چرا پوسته ترک‌خورده زمین ممکن است برای حیات ضروری باشد

مقدمه

از فاصله دور، واضح نیست که زمین پر از حیات است. باید بسیار نزدیک شوید تا بزرگ‌ترین جنگل‌ها را ببینید و حتی نزدیک‌تر تا کارهای انسان‌ها و میکروب‌ها را مشاهده کنید. اما حتی از فضا، سیاره به نظر زنده می‌آید. خشکی‌های آن به هفت قاره تقسیم شده‌اند که با آب‌های وسیع جدا شده‌اند. زیر آن اقیانوس‌ها، در اعماق ناپیدای سیاره ما، اوضاع حتی زنده‌تر است. زمین خود را می‌جود، ذوب می‌کند و دوباره می‌سازد.

یک دوجین صفحه سرد و سخت به آرامی بر روی گوشته داغ داخلی زمین می‌لغزند و گاهی زیر یکدیگر فرو می‌روند و گاهی با هم برخورد می‌کنند. این فرآیند تکتونیک صفحه‌ای یکی از ویژگی‌های تعریف‌کننده زمین است. انسان‌ها عمدتاً آن را از طریق زمین‌لرزه‌ها و به ندرت از طریق آتشفشان‌ها تجربه می‌کنند. لاوای فعلی که از حیاط‌های هاوایی فوران می‌کند — نتیجه یک نقطه داغ گوشته عمیق — به فعالیت تکتونیکی مربوط است.

اما تکتونیک صفحه‌ای بیش از زمین‌لرزه‌ها و فوران‌ها است. موجی از تحقیقات جدید به طور فزاینده‌ای نشان می‌دهد که حرکات خارجی زمین ممکن است برای ویژگی دیگر آن یعنی حیات حیاتی باشد. اینکه زمین دارای یک پوسته خارجی متحرک و متغیر است ممکن است دلیل اصلی باشد که زمین این‌قدر زنده است و هیچ سیاره دیگری نمی‌تواند با فراوانی آن برابری کند.

کاترین هانتینگتون، زمین‌شناس دانشگاه واشنگتن می‌گوید: "درک تکتونیک صفحه‌ای کلید اصلی درک سیاره خودمان و قابلیت سکونت آن است. چگونه یک سیاره قابل سکونت می‌سازید و سپس حیات را برای میلیاردها سال روی آن حفظ می‌کنید؟ تکتونیک صفحه‌ای چیزی است که جو ما را در طولانی‌ترین مقیاس‌های زمانی تنظیم می‌کند. شما به آن نیاز دارید تا بتوانید آب را اینجا نگه دارید، آن را گرم نگه دارید و حیات را در جریان نگه دارید."

از کوه‌ها تا گودال‌ها

در سال ۲۰۱۲، کارگردان فیلم جیمز کامرون اولین کسی شد که به تنهایی تا عمق‌ترین شکاف زمین فرو رفت. او در عمق ۳۵۷۵۶ فوتی زیر سطح اقیانوس در چالنجر دیپ، یک فرورفتگی درون گودال ماریانا، که خود یک گودال بزرگ‌تر در تقاطع دو صفحه تکتونیکی است، فرود آمد. کامرون نمونه‌هایی از سراسر گودال جمع‌آوری کرد، از جمله شواهدی از حیات که در درزهای سیاره ما شکوفا می‌شود.

همان‌طور که صفحه اقیانوس آرام به درون گوشته زمین کشیده می‌شود، گرم می‌شود و آب محبوس درون سنگ را آزاد می‌کند. در فرآیندی به نام سرپنتین‌سازی، آب از صفحه حباب می‌زند و خواص فیزیکی گوشته بالایی را تغییر می‌دهد. این تغییر اجازه می‌دهد که متان و سایر ترکیبات از گوشته از طریق چشمه‌های داغ در کف اقیانوس سرد نفوذ کنند.

فرآیندهای مشابه در زمین اولیه می‌توانستند مواد خام برای متابولیسم را فراهم کنند که ممکن است به اولین سلول‌های تکثیرکننده منجر شده باشند. کامرون شواهدی از نوادگان مدرن چنین سلول‌هایی را به ارمغان آورد: مات‌های میکروبی، توده‌هایی از میکروب‌ها که در زیر تقریباً هفت مایل آب شکوفا می‌شوند، جایی که نور خورشید نمی‌تواند نفوذ کند و فشار بیش از ۱۰۰۰ برابر سطح دریاست.

