عمق زمین چقدر است و چه چیزی در ۱۲ کیلومتری زیر زمین پنهان بود که پروژه شوروی را متوقف کرد؟

راز بقا: وقتی شب را نگاه می‌کنیم و ستاره‌ها را می‌شماریم، کمتر کسی به آن تودهٔ سنگی زیر پایش فکر می‌کند —، اما زمین زیر پوست نازکش دنیایی دارد به وسعت هزاران کیلومتر، با دماها، فشار‌ها و فرآیند‌هایی که هرگز در سطح تجربه نمی‌کنیم. این مقاله می‌خواهد شما را در سفری به درون این سیاره همراهی کند: از پوست شکنندهٔ پوسته تا قلب آهنی هسته؛ و در کنار آن داستان تلاش‌های انسانی برای نفوذ در اعماق — از حفاری‌های علمی گرفته تا تونل‌های معدنی — را بازگو کند. 

پوسته، گوشته، هسته — زمین در سه پرده

به گزارش راز بقا؛ دانشمندان زمین را عمدتاً به سه لایهٔ اصلی تقسیم می‌کنند: پوسته (Crust)، گوشته (Mantle) و هسته (Core). این تقسیم‌بندی نه صرفاً براساس ترکیب شیمیایی، بلکه مبتنی بر رفتار فیزیکی و نتایج لرزه‌نگاری شکل گرفته است. پوسته همان بخشی است که ما روی آن راه می‌رویم؛ نازک، شکننده و متنوع. گوشته ــ بخشی که بیشترین حجم زمین را تشکیل می‌دهد ــ جایی از سنگ‌هایی است که تحت فشار و دمای بالا، رفتاری میان جامد و سیال از خود نشان می‌دهند؛ و هسته، مرکز آهنی زمین، جایی است که قوانین فیزیک در مقیاس‌های بی‌رحمانه‌ای تغییر می‌کنند و منبع میدان مغناطیسی سیاره‌اند. 

پوستهٔ اقیانوسی معمولاً تنها ۵–۱۰ کیلومتر ضخامت دارد، در حالی که پوستهٔ قاره‌ای می‌تواند به‌طور متوسط ۳۰–۵۰ کیلومتر یا حتی بیشتر برسد. در مقابل، گوشته از زیر پوسته تا عمق حدود ۲٬۸۹۰ کیلومتر گسترده است؛ یعنی بخش اعظمِ حجم زمین در گوشته جای دارد. آن‌سوی این مرز، که به «ناپیوستگی گوتنبرگ» معروف است، قلمرو هسته آغاز می‌شود. شعاع زمین تقریباً ۶۳۷۱ کیلومتر است؛ بنابراین فاصلهٔ سطح تا مرکز زمین چیزی در حدود همین عدد است. 

چرا ما لایه‌ها را با امواج می‌فهمیم نه با چشم؟

درون زمین را نمی‌توان مانند یک کیک برید و از آن نمونه برداشـت؛ ابزار‌های مستقیم ما تنها چند کیلومتر به زیر سطح می‌روند. برای شناخت جزئیاتِ عمیق‌تر، زمین‌شناسان از امواج لرزه‌ای زمین‌لرزه‌ها، آزمایش‌های فشار و دما در آزمایشگاه و مدل سازی‌های پیچیده استفاده می‌کنند. وقتی امواج لرزه‌ای از لایه‌ای به لایهٔ دیگر عبور می‌کنند، سرعت و رفتارشان تغییر می‌کند — این تغییر‌ها همان سرنخ‌های ما هستند. برای مثال، امواج S نمی‌توانند از مادهٔ مایع عبور کنند؛ بنابراین ناپدید شدن آنها در عمق مشخصی به ما می‌گوید که هستهٔ بیرونی مایع است. این روش‌ها باعث شده‌اند ما مرز‌های کلیدی مانند مرز گوشته–هسته (~۲٬۸۹۰ کیلومتر) و مرز هستهٔ بیرونی–درونی (~۵٬۱۰۰–۵٬۱۵۰ کیلومتر) را تعیین کنیم. 

هستهٔ زمین — آتش و آهن در میان فشار‌های عظیم

تصور کن در عمق‌هایی که فشار هزار‌ها برابر فشار سطح است و دما نزدیک به دمای سطح خورشید است، یک توپ فلزی عظیم وجود دارد؛ این توصیف ساده‌ای از هسته است. هستهٔ بیرونی مایع و عمدتاً از آهن و نیکل ساخته شده و جریان‌های الکتریکی در این مایع، همراه با چرخش زمین، ژنراتور مغناطیسی عظیمی می‌سازند که از ما در برابر باد‌های خورشیدی محافظت می‌کند.

