زمین همچون یک دینام - 1

والتر ام. الزاسر
چکیده: چرا زمین آهنرباست؟ در حال حاضر بهترین پاسخ این است که جریان کند ماده در هستة سیال زمین جریان‌های الکتریکی تولید می‌کند و این به نوبة خود یک میدان مغناطیسی به وجود می‌آورد.
از زمانی که ویلیام گیلبرت، نابغة علم دوران الیزابت اول، برای نخستین بار نشان داد که کل زمین هم‌چون یک آهنربای غول‌آسا عمل می‌کند، مسئلة تبین خاصیت مغناطیسی زمین مطرح بوده است. از آن‌جا که منبع اصلی میدان مغناطیسی بدون شک در اعماقی از زمین واقع است که برای همیشه از حیطة تحقیق مستقیم ما دور می‌ماند، ممکن است این مسئله تا مدت‌های طولانی دیگر نیز همچنان مطرح باشد. ولی به تدریج که دربارة فیزیک و دربارة خواص سیارة خودمان بیشتر می‌آموزیم، به نظریه‌ای معقول که بر اصول منسجم فیزیکی استوار و با واقعیات شناخته شده سازگار باشد، نزدیک و نزدیکتر می‌شویم. در این مقاله می‌خواهم از چندکار جدید که در مورد این مسئله صورت گرفته است سخن بگویم. این کارها به ما اطمینان می‌دهند که اکنون در مسیر درستی گام برمی‌داریم.
گیلبرت گمان می‌کرد که ممکن است این میدان را تودة عظیمی ـ در درون زمین ـ که خاصیت مغناطیسی دائمی دارد به وجود آورده باشد. این ایده مدت‌ها پیش، هنگامی که معلوم شد دمای درون زمین بسیار بیش از آن است که ماده‌ای بتواند در آن خاصیت مغناطیسی‌اش را حفظ کند، کنار گذاشته شد. از آن پس فیزیک‌دان‌ها تا مدت‌ها از توضیح میدان مغناطیسی زمین عاجز بودند تا آن‌که جستجو برای یک فرایند کیهانی که مولد مغناطیس باشد، متداول شد؛ فرایندی که آشکارسازی آن در آزمایشگاه ممکن نبود ولی در مورد اجرام بزرگ چرخانی مثل سیاره‌ها و ستاره‌ها عمل می‌کرد. طرف‌دار عمدة این خط فکری در عصر حاضر بلاکت، فیزیکدان نامی انگلیسی، بوده است. اما اکنون او و هم‌فکرانش چنین نظراتی را کنار گذاشته‌اند زیرا شواهد اختر فیزیکی به وضوح کامل نشان می‌دهند که خاصیت مغناطیسی ستاره‌ها با هیچ طرح معقولی که دربردارندة قانون بنیادی جدیدی باشد، وفق نمی‌دهد.
لذا ما به فرایند ساده و آشنایی باز می‌گردیم که هر روز با آن میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌کنیم ـ یعنی استفاده از جریان‌های الکتریکی. وقتی الکتریسته در یک میلة آهنی جریان می‌یابد خاصیت مغناطیسی در آن القا می‌کند. اما لازم نیست مادة مغناطیسی شده حتماً جامد باشد. می‌دانیم که الکتریسته قادر به ایجاد میدان مغناطیسی در یک گاز (یا سیال) نیز هست. چنین پدیده‌هایی اخیراً تحت عنوان مغناطوهیدرودینامیک مورد مطالعة بسیار قرار گرفته‌اند. حال ببینیم آیا مغناطوهیدرودینامیک قادر به توضیح وجود میدان مغناطیسی زمین هست؟
مقدمتاً باید فرض کنیم که در هستة زمین جریان‌های الکتریکی وجود دارند. احتمال دارد این جریان‌ها در اصل از پاره‌ای بی‌نظمی‌های شیمیایی حاصل شده باشند که بارهای الکتریکی را تفکیک کرده و به این ترتیب فرایندی نظیر آنچه در باتری انجام می‌گیرد به وجود آورده‌اند که باعث ایجاد جریان‌های ضعیفی شده است. اما چگونگی ایجاد این جریان‌ها کم اهمیت‌تر از این سؤال است که چطور چنین جریان‌هایی می‌توانند پیوسته تولید شوند و افزایش یابند تا میدان مغناطیسی دائمی زمین را تأمین کنند. احتیاجی نیست زیاد دنبال فرایندی که چنین می‌کند بگردیم، چون که این همان اصل آشنای دینام است.
