زمین شناسان MIT و دانشگاه آکسفورد سنگ های باستانی را در گرینلند کشف کردند که قدیمی ترین بقایای میدان مغناطیسی اولیه زمین را در خود جای داده است.

این سنگ ها بسیار بکر به نظر می رسند و خواص خود را برای میلیاردها سال حفظ کرده اند. محققان دریافتند که این سنگ ها حدود 3.7 میلیارد سال قدمت دارند و آثار میدان مغناطیسی با قدرت حداقل 15 میکروتسلا را در خود نگه می دارند. میدان باستانی از نظر قدر شبیه به میدان مغناطیسی زمین امروزی است.

یافته های دسترسی باز، امروز در ظاهر می شود مجله تحقیقات ژئوفیزیک، برخی از اولین شواهد وجود میدان مغناطیسی در اطراف زمین را نشان می دهد. نتایج به طور بالقوه عمر میدان مغناطیسی زمین را صدها میلیون سال افزایش می دهد و ممکن است شرایط اولیه این سیاره را که به حیات کمک کرده است روشن کند.

کلر نیکولز، فوق دکترای سابق MIT که اکنون دانشیار زمین‌شناسی فرآیند سیاره‌ای در دانشگاه آکسفورد است، می‌گوید: «از نظر تئوری، میدان مغناطیسی یکی از دلایلی است که ما فکر می‌کنیم زمین واقعاً به عنوان یک سیاره قابل سکونت منحصربه‌فرد است. تصور می‌شود که میدان مغناطیسی ما از ما در برابر تشعشعات مضر فضا محافظت می‌کند و همچنین به ما کمک می‌کند تا اقیانوس‌ها و جوی داشته باشیم که می‌تواند برای مدت طولانی پایدار باشد.

مطالعات قبلی شواهدی از وجود میدان مغناطیسی روی زمین را نشان داده است که حداقل 3.5 میلیارد سال قدمت دارد. تحقیقات جدید عمر میدان مغناطیسی را 200 میلیون سال دیگر افزایش می دهد.

بنجامین وایس، پروفسور رابرت آر. شروک در علوم سیاره ای در بخش زمین، جو و علوم سیاره ای MIT (EAPS) می گوید: «این مهم است زیرا این زمانی است که ما فکر می کنیم حیات ظهور کرده است. اگر میدان مغناطیسی زمین چند صد میلیون سال پیش وجود داشته باشد، می‌توانست نقش مهمی در قابل سکونت کردن سیاره داشته باشد.

نیکولز و وایس از نویسندگان مشترک این مطالعه جدید هستند که شامل کریگ مارتین و آتنا ایستر از MIT، آدام مالوف از دانشگاه پرینستون و همکاران دیگری از موسساتی از جمله دانشگاه تافتس و دانشگاه کلرادو در بولدر است.

نشت آهسته

امروزه، میدان مغناطیسی زمین از هسته آهن مذاب آن نیرو می گیرد که به آرامی جریان الکتریکی را در یک «دینامو» خود مولد تولید می کند. میدان مغناطیسی حاصل مانند یک حباب محافظ به سمت بیرون و اطراف سیاره گسترش می یابد. دانشمندان گمان می کنند که در اوایل تکامل خود، زمین توانسته است زندگی ایجاد کند، تا حدی به لطف میدان مغناطیسی اولیه که به اندازه کافی قوی بود تا از یک اتمسفر حیاتی پشتیبانی کند و در عین حال از سیاره در برابر تشعشعات مضر خورشید محافظت کند.

اینکه این سپر مغناطیسی دقیقا چقدر اولیه و قوی بوده است قابل بحث است، اگرچه شواهدی وجود دارد که قدمت آن به حدود 3.5 میلیارد سال پیش بازمی‌گردد.

نیکولز می‌گوید: «ما می‌خواستیم ببینیم که آیا می‌توانیم این رکورد را به بیش از 3.5 میلیارد سال افزایش دهیم و دریابیم که میدان اولیه چقدر قوی بود.

در سال 2018، به عنوان یک همکار فوق دکترا که در آن زمان در آزمایشگاه ویس کار می کرد، نیکولز و تیمش سفری را آغاز کردند. کمربند فوق پوسته ایزوا، امتداد 20 مایلی از صخره های آشکار که توسط صفحات یخی مرتفع در جنوب غربی گرینلند احاطه شده است. در آنجا، دانشمندان قدیمی ترین سنگ های حفظ شده روی زمین را کشف کرده اند که به امید پاسخ به بسیاری از سوالات علمی در مورد شرایط باستانی زمین، به طور مفصل مورد مطالعه قرار گرفته است.