هستهٔ درونی، اما جامد است — به‌دلیل فشاری که حتی در دما‌های بسیار بالا ماده را در حالت جامد نگه می‌دارد. دما‌های برآوردی در هستهٔ داخلی بر اساس مدل‌ها و آزمایش‌های فشار بالا معمولا در محدودهٔ حدود ۵٬۰۰۰–۶٬۰۰۰ درجهٔ سلسیوس گزارش می‌شوند. این برآورد‌ها هنوز هم دست‌خوش بازبینی‌اند، اما نشان‌دهندهٔ شرایطی است که هیچ ابزار کنونی ما نمی‌تواند مستقیماً تاب بیاورد.

انسان تا چه عمقی رسیده؟ داستان چاهِ کولا و رکورد‌های دیگر

اینجا جایی است که خیال ما با واقعیت برخورد می‌کند. بزرگ‌ترین جاه‌طلبی‌های حفاری علمی روزگاری تلاش کردند به اعماق پوسته نفوذ کنند تا راز‌های آن را بیرون بکشند؛ اما نتایج اغلب تلخ و آموزنده بودند.

عمیق‌ترین چاه عمودی که انسان تا امروز کنده است، «چاه سوپر-دیپ کولا» (Kola Superdeep Borehole, SG-۳) در شبه‌جزیرهٔ کولا روسیه است که در سال ۱۹۸۹ به عمق واقعی ۱۲٬۲۶۲ متر رسید.

برای درک نسبی این عدد کافی است بدانیم که این عمق تنها حدود ۰٫۱۹٪ از فاصلهٔ سطح تا مرکز زمین است — و در مقایسه با ضخامت متوسط پوستهٔ قاره‌ای، تنها بخش کوچکی را پوشش می‌دهد. به گزارش راز بقا پروژهٔ کولا نشان داد که با افزایش عمق، دما و فشار به‌سرعت از انتظارات فراتر می‌رود؛ در برخی نقاط دما‌ها به بالای ~۱۸۰ °C رسیدند و مسائل فنی متعدد (از خلاص کردن مته تا مدیریت جوّ و سیالات) پیش آمدند که ادامهٔ کار را دشوار ساخت.

در عرصهٔ اقیانوسی، برنامه‌های علمی مانند Deep Sea Drilling Project (DSDP) و جانشینانش (ODP و IODP) توانسته‌اند در رسوبات زیر بستر تا حدود ۱٬۷۴۱ متر نفوذ کنند — عمقی که برای مطالعهٔ تاریخچهٔ زمین بسیار ارزشمند است، اما لایهٔ عمیق‌تر پوسته یا گوشته را باز نمی‌کند. این داده‌ها برای درک تاریخچهٔ اقلیمی، رسوب‌گذاری و فعالیت‌های نزدیک‌به‌پوسته حیاتی‌اند، اما باز هم ما را از رسیدن به گوشتهٔ عمیق دور نگه داشته‌اند. 

از منظر انسانیِ عملی، معادن عمیق نشان می‌دهند ما می‌توانیم فضا‌های کاری چندکیلومتری بسازیم: معدن طلای Mponeng در آفریقای جنوبی یکی از عمیق‌ترین معادن سطح‌به‌عمق است که به بیش از ۳٫۸–۴ کیلومتر زیر سطح رسیده است؛ کار در چنین عمقی با چالش‌های شدیدی از جمله گرما، نیاز به تهویهٔ قوی و مدیریت فشار سنگ همراه است. با این همه، اینها حفاری علمی «عمودی» برای فهم ساختار زمین نیستند، بلکه نمایی از توانایی مهندسی بشر در قرار گرفتن انسان در عمق‌های محدود فراهم می‌آورند. 

چرا نمی‌توانیم تا مرکز زمین حفاری کنیم؟ سه سدِ بزرگ

اگرچه گاهی در خیال علمی-تخیلی شنیده‌ایم که می‌توانیم تا مرکز زمین تونل بزنیم، واقعیت فنی و اقتصادی بسیار زمخت‌تر است. چنان‌که تجربهٔ پروژهٔ کولا نشان داد، مشکلات اصلی را می‌توان در سه دسته جا داد:

حرارت و فشار: هر متر بیشتر یعنی دما و فشار بیشتر؛ ابزار‌ها و مته‌ها در برابر دما‌های چند صد درجه و فشار‌های سنگین دچار فرسایش و شکست می‌شوند. در چاه کولا دما‌ها بسیار بالاتر از مقدار پیش‌بینی‌شده بودند و این یکی از عوامل اصلی توقف پروژه بود. 

هزینه و مقیاس: هزینهٔ اقتصادی حفاری عمیق — شامل تأمین تجهیزات، نگهداری، کنترل سیالات و برداشتن هسته‌ها — بسیار بالاست و با افزایش عمق به‌سرعت افزایش می‌یابد. سرمایه‌گذاری‌ای در مقیاس ملی یا بین‌المللی لازم است که توجیه علمیِ روشنی طلب کند. 

اهداف علمی و روش‌های جایگزین: بسیاری از پرسش‌های اساسی دربارهٔ گوشته و هسته را می‌توان به‌صورت غیرمستقیم پاسخ داد؛ امواج لرزه‌ای، آزمایش‌های فشار-دما در آزمایشگاه و مدل‌سازی‌های پیشرفته به ما تصویر بسیار روشنی می‌دهند. از این رو، انگیزهٔ صرفه‌جویی‌شده‌ای برای هزینهٔ کلانِ حفاری بسیار عمیق وجود دارد.

