نمذجة البنية الداخلية للكرة الأرضية

لا نستطيع أن ننزل إلى باطن الأرض لنرى أغلفته، فنبدأ بنموذج ضوئيّ. تمثّل الوثيقة ⁦(1)⁩ قانون ديكارت: وسطان مختلفان في قرينة الانكسار، وشعاع يرد على سطح الفصل بينهما. وتعطي الوثيقة ⁦(2)⁩ سرعة الضوء في وسطي تجربة يخترق فيها شعاع ليزر حوضا مملوءا بماء عاتم.

تكبير الصورة

مهما كان موقع المركز السطحيّ للزلزال، لا تُسجَّل الموجات الزلزالية في المحطّات الواقعة على مسافة تتراوح بين 11500 و15800 كيلومتر منه. فكيف يُفسَّر اختفاؤها في هذه المناطق ؟ لفهم ذلك نُنجز النموذج الآتي: تُلصق علبة دائرية صغيرة قطرها 15 سنتيمترا في وسط علبة دائرية كبيرة قطرها 25 سنتيمترا، وتُملأ الصغيرة وحدها بالماء بينما تبقى الكبيرة فارغة. ثمّ يُرسل شعاع من قلم ليزر يجتاز العلبة الكبيرة، مرّة قبل وضع العلبة الصغيرة ومرّة بعد وضعها. ويُفضَّل أن تُجرى التجربة في غرفة مظلمة.

تكبير الصورة

ننتقل من النموذج إلى الأرض نفسها. فبعد زلزال وقع باليابان سُجِّلت الموجات الأوّلية في مختلف بقاع العالم باستثناء منطقة واحدة، رُسمت حدودها على سطح الكرة الأرضية، ومُثّل إلى جانبها مسار هذه الموجات في مقطع يمرّ بالمركز السطحيّ.

تكبير الصورة

بيّنت تحاليل التسجيلات المأخوذة في مختلف محطّات الاستقبال تغيّرات مفاجئة في سرعة انتشار الموجات الزلزالية. وتمثّل الوثيقة الموالية هاتين السرعتين بدلالة العمق، مرّة في الكرة الأرضية كلّها ومرّة في الألف كيلومتر الأولى وحدها، حيث يُقارَن انتشار الموجات في البرنس بانتشارها في المعادن المكوّنة له.

تكبير الصورة

لا نملك عيّنة واحدة من البرنس ولا من النواة. ولتحديد طبيعتهما الكيميائية استُعملت طريقتان. الأولى تحليل النيازك: تمثّل الكوندريت 85 بالمائة منها، وقد بيّنت التحاليل الجيوكيميائية أنّها تشترك مع الأرض في الموادّ وفي العمر، وتختلف عنها في كونها غير متمايزة، أي لم تنفصل موادّها في أغلفة. والثانية قياس سرعة موجات التصادم في عناصر كيميائية موضوعة تحت ضغط وحرارة مماثلين لظروف البرنس والنواة.

تكبير الصورة

يتكوّن باطن الأرض من أغلفة دائرية متراكبة تختلف في خصائصها الفيزيائية والكيميائية، وتحدّها انقطاعات. والانقطاع ليس خطّا مرسوما: هو موضع يتغيّر فيه سلوك الموجات الزلزالية تغيّرا مفاجئا، فتسقط سرعتها أو تختفي، لأنّ المادّة تحته ليست هي المادّة فوقه.

الغلاف الأوّل هو القشرة، وهي صلبة، وتنقسم إلى قشرة قارّية تتكوّن من صخور رسوبية وصخور نارية حمضية غرانيتية وصخور متحوّلة، وقشرة محيطية تتكوّن أساسا من البازلت، وهو صخر ناريّ قاعديّ.

الغلاف الثاني هو البرنس. وقد بيّن مسار الموجات الأوّلية أنّه ينقسم إلى برنس علويّ وبرنس سفليّ، وأنّ البرنس العلويّ ينقسم بدوره إلى جزء علويّ وجزء سفليّ. ويتركّب البرنس أساسا من البيريدوتيت، وهو سيليكات الألومنيوم والحديد والمغنيزيوم، وله سلوك الجسم الصلب.

وتكوّن القشرة، قارّية كانت أو محيطية، والجزء العلويّ من البرنس العلويّ الليتوسفير، وهي طبقة صلبة قابلة للانكسار تمثّل الألواح التكتونية؛ بينما يمثّل الجزء السفليّ من البرنس العلويّ الأستينوسفير.

الغلاف الثالث هو النواة، وهي غنيّة بالحديد والنيكل. وقد بيّن انتشار الموجات الثانوية أنّها تنقسم إلى نواة خارجية سائلة، لا تعبرها هذه الموجات، ونواة داخلية صلبة.

لم يُبنَ هذا النموذج بالحفر، وإنّما بجمع ثلاثة أنواع من الأدلّة لا يكفي أحدها وحده. الأدلّة الأولى هندسية: حلقة الظلّ وحدودها المقاسة بالزاوية تفرض وجود سطح فصل داخليّ. والأدلّة الثانية حركية: سرعة الموجتين بدلالة العمق تعطي موضع كلّ انقطاع، واختفاء الموجات الثانوية يعطي الحالة الفيزيائية لكلّ غلاف. والأدلّة الثالثة كيميائية: مقارنة الأرض بالنيازك وقياس سرعة موجات التصادم تعطيان طبيعة المادّة.

وموضع الحدود يُقرأ على التدريج: الانقطاع الأوّل الكبير على العمق 2900 كيلومتر يفصل البرنس عن النواة، وهو الذي يحرف الموجات الأوّلية ويوقف الموجات الثانوية؛ والانقطاع الثاني على العمق 5100 كيلومتر يفصل النواة الخارجية السائلة عن النواة الداخلية الصلبة. أمّا داخل البرنس فتسجّل السرعة قفزتين أصغر، عند العمقين 400 و700 كيلومتر.

تكبير الصورة