کیت کلپیس، زمین‌شناس دانشگاه ورمونت می‌گوید: "این واقعاً هیجان‌انگیز است، زیرا تکتونیک صفحه‌ای را با حیات پیوند می‌دهد. به ما ایده‌هایی می‌دهد که به دنبال چه چیزی در جاهای دیگر منظومه شمسی بگردیم. به ما ایده‌ای از آنچه حیات اولیه می‌توانست در زمین باشد، می‌دهد."

شکستن پوسته زمین

اما همه چیز به این بستگی دارد که فرآیند چه زمانی شروع شد، و این یک سؤال بزرگ باز است.

زمین حدود ۴.۵۴ میلیارد سال پیش شکل گرفت و به عنوان یک توپ مذاب از سنگ شروع شد. احتمالاً برای حداقل ۱ میلیارد سال پس از شکل‌گیری آن، تکتونیک صفحه‌ای به هیچ شکلی قابل تشخیص نداشت، عمدتاً به این دلیل که سیاره تازه متولد شده بیش از حد داغ بود، گفت کریگ اونیل، دانشمند سیاره‌ای در دانشگاه مک‌کواری در استرالیا.

در آن زمان، همان‌طور که اکنون، همرفت در لایه‌های داخلی سیاره گرما و سنگ را جابجا می‌کرد. سنگ در گوشته در کوره درونی زمین فشرده و گرم می‌شود و سپس به سمت سطح بالا می‌رود، جایی که خنک می‌شود و متراکم‌تر می‌شود، فقط برای اینکه دوباره فرو برود و فرآیند را دوباره شروع کند. یک لامپ لاوا را تصور کنید.

از طریق همرفت، حرکت عمودی حتی در زمین اولیه نیز اتفاق می‌افتاد. اما گوشته در آن زمان نسبتاً نازک و "روان" بود، اونیل گفت، و قادر به تولید نیروی لازم برای شکستن پوسته جامد نبود.

کلپیس گفت: "فرورانش اتفاق نمی‌افتاد. هیچ حرکت افقی وجود نداشت. بنابراین زمانی قبل از قاره‌ها وجود داشت، قبل از اینکه اولین قاره شکل بگیرد" — زمانی قبل از خشکی، اگر بخواهید. زمین یک "درپوش ساکن" به اصطلاح داشت، بدون صفحات مختلف.

اونیل در سال ۲۰۱۶ تحقیقی منتشر کرد که نشان می‌دهد زمین اولیه ممکن است بیشتر شبیه ماه آتشفشانی مشتری، آیو، بوده باشد، "جایی که شما یک رژیم فعال آتشفشانی دارید، و حرکت جانبی زیادی وجود ندارد"، اونیل گفت. همان‌طور که سیاره شروع به خنک شدن کرد، صفحات می‌توانستند به راحتی با گوشته زیرین جفت شوند و باعث انتقال سیاره به یک دوره تکتونیک صفحه‌ای شوند.

این سوال را مطرح می‌کند که چه چیزی درپوش را شکست و آن صفحات را در وهله اول ایجاد کرد.

برخی از محققان فکر می‌کنند که یک نفوذ ممکن است چیزها را به حرکت درآورده باشد. در دو سال گذشته، چندین تیم از محققان پیشنهاد کرده‌اند که سیارک‌های باقی‌مانده از تولد منظومه شمسی ممکن است درپوش زمین را شکسته باشند. پاییز گذشته، اونیل و همکارانش تحقیقی منتشر کردند که نشان می‌دهد یک بمباران سیارکی، نیم میلیارد سال پس از شکل‌گیری زمین، می‌توانست فرورانش را با فشار ناگهانی پوسته خارجی سرد به گوشته بالایی داغ آغاز کند. در سال ۲۰۱۶، مارویاما و همکارانش استدلال کردند که سیارک‌ها همراه با انرژی ضربه خود آب تحویل می‌دادند، سنگ‌ها را تضعیف می‌کردند و حرکت صفحه‌ای را ممکن می‌ساختند.

اما ممکن است زمین نیازی به کمک نداشته باشد. فرآیند خنک‌سازی خود ممکن است درپوش را به قطعات شکسته باشد، مانند کیکی که در یک فر پخته شده خیلی داغ پخته شده است.