در مجموع، تا زمانی که فناوری‌های نوینِ مواد و انرژی پدیدار نشوند، رسیدن به اعماق بسیار بیشتر همچنان در حد امکان‌پذیرِ اقتصادی و فناورانه نیست.

یافته‌های شگفت‌انگیز و تازه از درون زمین

با این‌که ما به‌طور مستقیم تکهٔ کمی از پوسته را دیده‌ایم، حفاری‌های علمی و لرزه‌نگاری کشفیات غیرمنتظره‌ای را به همراه داشته‌اند. در پروژهٔ کولا، برای نمونه، وجود آب و گاز‌های نهفته در اعماق چند کیلومتری — جایی که انتظار نمی‌رفت آب حضور داشته باشد — یک یافتهٔ غافلگیرکننده بود. این امر نشان داد سیستم‌های هیدرولوژیک زیرسطحی می‌توانند بسیار پیچیده‌تر از تصور پیشین باشند. 

از سوی دیگر، مطالعات لرزه‌ای و مروری‌های جدید دربارهٔ هستهٔ درونی نشان می‌دهند ساختار هسته شاید از آنچه ساده می‌پنداشتیم پیچیده‌تر باشد: بحث‌هایی دربارهٔ وجود لایه‌های داخلی‌تر در هستهٔ درونی («inner-inner core») و خواص برشی (shear) آن که رفتار امواج را تحت تأثیر قرار می‌دهد، در جریان است و مقالات مروری علمی جزئیات تازه‌ای ارائه کرده‌اند. این یافته‌ها برای درک تکامل حرارتی زمین و عمر میدان مغناطیسی‌اش اهمیت دارند. 

همچنین پیشنهاد‌های جالبی برای اندازه‌گیریِ ساختار داخلی با روش‌های غیربرخوردی (مثلاً استفاده از نوترینو‌ها یا آشکارسازی‌هایی که از ذرات بنیادی بهره می‌برند) مطرح شده‌اند؛ اگر عملی شوند، می‌توانند پنجره‌ای نو به گوشته و هسته باز کنند بدون نیاز به حفاری فیزیکی عظیم. 

آیا روزی ممکن است به هسته برسیم؟ چشم‌انداز‌های فناورانه

علم‌دوستان و نویسندگان داستان‌های علمی-تخیلی همیشه تصویر تونل‌هایی را کشیده‌اند که از سطح تا مرکز زمین می‌روند. اما حتی اگر مواد مقاومی اختراع شود که بتواند دما‌ها و فشار‌های فوق‌العاده را تحمل کند، پرسش‌های دیگری باقی می‌ماند: انرژی مورد نیاز برای حفاری و دفع گرمای تولیدشده، مدیریت سیالات و گاز‌ها در عمق، و پیامد‌های ژئوفیزیکیِ ایجاد حفره‌های بسیار بزرگ در پوسته و گوشته. از همه مهم‌تر، این‌که چه پرسشی علمی باید آن‌قدر حیاتی باشد که میلیارد‌ها دلار را توجیه کند؟ تا امروز، روش‌های غیرمستقیمِ لرزه‌ای و آزمایش‌های آزمایشگاهی، پاسخ‌های به‌صرفه‌تری برای بسیاری از این پرسش‌ها فراهم کرده‌اند. 

با این‌حال، پژوهش‌های بین‌المللی در زمینهٔ حفاری از بستر اقیانوس (که پوستهٔ اقیانوسی بسیار نازک‌تری دارد) و توسعهٔ تکنولوژی‌های جدید حفاری نشان می‌دهد اگر روزی به‌جای حفاری از خشکی، از کف دریا بخواهیم به گوشته نزدیک شویم، شاید شانس بیشتری برای نفوذ عمیق‌تر داشته باشیم — رویکردی که برخی برنامه‌های علمی دنبال کرده‌اند.

زمین همچنان رازآمیز است

وقتی از کنار چاهِ کولا یا تونل‌های معدنِ Mponeng می‌گذریم، گویی به آستانهٔ دروازه‌ای طلسم‌شده رسیده‌ایم. آن‌چه به‌طور مستقیم دیده‌ایم تکه‌ای کوچک از یک کل عظیم است. امواج لرزه‌ای، آزمایش‌های فشار بالا، و مدل‌سازی‌های نظری هر روز پوشه‌ای دیگر از اسرار را می‌گشایند؛ اما بخش عمدهٔ زمین هنوز در تاریکی است. شاید همین ناشناخته‌هاست که دانش را سرزنده نگه می‌دارد: سوال‌هایی که آدمی را وامی‌دارند بیش‌تر بداند، بیشتر بپرسد و هر روز با ابزار‌های نو – از کشتی‌های حفاری تا آشکارساز‌های نوترینو — به دلِ آن سفر کند.