دینام انرژی حرکت مکانیکی را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این حرکت ممکن است حرکت نسبی بین یک پیچک و یک ماده فرومغناطیسی یا بین دو پیچک (رسانای الکتریکی دیگر) باشد. ساده‌ترین نمونه از چنین دستگاهی، دینام قرصی است که مایکل فاراده آن را اختراع کرده است. فاراده یک قرص مسی را بر محوری سوار کرد و آن‌را در حالی که یک آهنربای میله‌ای در زیر و نزدیک لبة خارجی‌اش قرار داشت به چرخش درآورد.حرکت رسانا در میدان مغناطیسی آهنربا، همان طور که در شکل دیده می‌شود، جریان ضعیفی در قرص القا می‌کند. حال می‌توانیم جای میلة مغناطیسی را با یک پیچک عوض کنیم و این بار هم، به شرطی که از قبل جریانی در پیچک باشد، به همان ترتیب جریانی در قرص القا خواهد شد. و اگر جریان القا شده درقرص را به پیچک برسانیم، یک دستگاه خودکفا خواهیم داشت که به آسانی با چرخش قرص جریان الکتریکی تولید می‌کند. این دقیقاً همان اصلی است که مولدهای کارخانة برق بر پایة آن عمل می‌کنند.
قرص فاراده به تنهایی قادر به تأمین جریان برای مدت زمان طولانی نیست، چون جریان القا شده در قرص آن‌قدر ضعیف است که در مدت کوتاهی در اثر مقاومت رسانا تلف می‌شود. اگر ماده‌ای می‌داشتیم که می‌توانست الکتریسته را هزار بار بهتر از مس هدایت کند، دستگاه به راستی یک جریان خودنگهدار تولید می‌کرد. با چرخاندن خیلی سریع قرص نیز می‌توانیم ادامة جریان الکتریکی را ممکن سازیم، اما این هم فقط یک راه حل نظری است، چون سرعت لازم خیلی فراتر از حدود ممکن است. اما راه سومی هم برای خود نگهدار کردن چنین دینامی هست، که ارتباط مستقیمی با مسئلة ما در مورد تبیین میدان مغناطیسی زمین دارد. تنها کاری که باید بکنیم این است که ابعاد دستگاه را بزرگتر بگیریم: از نظریه چنین برمی‌آید که هرقدر چنین دینامویی بزرگتر باشد بهتر کار خواهد کرد. اگر می‌توانستیم چنین دستگاهی از پیچک و قرص را در مقیاس چندین کیلومتر بسازیم، در خود نگهدار کردن جریان‌ها اشکالی نداشتیم. و هرچه آن را بزرگتر می‌ساختیم، به سرعت دوران کمتری نیاز می‌بود. اگر این قرص قطری برابر با قطر زمین می‌داشت، لبة بیرونی آن هر چقدر آهسته هم که دوران می‌کرد، باز هم یک دینام می‌داشتیم. بنابراین، برای حفظ جریان‌های الکتریکی خودنگهدار در درون زمین مکانیسم موجهی داریم. حال نگاهی به درون زمین بیندازیم و ببینیم آیا چنین جریان‌هایی واقعاً می‌توانند در آنجا تولید شوند.
مطالعة سیر امواج زمین لرزه در درون زمین واقعیات مسلمی را در مورد ساختار داخلی و اجزاء تشکیل‌دهندة آن به دست می‌دهد. قبل از هر چیز می‌دانیم که زمین هستة مشخصی به قطر 6960 کیلومتر، یعنی کمی بیش از نصف کل قطر زمین، دارد. هم‌چنین می‌دانیم که این هسته سیال است*، بنابراین ممکن است در حرکت باشد ـ و این یکی از شرایط ضروری برای مدل دینامی است که دربارة آن بحث کردیم. و بالاخره، تقریباً یقین داریم که مادة اصلی هستة زمین آهن است: احتمالا از آلیاژ آهن ـ نیکل با مقداری ناخالصی‌‌های حل شده در آن‌ها تشکیل شده است. بدین‌سان، یک فلز یا آلیاژ مذاب درون زمین را پر کرده است. هسته در عین اینکه یک رسانای الکتریکی خوب است، سیالی است که حرکت در آن به آسانی صورت می‌گیرد. به بیان دیگر، هسته دقیقاً همان وسیله‌ای است که برای دینامی از نوع فاراده به آن نیاز داریم. این کیفیت هسته، هم حرکت مکانیکی و هم جریان الکتریسته را ممکن می‌سازد و برهم کنش این‌ها می‌تواند جریان‌های خودنگهدار و خاصیت مغناطیسی را ایجاد کند.
*امروزه اعتقاد بر این است که بخش درونی هسته جامد است و فقط بخش بیرونی آن (برون هسته) حالت سیال دارد.