زمین همچون یک دینام - 2

تا اینجا نکات مهمی مطرح شدند و اکنون به شرح مهم‌ترین شاهد می‌پردازیم. ماهیت میدان مغناطیسی زمین خود به تنهایی قوی‌ترین استدلال برای نظریة دینام است.طی سال‌های متمادی ژئوفیزیک‌دان‌ها پی برده‌اند که میدان مغناطیسی زمین نامنظم است و دائماً تغییر می‌کند. عقربة قطب‌نما دقیقاً شمال را نشان نمی‌دهد و از شمال واقعی مقداری منحرف می‌شود که این مقدار در نقاط مختلف زمین متفاوت است. مثل این می‌ماند که گرداب‌هایی در میدان مغناطیسی زمین وجود داشته باشند. این‌ها به معنی درست کلمه گرداب‌اند، زیرا به مرور زمان تغییر می‌کنند. دریانوردان و خلبانان که در کارشان از نقشه‌های مغناطیس استفاده می‌کنند خیلی خوب می‌داند که این نقشه‌ها را باید هرچند سال یکبار عوض کرد. نه تنها میدان در نوسان است، بلکه آهنگ تغییرات آن نیز در زمان‌های مختلف فرق می‌کند.
به‌علاوه، حتی شدت کل میدان زمین نیز ثابت نیست. طی چند سالی که اندازه‌گیری‌های دقیق میدان مغناطیسی به عمل می‌آید، شدت آن به 5 درصد کاهش یافته است. لزومی ندارد نگران این باشیم که مثلا در سال 4000 میلادی مردم هنگام دریانوردی قادر به استفاده از قطب‌نماهای مغناطیسی نخواهند بود. شواهدی در دست است که نشان می‌دهد در چند سال اخیر آهنگ کاهش شدت میدان کندتر شده و ممکن است در آیندة نزدیک با افزایش شدت میدان روبه‌رو شویم. بالاخره می‌دانیم که قطب شمال مغناطیسی در طی زمان زمین‌شناختی در حوالی شمالگان سرگردان بوده است و اکنون درست در شمال کانادا نزدیک مدار 70 درجه قرار دارد.
تمام این‌ها دقیقاً چیزهایی هستند که بر مبنای نظریة دینام باید انتظارشان را داشته باشیم. شواهد بسیاری نشان می‌دهند که هستة زمین در حرکت است و بی ثباتی و تغییرات میدان مغناطیسی باید نتیجة این حرکت‌ها باشد. به این ترتیب تکه‌های این تصویر درهم ریخته باهم جور می‌شوند. علم لرزه‌شناسی به ما می‌گوید که هستة زمین سیال است؛ مطالعة میدان مغناطیسی وجود حرکت‌هایی را در آن تأیید می‌کند. در واقع با اندازه‌گیری تغییرات میدان مغناطیسی می‌توان سرعت این حرکات را محاسبه کرد. معلوم می‌شود که مواد سازندة هسته با سرعتی حدود یک صدم اینچ بر ثانیه حرکت می‌کنند و این بدان معنی است که در طول چند قرن یک ذره می‌تواند بخش بزرگی از هسته را بپیماید. بنابراین، تغییرات میدان مغناطیسی که ما در سطح زمین شاهد آن‌ها هستیم، به معنی واقعی، چیزهایی در مورد آنچه در اعماق زمین می‌گذرد، به ما می‌گویند.
اکنون این سؤال پیش می‌آید که منبع انرژی این حرکات چیست؟ تاکنون پاسخ قاطعی به دست نیاورده‌ایم. بعضی از دانشمندان بر این عقیده‌اند که جریان یافتن گرما از مرکز زمین به سمت بیرون منجر به ایجاد جریان‌های هم‌رفتی در هسته می‌شود، همان‌طور که با حرارت دادن زیر یک کتری آب این عمل صورت می‌گیرد. تفاوت‌های جزئی در ترکیب شیمیایی بخش‌های مختلف هسته نیز حرکات آهسته در سیال ایجاد می‌کند، همان‌طور که تفاوت مقدار نمک در اقیانوس‌ها، این عمل را باعث می‌شود. یا ممکن است، همان‌طور که هارولدیوری از دانشگاه شیکاگو اظهار داشته است، درون زمین چون هنوز به حالت تعادل نرسیده است، در حال تغییر و جنبش باشد. در هر صورت، حرکت در هستة زمین وجود دارد. موضوع دیگری هم هست که می‌توانیم آن را با اطمینان اظهار کنیم: محاسبات نشان می‌دهند که انرژی لازم بری حفظ حرکت در هستة زمین به نحو شگفت‌انگیزی کم است.
نظریة دینام برای توضیح میدان مغناطیسی زمین از دو نکتة اساسی که به نظر خیلی محرز می‌رسند، نتیجه می‌شود: وجود یک هستة متشکل از فلز مذاب و وجود حرکت در این هسته. به فرض دیگری نیاز نیست. از این نکات و فقط با به کار بردن قوانین فیزیک کلاسیک که بیش از 100 سال است شناخته شده‌اند و مورد تردید نبوده‌اند، می‌توان میدان مغناطیسی را نتیجه گرفت. اما استدلال روی هم رفته ساده و سرراست نیست: چند مسئلة دشوار وجود دارد که باید به آن‌ها پاسخ داد.