سه میلیارد سال پیش، زمین ممکن است در برخی مناطق فعالیت تکتونیک صفحه‌ای کوتاه‌مدت داشته باشد، اما هنوز به طور گسترده‌ای نبود. در نهایت، مناطق خنک‌تر پوسته به سمت پایین کشیده می‌شدند و پوسته اطراف را تضعیف می‌کردند. همان‌طور که این اتفاق به طور مکرر رخ می‌داد، مناطق ضعیف به تدریج به مرزهای صفحه تبدیل می‌شدند. در نهایت، آن‌ها صفحات تکتونیکی کامل را تشکیل می‌دادند که توسط فرورانش هدایت می‌شدند، طبق مقاله‌ای در سال ۲۰۱۴ در Nature توسط دیوید برکوویچی از دانشگاه ییل و یانیک ریکارد از دانشگاه لیون در فرانسه.

یا ممکن است برعکس اتفاق افتاده باشد: به جای اینکه پوسته سرد به پایین فشار بیاورد، ستون‌های گوشته داغ — مانند نوعی که فوران‌های هاوایی را هدایت می‌کنند — می‌توانستند به سطح برسند، از طریق پوسته نفوذ کنند و آن را ذوب کنند، درپوش را بشکنند. استرن و اسکات واتام از دانشگاه کره در سئول نشان دادند که چگونه این می‌تواند کار کند در یک مطالعه در سال ۲۰۱۵.

طبق این نظریه‌ها، تکتونیک صفحه‌ای ممکن است چندین بار شروع و متوقف شده باشد قبل از اینکه حدود ۳ میلیارد سال پیش شتاب بگیرد. "اگر مجبور بودید دکمه‌های همه را فشار دهید و آن‌ها را وادار کنید که یک عدد بگیرند، در جامعه یک تخمین کلی وجود دارد که حدود ۳ میلیارد سال پیش، تکتونیک صفحه‌ای شروع به ظهور کرد"، اونیل گفت.

با این حال، دانستن آن دشوار است زیرا شواهد بسیار پراکنده است.

اونیل گفت: "پوسته اقیانوسی فقط ۲۰۰ میلیون سال قدمت دارد. ما فقط شواهدی را که نیاز داریم از دست داده‌ایم. شیمی‌زمین زیادی وجود دارد که از دهه ۱۹۸۰ راه طولانی را طی کرده است، اما همان سوالات اساسی هنوز وجود دارد."

قدیمی‌ترین سنگ‌های زمین نشان می‌دهند که نوعی فرورانش اولیه تا ۴ میلیارد سال پیش اتفاق می‌افتاده است، اما این سنگ‌ها سخت به تفسیر هستند، اونیل گفت. در همین حال، بین ۳ میلیارد و ۲ میلیارد سال پیش، گوشته زمین ظاهراً چندین تغییر شیمیایی را تجربه کرده است که می‌توانند به خنک‌سازی و تغییر الگوی همرفت آن نسبت داده شوند. برخی از زمین‌شناسان این را به عنوان ضبط تدریجی شروع و گسترش صفحات تکتونیکی در سراسر سیاره می‌دانند.

برد فولی، ژئوفیزیکدان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، گفت: "پاسخ واقعی این است که ما نمی‌دانیم. ما این سنگ‌ها را داریم، اما نمی‌توانیم بفهمیم چه چیزی اسلحه دودی است که به ما می‌گوید در این زمان تکتونیک صفحه‌ای یا فرورانش وجود دارد یا قطعاً وجود نداشته است."

صفحات در سیارات دیگر

پس آیا تکتونیک‌ها برای حیات ضروری هستند؟

در نهایت، مشکل این است که ما یک نمونه داریم. ما یک سیاره داریم که شبیه زمین است، یک مکان با آب و پوسته خارجی لغزنده و لغزنده، یک مکان پر از حیات. سیارات یا قمرهای دیگر ممکن است فعالیتی شبیه به تکتونیک‌ها داشته باشند، اما چیزی نیست که نزدیک به آنچه در زمین می‌بینیم باشد.

