پیدایش و شکلگیری زمین (خاستگاه سیاره زمین)
پیدایش و شکلگیری زمین
زمین، سیارهای که امروزه خانهٔ میلیاردها موجود زنده است، روزی تنها تودهای از غبار و گاز در دل فضا بود. داستان پیدایش آن، روایتی شگفتانگیز از دگرگونی، تصادف و تداوم است؛ از گردآمدن ذرات ریز در منظومه خورشیدی تا شکلگیری پوستهها و دریاها. شناخت منشأ زمین، در واقع سفری است به آغاز همه چیز؛ به جایی که سنگ، آب و آتش دست در دست هم دادند تا زیست ممکن شود. در این مقاله، نگاهی خواهیم داشت به چگونگی پیدایش و شکلگیری زمین و فرآیندهایی که آن را به دنیای آشنای امروز بدل کردند.
زمین در فضا
جهان احتمالاً در ۱۵ میلیارد سال قبل در طی انفجاری عظیم بهوجود آمد. زمین سومین سیاره از منظومه شمسی و ذرهای بسیار ناچیز از این جهان است که به دور خورشید میگردد. شکل زمین مانند کرهای میباشد که در استوا اندکی برآمدگی دارد و در قطبها کمی فرورفته است. قطر متوسط زمین حدود ١٢٧٤٠ كيلومتر میباشد. خورشید مرکز منظومه شمسی و در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری زمین قرار دارد. در اطراف خورشید حداقل ۹ سیاره در حال گردشاند.
این سیارات به ترتیب عبارتند از: عطارد، زهره، زمین، مریخ، مشتری، زحل، اورانوس، نپتون و پلوتون.
دورترین این سیارات یعنی پلوتون در مدار بیضی کشیدهای با قطر میانگین 9/5 میلیارد کیلومتر در هر ٢٤٨ سال یک بار به دور خورشید میگردد. منظومه شمسی به این ۹ سیاره محدود نمیشود بلکه هزاران سیارک نیز در فاصله بین مریخ و مشتری قرار گرفتهاند. همچنین ٣٤ قمر یک به یک یا به شکل گروهی به دور سیارات این منظومه میچرخند و شهاب سنگهای سرگردان نیز از اعضای خانواده این منظومه میباشند.
منظومه شمسی عضو کوچکی از کهکشان راه شیری است. این کهکشان مجموعه عظیمی از چند صد میلیارد ستاره کوچک و بزرگ میباشد. کهکشان راه شیری بسان قرص یا حلقهای مارپیچ است که قطر آن به یکصد هزار سال نوری (هر سال نوری مسافتی است که نور در یک سال میپیماید و تقریباً برابر با ده میلیون میلیون کیلومتر میباشد) میرسد. منظومه شمسی در فاصله سی هزار سال نوری از مرکز این کهکشان قرار دارد و هر ٢٢٤ میلیون سال یک بار به دور هسته کهکشان میچرخد. جالب آن که بر اساس برآورد کیهانشناسان در جهان در حدود ۱۰۰ میلیارد کهکشان وجود دارد.
منظومه شمسی
خورشید عضو اصلی منظومه شمسی و در مرکز آن قرار دارد. خورشید از ۷۰٪ هلیم، ۲۷% هیدروژن و ٣٪ عناصر سنگینتر تشکیل شده است. به دور خورشید ۹ سیاره در حال گردشاند که این سیارات را بر اساس اندازه و تراکم به دو گروه سیارات زمینی (زمین مانند) و سیارات مشتری (مشتری مانند) تقسیم مینمایند.
سیارات کوچک یا زمینی
این سیارات، کوچک متراکم (با تراکم ٥/٥-٤ گرم بر سانتیمتر مکعب)، سنگی و فلزی میباشند و شامل سیارات عطارد، زهره، زمین و مریخ هستند.
سيارات بزرگ یا گازی
این سیارات، بزرگ دارای تراکم یا چگالی کم (5/1-7/0 گرم بر سانتیمتر مکعب) و گازی هستند و شامل سيارات زحل، مشتری، اورانوس، نپتون و پلوتون میباشند. لازم به توضیح است که توزیع تراکم و ترکیبات سيارات با فاصلهشان از خورشید مرتبط است.
این سیارات تقریباً داخل سطح استوایی خورشید (سطح گردش خورشید) قرار دارند و در جهتی یکسان و مداری بیضوی به دور خورشید میچرخند. به علاوه تعدادی از سیارات منظومه شمسی دارای قمرهایی هستند که آنها نیز به دور سیارات در حال گردشاند.
منشأ احتمالی پیدایش زمین
تاکنون نظریههای مختلفی در مورد منشأ زمین ارائه شده است که در زیر به تعدادی از این نظریات که در میان بقیه از شهرت و اعتبار بیشتری برخوردارند اشاره میشود.