برای نیکولز و وایس، هدف یافتن سنگ‌هایی بود که در ابتدای شکل‌گیری سنگ‌ها همچنان دارای رگه‌هایی از میدان مغناطیسی زمین بودند. سنگ‌ها در طی میلیون‌ها سال با تجمع دانه‌های رسوب و مواد معدنی تشکیل می‌شوند و به تدریج بسته‌بندی می‌شوند و در رسوب‌گذاری بعدی در طول زمان مدفون می‌شوند. تمام مواد معدنی مغناطیسی مانند اکسیدهای آهن موجود در ذخایر از قدرت میدان مغناطیسی زمین در هنگام شکل گیری پیروی می کنند. این جهت گیری جمعی و اثر میدان مغناطیسی در سنگ ها حفظ شده است.

با این حال، این میدان مغناطیسی حفظ شده را می توان درهم ریخته و به طور کامل پاک کرد، اگر سنگ ها متعاقباً تحت رویدادهای شدید حرارتی یا آبی مانند فعالیت هیدروترمال یا تکتونیک صفحه قرار گیرند، که می تواند این رسوبات را تحت فشار قرار داده و خرد کند. بنابراین، تعیین سن میدان مغناطیسی در سنگ های باستانی یک منطقه تحقیقاتی بسیار مورد بحث است.

برای رسیدن به صخره‌هایی که امیدواریم حفظ شده و نسبت به رسوب اولیه‌شان تغییری نکرده باشند، تیم سازنده‌های صخره‌ای را در کمربند سوپراکروستال ایسوآ، مکانی دورافتاده که فقط با هلیکوپتر قابل دسترسی بود، نمونه‌برداری کردند.

نیکولز می‌گوید: «این حدود 150 کیلومتر با پایتخت فاصله دارد و آنها شما را در هلیکوپتر می‌اندازند و درست روی صفحه یخ می‌اندازند. «در اینجا شما اساساً قدیمی‌ترین صخره‌های جهان را دارید که با این بیان دراماتیک عصر یخبندان احاطه شده‌اند. این یک مکان واقعا دیدنی است.»

داستانی پویا

این تیم با نمونه‌های سنگی کامل از سازندهای آهن نواری، نوعی سنگ که به صورت نوارهایی از سنگ‌های غنی از آهن و سیلیس وجود دارد، به MIT بازگشتند. کانی‌های اکسید آهن موجود در این سنگ‌ها می‌توانند مانند آهن‌رباهای کوچکی عمل کنند که خود را به سمت هر میدان مغناطیسی خارجی هدایت می‌کنند. با توجه به ترکیب آنها، محققان گمان می کنند که سنگ ها در ابتدا در اقیانوس های اولیه قبل از افزایش اکسیژن اتمسفر در حدود 2.5 میلیارد سال پیش شکل گرفته اند.

نیکولز توضیح می دهد: «زمانی که اکسیژن در جو وجود نداشت، آهن به راحتی اکسید نمی شد، بنابراین در اقیانوس ها در محلول بود تا زمانی که ته نشین شد به غلظت بحرانی رسید. بنابراین اساساً نتیجه‌ی باریدن آهن از اقیانوس‌ها و رسوب در کف دریا است.»

ویس می افزاید: «آنها صخره های بسیار زیبا و عجیبی هستند که شباهتی به هر چیزی که امروزه روی زمین تشکیل می شود ندارند.

مطالعات قبلی از تاریخ گذاری اورانیوم-سرب برای تعیین سن اکسیدهای آهن در این نمونه های سنگی استفاده کرده اند. نسبت اورانیوم به سرب (U-Pb) به دانشمندان تخمینی از سن سنگ می دهد. این تجزیه و تحلیل نشان داد که برخی از کانی های مغناطیسی احتمالاً حدود 3.7 میلیارد سال قدمت دارند. تیم MIT با همکاری محققان موسسه پلی تکنیک Rensselaer در مقاله ای که سال گذشته منتشر شد نشان داد که سن U-Pb همچنین سن رکورد مغناطیسی در این کانی ها را نشان می دهد.

سپس محققان تصمیم گرفتند تا تعیین کنند که آیا صخره های باستانی یک میدان مغناطیسی را از آن دور حفظ کرده اند یا خیر و این میدان چقدر قوی بوده است.

