرعة الزلزال عند مروره خلال طبقات الأرض المختلفة، بجانب التغيرات في سرعة الزلزال بسبب الانكسار الذي يتم حسابه وفقًا لقانون (سنيل)، حتى يتم تحديد الاختلافات في الكثافة.
بجانب مراقبة الزلازل، يتم قياس مجالات الجاذبية والمغناطيسية للأرض، كما يتم إجراء عدة تجارب للمواد الصلبة البللورية عند الضغط ودرجات الحرارة المميزة بداخل الجزء العميق للأرض؛ حتى يتم تحديد شكل طبقات الأرض، ويرجع الاختلاف في درجات الحرارة والضغط إلى الحرارة المتبقية من التكوين الأولي للكواكب، بالإضافة إلى انحلال العناصر المشعة، وتتجمد النواة الداخلية نتيجة للضغط الشديد.
يسعى البشر إلى فهم تكوين الأرض منذ العصور القديمة، وكانت تُبنى الحالات القديمة على أساس غير علمي، مثل الأساطير والخرافات الدينية التي تنطوي على الآلهة، وعلى الرغم من ذلك، في الفترة ما بين العصور القديمة الكلاسيكية، والعصور الوسطى، ظهرت العديد من النظريات حول أصل الأرض وتركيبها الصحيح.
كانت معظم النظريات القديمة ترى أن الأرض مسطحة، وكان ذلك الرأي ينتشر في بلاد ما بين النهرين، حيث تصوروا أن الأرض عبارة عن قرص مسطح يطفو، وكان هنالك قبيلة تُدعى “المايا”، اعتبرت أن العالم مسطح، ويوجد به زوايا تحمل أربعة أرقام، تُعرف بـ “bacabs”، ومحاطة بسماء كروية. بينما افترض الفُرس القدماء أن الأرض عبارة عن زقورة، وهي عبارة عن معابد تقع في بلاد ما بين النهرين كسوريا والعراق، أو كجبل كوني مكّون من سبع طبقات، بينما اعتبرها الصينيون أنها مكعب مكون من أربعة جوانب.
وفي بداية القرن السادس قبل الميلاد، بدأ اليونانيون الفلاسفة التكهن بأن الأرض أصلها مستدير، وفي القرن الثالث قبل الميلاد، تم تحول فكرة أن الأرض كروية إلى فكرة علمية، وبنفس الفترة، تم ظهور منظر جيولوجي للأرض، وفَهم الفلاسفة أنه يتكون من عدة معادن، وتعرض لعملية تغير بطيئة جدًا.
كان الفهم والتقدم العلمي لكوكب الأرض وهيكله متوقف خلال القرن السادس والسابع عشر، وبحلول عام 1692، اقترح العالم إدموند هالي نظرية الأرض المجوفة، عن طريق ورقة قدمت إلى المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية بلندن، وكانت فكرة النظرية أن الأرض عبارة عن قذيفة مجوفة يبلغ سمكها حوالي 800 كم.
من خلال تلك القذيفة المجوفة والمجال الداخلي، استنتج أن هناك فجوة هوائية على نفس المسافة، و حتى يتم تجنب الاصطدام، ادّعى أن المجال الداخلي مثبت بواسطة قوة الجاذبية، كما اشتمل نموذج كوكب الأرض على قذيفتين متحدتين داخليتين حول قلب داخلي، يقابله أقطار الكواكب الأخرى، كعطارد والمريخ والزهرة على التوالي.
خلال القرنين السابع والثامن عشر، ظهر عامل آخر حول صحة الكتاب المقدس وأسطورة الطوفان، مما دفع اللاهوتيين والعلماء إلى مناقشة العمر الحقيقي للأرض، والبحث عن أدلة من أجل التأكد من أن الفيضان العظيم قد حدث بالفعل، بجانب أداة أحفورية تم العثور عليها داخل طبقات الأرض, من خلالها بدأ ظهور أساس يبنى عليه تحديد طبقات الأرض وتاريخها.
في عام 1741م، تم إنشاء المتحف الوطني للتاريخ الطبيعي بفرنسا كأول منصب تدريس مخصص للجيولوجيا، تلك الخطوة كانت مهمة من أجل تعزيز المعرفة الجيولوجية كعلم، والاعتراف بقيمة نشرها على نطاق واسع، وبحلول عام 1751م، تزامنًا مع نشر موسوعة دينيس ديدرو أصبح مصطلح الجيولوجيا مقبولًا.