انسلادوس، یک قمر یخ‌زده زحل را در نظر بگیرید که از شکاف‌های عجیب‌وغریب در پوسته یخی جهانی خود مواد را به فضا می‌فرستد. یا ونوس، سیاره‌ای که به نظر می‌رسد ۵۰۰ میلیون سال پیش بازسازی شده است اما هیچ صفحه‌ای که بتوانیم تشخیص دهیم ندارد. یا مریخ، که بزرگ‌ترین آتشفشان منظومه شمسی را در المپوس مونز دارد، اما تاریخ تکتونیکی آن مرموز است. المپوس مونز در یک استان بزرگ برجسته به نام ثارس قرار دارد، که آن‌قدر عظیم است که ممکن است پوسته مریخ را به اندازه‌ای سنگین کرده باشد که باعث شود قطب‌های آن سرگردان شوند.

اونیل تحقیقی منتشر کرده است که نشان می‌دهد سیاره‌ای به اندازه مریخ با آب فراوان می‌تواند به حالت تکتونیکی فعال سوق داده شود. و دیگران استدلال کرده‌اند که برخی مناطق در نیمکره جنوبی مریخ شبیه به گسترش کف دریا هستند. اما محققان توافق دارند که حداقل ۴ میلیارد سال است که هیچ فعالیتی نداشته است، که تقریباً سن پوسته آن است، طبق داده‌های مدارگردها و ربات‌های روی سطح.

فولی گفت: "برخی استدلال می‌کنند که شاید خیلی، خیلی زود، می‌توانسته تکتونیک صفحه‌ای داشته باشد، اما نظر من این است که احتمالاً هرگز نداشته است."

والس مارینریس در مریخ یک دره است که ۳۰۰۰ کیلومتر طول دارد و به عمق ۸ کیلومتر می‌رسد.

فرودگر مریخ اینسایت، که در ماه مه پرتاب شد و قرار است در ۲۶ نوامبر برسد، به حل این بحث کمک خواهد کرد. سه ابزار اینسایت هدف دارند که ضخامت و ترکیب پوسته، گوشته و هسته مریخ را اندازه‌گیری کنند و سرنخ‌های جدیدی در مورد چگونگی از دست دادن میدان مغناطیسی مریخ و اینکه آیا زمانی تکتونیک صفحه‌ای داشته است، ارائه دهند.

کلپیس گفت: "اگر بتوانیم سیارات دیگر، مانند ونوس و مریخ، و قمرهای مشتری را درک کنیم، به ما کمک می‌کند بدانیم که به دنبال چه چیزی در اینجا روی زمین بگردیم. این دلیلی برای ادامه اکتشاف سیارات دیگر است — به ما در خانه کمک می‌کند."

در حالی که منشأ تکتونیک صفحه‌ای همچنان موضوعی برای بحث است، زمین‌شناسان می‌توانند توافق کنند که در برخی مواقع، چرخ‌دنده‌ها از کار خواهند افتاد.

اونیل به این فکر افتاده است که تکتونیک صفحه‌ای را به عنوان یک مرحله میانسالی برای سیارات سنگی در نظر بگیرد. همان‌طور که یک سیاره پیر می‌شود، ممکن است از یک جهان داغ و ساکن به یک جهان گرم و تکتونیکی فعال تکامل یابد و در نهایت دوباره به یک جهان سرد و ساکن در سال‌های بعدی خود تبدیل شود. ما می‌دانیم که سیارات می‌توانند آرام شوند همان‌طور که خنک می‌شوند؛ بسیاری از زمین‌شناسان فکر می‌کنند این همان چیزی است که برای مریخ اتفاق افتاده است، که سریع‌تر از زمین خنک شد زیرا بسیار کوچک‌تر است.

زمین در نهایت به اندازه‌ای خنک خواهد شد که تکتونیک صفحه‌ای کاهش یابد و سیاره دوباره به حالت درپوش ساکن بازگردد. ابرقاره‌های جدیدی قبل از این اتفاق ظهور و سقوط خواهند کرد، اما در برخی مواقع، زمین‌لرزه‌ها متوقف خواهند شد. آتشفشان‌ها برای همیشه خاموش خواهند شد. زمین خواهد مرد، درست مانند مریخ. اینکه آیا اشکال حیات که هر شکاف آن را پوشانده‌اند هنوز اینجا خواهند بود یا خیر، سؤالی برای آینده است.

این مقاله در TheAtlantic.com بازنشر شده است.