فرضیه یک منشأ گرمایی
توضیحات و توجیهات اولیه برای منشأ پیدایش سیارات همگی بر این فرض بنا شده بودند که سیارات از یک منشأ گرمایی یا از خورشید که آن را قدیمیتر از سیارات میدانستند (یعنی قبل از سیارات بوجود آمده است) نشأت گرفتهاند.
یکی از این فرضیهها متعلق به بوفون بود بر اساس فرضیه وی، بر اثر کشش جاذبه یک ستاره دنبالهدار در حال عبور از اطراف خورشید، تودههای (جرمهای) گرمایی از خورشید کنده و جدا شدهاند که بعدها سرد شدند و سیارات را بوجود آوردند به دلیل این که ستارههای دنباله دار میدانهای جاذبه بسیار ضعیف دارند و نمیتوانند جرمهایی را از خورشید جدا نمایند. فرضیه بوفون کنار گذاشته شد و به عبارت دیگر این فرضیه بیاعتبار گردید.
بیشتر فرضیههایی که بعد از فرضیه بوفون مطرح شدند همگی بیانگر این بودند که سیارات از خود خورشید یا تکههای جداشده از آن بوجود نیامدهاند بلکه در نتیجه چگالش یا تغلیظ ابر گازی یا سحاب خورشیدی اطراف خورشید بوجود آمدهاند. در خلال قرن بیستم فرضیههای سحابی پیچیدهتری برای از بین بردن و اجتناب از اشکالات فرضیههای پیشین مطرح شدند.
فرضیه یک منشأ سرمایی (سرد)
از سال ۱۹۰۰ به بعد دانشمندان روی به فرضیههایی آوردند که منشأ پیدایش سیارات را تراکم یا اجتماع ابرهای سرد غبار و گازها میدانستند. اولین فرضیه مهمی که بیانگر پیدایش سیارات از یک منشأ سرمایی بود توسط چمبرلن زمینشناس و مولتون ستارهشناس در اوایل قرن بیستم در دانشگاه شیکاگو مطرح شد نام آن فرضیه سیارات کوچک یا سیارات صغار بود.
بر اساس این فرضیه، ستارهای از نزدیکی خورشید عبور کرده است. کشش میدان جاذبهای این ستاره احتمالاً مواد گازی خورشیدی را از آن جدا نموده که این مواد ابتدا در فضا متراکم شده و اجرام جامد کوچکی به نام سیارات صغار را بوجود آوردند. تعداد بیشماری از این اجرام سرد و شبه ستارهمانند، تا قطر صدها کیلومتر در فضا باهم جمع و متراکم شده و سیارات را بوجود آوردهاند. همانطور که این سیارات با پیوستن اجرام سرد ستاره مانند بزرگتر میشدند. میدان جاذبهشان نیز به تدریج قویتر میشد و ذرات بیشتری را جذب خود مینمودند.
سحاب خورشیدی
در اواسط قرن بیستم دو ستارهشناس به نامهای ونوایزکر و کوپر فرضیه سیارات صغار را اصلاح کردند و جدیدترین و معتبرترین فرضیه را بیان نمودند. آنها سعی کردند که منشأ همزمان پیدایش سیستم خورشیدی (منظومه شمسی) همراه با منشأ پیدایش سیارات در یک فرضیه خورشیدی مطرح کنند. آنها در فرضیه خود تفاوتهای میان سیارات و هم کشفیات جدید فیزیک هستهای را مدنظر قرار داده بودند.
ایزکر و کوپر با توجه به گردش سیارات (خصوصاً در یک سطح یکسان) به دور خورشید و نیز با توجه به تئوری هستهای گرمایی برای ستارگان استدلال کردند که در حدود ۵ یا ۶ میلیارد سال پیش یک ابر ستارهای دیسک مانند غول پیکر از گازها و غبار در حال چرخش بوده و در قسمتی از کهکشان در اطراف ما قرار داشته است. این ابر بیشتر حاوی هیدروژن و هلیم و با مقادیر کمتری اکسیژن، نیتروژن، سیلیکون، کلسیم، آلومینیم، سدیم، پتاسیم، منیزیم، کربن، سولفور و آهن و نیز مقدار بسیار کمتری عناصر فلزی سنگین بوده است.
به طور کلی این چرخش توسط حرکات کهکشان ایجاد شده است. جاذبه، توده بیشتری را در مرکز دیسک متمرکز کرده و تراکم ایجاد شده دما را تا چندین میلیون درجه بالا برده است. در یک حد بحرانی دما، واکنشهای هستهای-گرمایی آغاز میشدند و با ترکیب با هیدروژن انرژی گرمایی خورشید را فراهم نمودند و به بیان دیگر خورشید متولد شد.