بدأت الكيمياء في عام 1770م لعب دور محوري في الأساس النظري للجيولوجيا، وتبعًا لذلك انتشرت نظريات حول كيفية تشكل طبقات الأرض، وكانت إحدى النظريات الشائعة في ذاك الوقت نظرية الفيضانات، التي أشارت إلى أن الفيضانات السائلة مثل الطوفان هي التي كانت مسؤولة عن إنشاء جميع طبقات الأرض.
وكان يوجد نظرية أخرى خلال القرن التاسع عشر بفترة الثمانينيات، كانت تشبه النظرية السابقة مع الاختلاف في أن الحرارة هي التي كونت الطبقات، وتم تسمية ذلك الرأي بالبلوتونية، التي وضحت أن الأرض تشكلت عن طريق تراكم الكتل المنصهرة فوق بعضها ببطء، ونتج من تلك النظريات أن الأرض كانت أقدم بكثير مما أقرّه الكتاب المقدس.
في بدايات القرن التاسع عشر، قامت صناعة التعدين والثروة الصناعية بتحفيز التطور السريع لمفهوم العمود الطبقي؛ وهو عبارة عن ترتيب للتكوينات الصخرية، وفقًا لوقت تكوينه، وبنفس الفترة بدأ الجيولوجيون يدركون طريقة تحديد عمر الحفرية جيولوجيًا، حيث كلما كانت الطبقة أعمق كانت هي الأقدم.
قدم التاريخ الإشعاعي المسؤل عن عمر المعادن والصخور ببداية القرن العشرين البيانات اللازمة للبدء في التعرف على العمر الحقيقي للأرض، وبنهاية القرن، توقع الجيولوجيون أن العمر الحقيقي للأرض 2 مليار سنة، وهذا فتح الأبواب لنظريات الحركة القارية بتلك الفترة.
وفي عام 1912م، اقترح فيجنر النظرية الشهيرة، تلك النظرية التي سبق لمعظمنا دراستها، والتي ذكرت أن القارات كانت مترابطة معًا في كتلة واحدة عرفت باسم “بنجايا”، وعن طريق تلك النظرية، وضحت أشكال القارات وجيولوجيا الخط الساحلي المطابق بين القارات وبعضها، التي ثبت أنها كانت مترابطة معًا في السابق.
وحينما تم بدء البحث في قاع المحيط، تم التوصل إلى نظرية الصفائح التكتونية التي شرحت آلية حدوث الانجراف القاري، وأشارت الأدلة الجيوفيزيائية إلى أن القشرة المحيطية أصغر من القشر القارية استنادًا إلى الحركة الجانبية للقارات، وهذه الأدلة حفزَّت فرضية نظرية المغناطيسية القديمة، وسُجل اتجاه المجال المغناطيسي للأرض، الذي تم تسجيله بالمعادلة المغناطيسية.
بعد ذلك، تم حدوث تطور في علم الزلازل، وتم البدء في دراسة ذلك العلم وانتشار الموجات المرنة عبر الأرض، أو خلال أجسام تشبه الكواكب، وفي بدايات القرن العشرين، عن طريق قياس وقت انتقال الموجات الزلزالية المنكسرة والمنعكسة، تم استدلال العلماء على كيفية وضع طبقات الأرض، وما يكمن في عمقها.
فيما يخص الزلازل بعام 1910م، تم طرح نظرية الارتداد المرن، التي ذكرت أن الزلزال يحدث عندما تنطلق الطاقة الكامنة على طول خط الصدع، وكانت تلك النظرية أول تفسير على سبب حدوث الزلازل، وترك الأساس للدراسات التكتونية الحديثة.
بناء على دراسة أجراها العالم هارولد جيفريز لموجات الزلازل، وضَّح فيها أن قلب الأرض سائل وهو يقع تحت القشرة، وفي عام 1937م سبقه بخطوة عالم دنماركي، وذكر أنه داخل اللب الخارجي السائل للأرض يوجد نواة داخلية صلبة.
طبقات الأرض:
تقسم الأرض بإحدى الطريقتين، إما كيميائيًا أو ميكانيكيًا أو بشكل إنسيابي، أي دراسة الحالات السائلة، وميكانيكيًا، أي غلاف صخري، وكرة أرضية، وغطاء غلاف متوسط، والنواة الخارجية، ونواة داخلية، وكيميائيًا وهو الأكثر شيوعًا من الميكانيكي والإنسيابي، وتقسم طبقات الأرض إلى قشرة، ووشاح (علوي وسفلي)، والنواة (داخلية وخارجية).