فرض کنیم یک ماهی‌تابه داریم به قطر مثلا سی سانتی‌متر. آن را از جیوه پر می‌کنیم و از زیر حرارت می‌دهیم. به طور یقین در جیوه همرفت حرارتی خواهیم داشت. اما هر قدر هم قوة تخیل را زیاد کنیم، نمی‌توانیم انتظار مشاهدة هیچ جریان الکتریکی یا خاصیت مغناطیسی را در ظرف داشته باشیم. اکنون ظرف جیوة ما شباهت زیادی به هستة مایع زمین دارد و ما غالباً از این‌گونه مدل‌ها برای بررسی حرکات سیال به نحو رضایت‌بخشی استفاده می‌کنیم: به عنوان مثال کشتی مدل در یک حوضچه یا مدلی از یک هواپیما در تونل باد. پس اشکال مدلی که برای هستة زمین در نظر گرفته‌ایم چیست؟ پاسخ این سؤال با یک تحلیل ریاضی روشن می‌شود. ناتوانی مدل از آنجاست که کوچک (یا بزرگ) شدن مقیاس فرآیندهای الکتریکی و حرکات مکانیکی به یکسان صورت نمی‌گیرد.
اگر در آزمایشگاه جریان برق یک پیچک را ناگهان قطع و پیچک را آناً به یک نوسان‌نما (اسیلوسکوپ) وصل کنیم، در می‌یابیم که توقف جریان یکباره اتفاق نمی‌افتد بلکه کسر کوچکی از ثانیه طول می‌کشد، که آن را «زمان فروافت» می‌نامند. یک جریان گردشی در جیوة تابة ما، زمان فروافتی حدود یک صدم ثانیه خواهد داشت. حالا همچنان که اندازة ظرف را بزرگتر می‌گیریم به این نکتة جالب و شگفت‌انگیز پی خواهیم برد که زمان فروافت، به طور نامتناسبی افزایش می‌یابد: در واقع، متناسب با مجذور افزایش قطر ظرف زیاد می‌شود. در ظرفی که 10 بار بزرگتر از ظرف اول باشد، زمان فروافت جریان 100 برابر بیشتر خواهد بود. محاسبه نشان می‌دهد یک جریان الکتریکی که در هستة زمین گردش می‌کند بعد از حدود 10000 سال از بین خواهد رفت. ده هزار سال کافی است تا حرکت‌های درون سیال، هر چقدر هم که کند باشند، بتوانند این جریان و میدان مغناطیسی مربوط به آن را به «اطراف بپراکنند».
می‌توانیم مجسم کنیم که این فرایند نفوذ به اطراف چگونه می‌تواند مولد جریان‌های الکتریکی جدیدی باشد و میدان‌های مغناطیسی را تقویت کند. اکنون فقط این میدان‌های مغناطیسی را بررسی می‌کنیم. می‌توانیم خطوط میدان را به صورت رشته‌های باریک بسیاری تصور کنیم که با حرکت ذرات در سیال رانده و کشیده می‌شوند: این حرف‌ها خیال‌پردازی نیست بلکه توصیف واقعی چیزی است که صورت می‌گیرد. فرض می‌کنیم دسته‌ای از ذرات سیال که با سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند، برخی از خطوط نیرو را که راستند، از پهلو بکشند. قسمت پایین این رشته‌ها، یعنی محلی که ذرات سریعتر حرکت می‌کنند، از قسمت بالایی بیشتر کشیده می‌شود و لذا رشته‌ها از هم باز می‌شوند. در این فرآیند از هم بازشدن، رشته‌ها انرژی کسب می‌کنند.این انرژی از حرکت ذرات حاصل می‌شود. به کمک محاسبه می‌توان نشان داد که این فرآیند اساسی تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و مغناطیسی ـ که ماهیتاً با عملکرد دینام تفاوتی ندارند ـ به نحو رضایت‌بخشی جریان‌های الکتریکی و خاصیت مغناطیسی هستة زمین را توضیح می‌دهد.
اگر هسته در آغاز پیدایش زمین در بردارندة هیچ جریان الکتریکی نبوده، به واسطة نوعی فرآیند، از نوع فرآیندی که در باتری‌های شیمیایی رخ می‌دهد، خیلی زود جریان‌های ضعیفی را دارا شده است. این جریان‌های ضعیف به سرعت توانسته‌اند، با نفوذ به اطراف که نتیجة حرکت سیال است، تقویت شوند و این تقویت تا رسیدن به حالت تعادل ادامه یابد. از آن پس، هسته جریان‌های الکتریکی خودتقویت‌کن داشته و زمین صاحب یک میدان مغناطیسی دائمی شده است.