چرخش سیستم خورشیدی اولیه به طور غیر قابل اجتنابی باعث ایجاد اغتشاش در پوشش گاز و غباری (سحاب خورشیدی) میشود که اطراف خورشید را که در حال بزرگتر شدن و گرمتر شدن بوده، احاطه کرده بودند. تصور میشود که ابتدا اجرام سیارات صغار از تراکم سحاب بوجود میآیند. سپس در گردابهای کوچک با فواصل منظم در ابر یا سحاب در حال چرخش سیارات صغار غبار و گازهای سرد به سرعت متمرکز شده و ۹ تا ۱۰ سیاره اولیه با ترکیب مشابه را بوجود آوردند.
سیارات اولیه در حالی که میدان جاذبهشان قویتر میشد با جمعآوری و جذب مواد بیشتر از ابر غبار رفتهرفته بزرگتر میشدند. پس از میلیونها سال، سیارات اولیه و به طور بنیادی کامل شدند که البته بسیار بزرگتر از اندازه کنونیشان بودند. اساساً اگرچه جرمهای آنها بسیار بزرگتر از اکنون بود ولی چگالی و غلظتشان کم بود. زیرا آنها بیشتر شامل هیدروژن و هلیم با مقادیر بسیار کمتری از عناصر سنگین بودند.
با قویتر شدن تدریجی میدان جاذبه سیارات اولیه آنها منقبض، کوچکتر و متراکمتر شدند یعنی چگالیشان افزایش یافت.
ظاهراً یک جدایی یا افتراق در سیارات رخ داده است یعنی عناصری که سنگینتر بودند (سنگینترین عناصر) از عناصر دیگر جدا شده و به مرکز سیارات نزدیکتر شدند. بر اساس فرضیات در ابتدا ترکیب تمامی سیارات اولیه یکسان بود، ولی بعد هیدروژن و هلیم آن قدر سبک بودند که توانستند از میدان جاذبه متوسط یا کم سیارات کوچکتر فرار کنند و خارج شوند.
بنابراین چهار سیاره داخلی یا زمینی (با غلظت 5/5-1/5 گرم بر سانتیمتر مكعب) احتمالاً مقدار بسیار بیشتری از عناصر سبکترشان را نسبت به سیارات گازی خارجی بزرگتر (با غلظت 47/2-71/0 گرم بر سانتیمتر مکعب) از دست دادند. شاید بر اثر کاهش نسبی گازهای نوری در داخل منظومه شمسی که از طریق تابش یا تشعشع خورشید به مصرف میرسیده است و نیز در اثر بادهای خورشیدی که با وزش خود همه گازهای سحابی باقیمانده بین سیارهای را به قسمتهای خارجی منظومه منتقل کردند تغییرات بیشتری در ترکیبات این سیارات اولیه رخ داده است.
توزیع عناصر در زمین
مقایسه ترکیب شیمیایی زمین و ترکیب شیمیایی منظومه شمسی نشان میدهد که تنها در حدود یک چهارم از بیش از یکصد عنصر شناخته شده بین این دو مشترکند و ۹۵% جهان تنها متشکل از دو تا از سبکترین عناصر یعنی هیدروژن و هلیم است. به طور کلی فراوانی عناصر سنگینتر اغلب به تدریج کاهش پیدا میکند.
تنها ۱۵ تا ۲۰ عنصر را میتوان از جمله مواد تشکیل دهنده زمین به شمار آورد که بعضی از این عناصر مقدارشان بسیار کم است و خیلی آشکار و مشهود نیستند.
اگرچه مقدار هلیم در جهان از همه عناصر به غیر از هیدروژن بیشتر است ولی تقریباً هیچ مقداری از آن در زمین وجود ندارد زیرا از زمین جدا شده و وارد فضا گشته است.
ولی چرا هیدروژن با وجودی که از هلیم سبکتر است در زمین یافت میشود؟
دلیل این امر آن است که مقدار زیادی از ذخیره اولیه هیدروژن زمین با اکسیژن ترکیب شده و مولکولهای نسبتاً سنگین آب را تشکیل دادهاند. فراوانی آب در زمین، منحصر به فردترین خصوصیت شیمیایی زمین نسبت به سیارات دیگر است، خصوصیتی که به واسطه آن، فضانوردانی که از فضا به زمین نظر کردهاند به آن لقب «سیاره آب» دادهاند.
متوسط چگالی سنگهای موجود و مشهود در سطح زمین در حدود 7/2 گرم بر سانتیمتر مکعب میباشد و حداکثر چگالی این سنگها کمی بیش از ۳ بر سانتیمتر مکعب است. هم چنین چگالی جرم کلی زمین در حدود ۵/۵ گرم بر سانتیمتر مکعب میباشد، بنابراین مواد داخل زمین چگالی یا تراکم بالایی دارند و این نشان میدهد که زمین به لحاظ عناصر تشکیل دهنده از طبقات مختلفی تشکیل شده است و به صورت طبقه طبقه میباشد.