تكون النواة الداخلية صلبة والخارجية سائلة، وذلك بسبب أن نقاط الانصهار النسبية للطبقات المختلفة وهي (قلب النيكل ـ الحديد ـ قشرة سيليكات والوشاح)، بجانب ارتفاع درجة الحرارة والضغط مع زيادة العمق، حيث تكون سبائك النيكل والحديد والسليكات على السطح باردة بما يكفي، لذا؛ تكون صلبة، بينما في الوشاح العلوي تكون السليكات صلبة، ولكن توجد مناطق محلية الذوبان تؤدي إلى لزوجة محدودة.
من الناحية الأخرى، فإن الوشاح السفلي يقع تحت ضغط هائل ويملك لزوجة أقل من الوشاح العلوي، الجزء السائل هو النواة المعدنية للحديد والنيكل، نتيجة لارتفاع درجة الحرارة، وعلى الرغم من ذلك، فإن الضغط يزداد كلما اتجهنا نحو القلب، والذي يغير بشكل كبير نقطة انصهار الحديد والنيكل مما يجعله صلب.
تختلف الطبقات عن بعضها نتيجة للعمليات التي حدثت خلال المراحل الأولى من تكوين الأرض. كان من الممكن أن يتسبب الذوبان في غرق مواد أكثر كثافة نحو المركز، والمواد الأقل كثافة انتقلت إلى القشرة، لذا؛ يُعتقد أن اللُّب تكون إلى حد كبير من الحديد بجانب النيكل وبعض العناصر الأخف، وانتقلت العناصر الأقل كثافة إلى السطح مع السيليكا.
قشرة الأرض:
هي الطبقة الخارجية الصلبة للكوكب، والتي تُشكل 1% من حجم الأرض، بالرغم من أنها تشكل السطح بالكامل من قارات وقاع المحيطات، القشرة المحيطية تعبر عن الجزء الرقيق، والذي يقع تحت أحواض المحيطات بعمق من 5 : 10 كم، والجزء السميك هو القشرة القارية، والتي تُعد أقل كثافة، حيث أنها تتكون من صخور سليكيات الألومنيوم والبوتاسيوم والصوديوم، مثل صخر الجرانيت، على العكس القشرة المحيطية هي الأكثر كثافة، حيث تتكون من صخور نارية، مثل البازلت الذي يتكون من سليكيات الماغنيسيوم والحديد.
يوجد طبقة غير منتظمة الشكل، وهي التي يمثلها الجزء العلوي من الوشاح، والتي تتكون من القشرة والغلاف الصخري، تلك الصخور التي شكَّلت القشرة الأرضية تكونت منذ أقل من 100 مليون سنة، وعلى الرغم من ذلك، فإن أقدم الحبوب المعدنية يبلغ عمرها تقريبًا 4 مليار سنة، فهذا يشير إلى أن الأرض تملك قشرة صلبة منذ زمن بعيد.
الوشاح العلوي:
يُشكل حوالي 84% من حجم الأرض، وهو صلب، ولكن يتصرف تصرف الموائع، لأنه لزج. والوشاح العلوي يمتد من عمق 7 : 35 كم جهة القشرة، حتى 410 كم للقشرة المغطية للغلاف الصخري، وهو صلب نسبيًا في الأعلى، ولكن يبدأ في اللزوجة إلى أسفل.
عُرف الكثير عن الوشاح العلوي بفضل الدراسات الزلزالية، وعن طريق المقارنة بالطبقات الأخرى، ويعبر عن حركة الوشاح العلوي بواسطة حركة الصفائح التكتونية التي تندفع بالحرارة من العمق، وتعتبر هذه العملية هي المسؤلة عن الانجراف القاري والزلازل وتشكيل الجبال، بجانب عمليات جيولوجية أخرى.
المواد الذائبة المتبلورة التي توجد بالقرب من السطح تحتوي على نسبة أقل من الماغنيسيوم إلى الحديد، ونسبة أكبر من السليكون والألومنيوم، تلك التغيرات في نسب المعادن أثَّرت في علم المعادن من ناحية الحمل الحراري للوشاح، لأنها قد تسبب تغيرات في الكثافة، ويمكنها أن تمتص أو تطلق الحرارة الكامنة.
الوشاح السفلي:
يقع بين عمق 660 : 2891 كم، قد تصل درجة الحرارة فيه إلى أكثر من 4000 درجة مئوية عند القرب من القلب، وتتخطى بصورة كبيرة نقاط انصهار صخور الوشاح، بجانب ذلك، يسبب الضغط الهائل على صخور الوشاح تكون اللزوجة والانصهار محدودين للغاية مقارنة بالغطاء العلوي.