«نمونه‌هایی که فکر می‌کنیم بهترین هستند و دارای این امضای بسیار قدیمی هستند، سپس در آزمایشگاه طی مراحلی، مغناطیس‌زدایی می‌کنیم. ما یک میدان آزمایشگاهی را اعمال می کنیم که قدرت آن را می دانیم و سنگ ها را به صورت مرحله ای دوباره مغناطیس می کنیم، بنابراین می توانید گرادیان مغناطیس زدایی را با گرادیان مغناطیسی آزمایشگاهی مقایسه کنید. نیکولز توضیح می دهد که این گرادیان به شما می گوید که میدان باستانی چقدر قوی بوده است.

از طریق این فرآیند دقیق مغناطیس‌سازی مجدد، تیم به این نتیجه رسیدند که سنگ‌ها احتمالا حاوی یک میدان مغناطیسی باستانی با قدمت 3.7 میلیارد سال با قدر حداقل 15 میکروتسلا هستند. امروزه اندازه میدان مغناطیسی زمین حدود 30 میکروتسلا است.

نیکولز می گوید: «این نیمی از قدرت است، اما همان نظم است. این واقعیت که شبیه به قدرت میدان امروزی است، نشان می دهد که هر چیزی که میدان مغناطیسی زمین را به حرکت در می آورد، در طول میلیاردها سال تغییر قابل توجهی در قدرت نداشته است.

آزمایش‌های این تیم همچنین نشان داد که سنگ‌ها میدان باستانی را حفظ کرده‌اند، حتی اگر دو رویداد حرارتی بعدی را پشت سر گذاشته باشند. هر رویداد حرارتی شدید، مانند لرزش زمین ساختی زیرسطحی یا فوران های گرمابی، می تواند به طور بالقوه گرم شود و میدان مغناطیسی سنگ را از بین ببرد. اما گروه دریافتند که آهن موجود در نمونه‌های آن‌ها احتمالاً در 3.7 میلیارد سال پیش در یک رویداد حرارتی شدید اولیه جهت‌گرفته و سپس متبلور شده است. حدود 2.8 میلیارد سال پیش، و سپس دوباره 1.5 میلیارد سال پیش، سنگ ها ممکن است دوباره گرم شده باشند، اما نه تا دمای شدیدی که مغناطش آنها را مختل کند.

آنیک وان دربون، محقق علوم سیاره‌ای در دانشگاه اسلو که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «سنگ‌هایی که این تیم مطالعه کردند، در طول سفر طولانی زمین‌شناختی خود در سیاره ما، کمی تجربه کرده‌اند. نویسندگان کارهای زیادی برای محدود کردن اینکه کدام رویدادهای زمین‌شناسی بر سنگ‌ها در زمان‌های مختلف تأثیر گذاشته است، انجام داده‌اند.»

اندی بیگین، استاد ژئومغناطیس در دانشگاه لیورپول، که در این تحقیق شرکت نداشت، می‌گوید: «تیم زمان را صرف مطالعه بسیار دقیقی روی این سنگ‌های پیچیده کردند که به راحتی اسرارشان را فاش نمی‌کنند». این نتایج جدید به ما می گوید که میدان مغناطیسی زمین 3.7 میلیارد سال پیش زنده و سالم بوده است. دانستن اینکه آنجا بود و قوی بود، به محدود کردن مرزهای محیطی زمین اولیه کمک می‌کند.

نتایج همچنین سوالاتی را در مورد اینکه چگونه زمین باستانی می‌توانست چنین میدان مغناطیسی قوی را تامین کند، ایجاد می‌کند. در حالی که میدان امروزی از تبلور هسته داخلی آهن جامد نیرو می گیرد، اعتقاد بر این است که هسته داخلی هنوز در اوایل تکامل سیاره شکل نگرفته است.

ویس می‌گوید: «به نظر می‌رسد شواهدی مبنی بر اینکه آنچه در آن زمان میدان مغناطیسی ایجاد می‌کرد، منبع انرژی متفاوتی نسبت به آنچه امروز داریم بود. و ما به زمین اهمیت می دهیم زیرا در اینجا حیات وجود دارد، اما همچنین سنگ محک برای درک سایر سیارات زمینی است. این نشان می‌دهد که سیارات در سرتاسر کهکشان احتمالاً راه‌های زیادی برای تأمین میدان مغناطیسی دارند که برای سؤال قابلیت سکونت در جاهای دیگر مهم است.

این تحقیق تا حدی توسط بنیاد سیمونز حمایت شده است.