اللُّب الخارجي:
يشبه في مكوناته مكونات اللُّب الداخلي، ويبلغ سمك النواة الخارجية 2300 كم بنصف قطر 340 كم، تكون الكثافة فيه أعلى من الوشاح والقشرة، حيث تبلغ حوالي 12200 من 9900كجم \م3، يعتقد أنه يتكون من الحديد بنسبة 80% بجانب النيكل وبعض العناصر الخفيفة، تبلغ حرارته 6300 كلفن، وتبلغ حرارة الداخلي 4300، مما يجعلنا نلاحظ أن درجة حرارة اللب الخارجي مرتفعة، لذا؛ يتميز بلزوجة منخفضة، كما يخضع لتيارات الحمل، فتكون الحركة فيه أسرع من حركة الأرض حول نفسها، وتحدث به أيضًا التيارات الدوامية التي تسبب تأثير ديناميكي يؤثر على الحمل المغناطيسي للأرض.
النواة الخارجية تتكون من المعادن الثقيلة، مثل الرصاص، واليورانيوم التي تكون نادرة الوجود، بالإضافة إلى أنه يصعب اتحادها مع العناصر الخفيفة، لذا؛ تتواجد بالقشرة الأرضية، كما أن الضغط الذي يقع أسفل اللُّب الخارجي لا يكفي لجعله في حالة صلبة، لذا؛ يتواجد في صورة سائلة.
بينما النواة الداخلية تتكون من الحديد والنيكل، ويبلغ نصف قطرها حوالي 1220كم، وتتراوح كثافتها في القلب ما بين 12600 : 130000كجم| م3، هذا يشير إلى أنها تحتوي أيضًا على عناصر ثقيلة كالذهب، والبلاتين، والبلاديوم، والفضة، والتنجستين، وتبلغ حرارتها 5700 كلفن، تلك الحرارة المرتفعة تشير إلى أن درجة حرارة الانصهار تزيد عند الضغوط المرتفعة، تتراوح مابين 330 : 360 جيجا باسكال، لذا؛ تتواجد العناصر الثقيلة في صورة صلبة.
بسبب عدم اتصال النواة الداخلية بشكل مباشر بغطاء الأرض الصلب، اتضح أنه يمكن أن تكون سرعة دورانها أسرع أو أبطأ قليلًا من بقية أجزاء الأرض، قدّر العلماء أن القلب الداخلي يدور بمعدل أسرع بدرجة واحدة من السطح، من خلال مراقبة الموجات الزلزالية أثناء مرورها عبر القلب، كما أشارت الاكتشافات الحديثة إلى أن النواة الداخلية تتكون من طبقات مفصولة بواسطة منطقة انتقالية يبلغ سمكها 250 : 400كم.
دفعت الدراسات الحديثة الجيولوجيين إلى التخمين بأن ديناميكية المناطق الداخلية العميقة تدفع النواة الداخلية إلى التوسع بمعدل 1ملم في السنة، وهذا يحدث غالبًا لأن النواة الداخلية لا يمكنها إذابة نفس كمية عناصر الضوء مثل النواة الخارجية، نتيجة حدوث تجميد للحديد السائل في شكل بلوري بالقلب الداخلي، الذي يحتوي على عناصر ضوئية أكثر من السائل المٌغطى؛ أصبحت العناصر السائلة طافية، مما أدى إلى دفع الحمل الحراري في النواة الخارجية.
مما جعل هنالك احتمالية بأنه قد يلعب هذا النمو دورًا في توليد المجال المغناطيسي للأرض، بواسطة عمل دينامو في النواة الخارجية السائلة، مما يشير إلى أن النواة الداخلية للأرض والعمليات التي تحدث أكثر تعقيدًا مما كان يعتقد.
لنقول في النهاية أن الأرض غامضة أكثر مما يمكن أن نتصور، عملاقة، ليس من حيث الحجم فقط، ولكن أيضًا من حيث الطاقة، والحرارة الداخلة في تكوينها منذ مليارات السنين، بالإضافة إلى أنها لا تُعد الصورة النهائية للمنتج، ولكنها بمثابة كيان ديناميكي قابل للتغيير المستمر، وكل ما نعلمه لا زال خاضعًا للنظريات والتخمين، لأنه لا يمكننا فحص المناطق الداخلية عن قرب وبشكل كافي، لذا؛ لا أحد يعلم كم يمكن للأرض أن تتغير أكثر من ذلك، وكيف ستبدو.
كتابة: الزهراء جابر
مراجعة: نهاد حمدي
تحرير: إسراء وصفي
تصميم: امنيه عبد الفتاح
