قبل نحو 4.6 مليار سنة، كان كوكب الأرض مكانًا مختلفًا تمامًا عما نعرفه اليوم. لم تكن الأرض كتلة صلبة مستقرة بل كانت عالَمًا من الحمم البركانية المشتعلة، ومُحيطة بمحيط ضخم من الصهارة (مagma ocean) تمتد على معظم سطحها. في تلك المرحلة المبكرة، كانت درجات الحرارة مرتفعة بشكلٍ تجاوز قدرة الماء السائل على البقاء، مما يعني غياباً شبه كامل للماء فوق السطح. رغم هذه الظروف المتطرفة، نجحت الأرض في الحفاظ على كميات ضخمة من “water” الضروري للحياة، والتي ظهرت على شكل محيطات تغطي حوالي 70% من كوكبنا حالياً. السؤال الكبير الذي شغل علماء الجيولوجيا والفيزياء الأرضية لسنوات طويلة هو: كيف استطاعت الأرض أن تصمد أمام هذه النيران التدميرية، وتحافظ على كميات كبيرة من الماء؟

جدول المحتويات

تكشف أحدث الدراسات أن المياه، بدلاً من أن تختفي أو تتبخر في تلك المرحلة الساخنة، قد اختبأت في مكان عميق داخل الأرض، في ما يسمى بـ “deep mantle water reservoir” أو خزان الماء في الوشاح الأرضي العميق، مستترة داخل معادن كانت تتشكل مع تبريد الأرض. هذا الاكتشاف غير المعتاد يفتح آفاقاً جديدة لفهم الطريقة التي تطورت بها الأرض لتصبح كوكب الحياة الأزرق الذي نعرفه اليوم.

الأرض كمصهر ناري (Molten Earth) وكيف تغيرت

كانت الأرض في بداياتها أشبه بفرن عملاق مشتعل، حيث تشير البيانات الجيولوجية إلى وجود محيط صهارة عالمي يمتد لآلاف الكيلومترات بعمق القشرة الأرضية. في هذه الحالة، درجات الحرارة كانت مرتفعة للغاية، تزيد على 4100 درجة مئوية في بعض الأماكن، مما يعني أن الماء السائل كان من المستحيل أن يتواجد على السطح. كل ما كان على الأرض وقتها هو بخار الماء الغني داخل الغلاف الجوي الأولي الذي تشكل من تكسر الصخور الساخنة، وكمية هائلة من السوائل الحارة.

لكن مع مرور الزمن، ومع تبريد الأرض وتبلور المعادن فيها، بدأت القشرة الصلبة في التشكل، وتشكلت طبقات الوشاح العميق، حيث بدأت المعادن تتحول من الحالة المنصهرة إلى الحالة الصلبة. هذه العملية لم تكن مجرد تحوّل فيزيائي فحسب، بل شكلت منعطفاً حاسماً في قدرة الأرض على تخزين وحفظ الماء.

الخزان المائي الخفي في الوشاح الأرضي (Water Storage in the Mantle)

في الدراسة الحديثة التي قادها البروفيسور Zhixue Du من معهد جيوكيمياء غوانغتشو في الأكاديمية الصينية للعلوم، تم اكتشاف قدرة معدن “bridgmanite” في الوشاح العميق للأرض على الاحتفاظ بكميات غير متوقعة من الماء.

Bridgmanite هو أكثر المعادن شيوعًا في الوشاح الأرضي السفلي، ويتميز ببنية بلورية تسمح له بإذابة جزيئات الماء داخل نفسه على المستوى الذري. في غضون التجارب المصممة بعناية لتقليد الظروف القاسية للوشاح العميق (بما في ذلك ضغط يصل إلى ما يزيد عن 660 كيلومتر تحت السطح ودرجات حرارة تصل إلى 4100 درجة مئوية)، تمكن العلماء من الكشف عن أن bridgmanite لا يحتفظ فقط بكميات صغيرة من الماء وإنما يمكن أن يكون “microscopic water container” يحوي كميات كبيرة من الماء مقاسة بملايين الجزيئات النانوية.

هذه المياه المختزنة في النحاس العميق قد تجمعت منذ تكوين الأرض، واحتفظت بها خلال مئات الملايين من السنين، مكونة مستودعًا مائيًا أكبر بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. بحسب النماذج الفيزيائية التي بنيت على نتائج هذه التجارب، يمكن لخزان الماء هذا أن يحتوي كمية من المياه تصل إلى تساوي ما بين 0.08 إلى 1 مرة حجم محيطات الأرض الحالية، مما يعني أن الأرض قد أخفت في داخلها محيطاً سريًا من الماء.

أهمية الماء في الديناميكية الأرضية (Water and Earth’s Geodynamics)

الماء الموجود في الوشاح الأرضي لا يقتصر فقط على كونه خزانًا ساكنًا، بل يلعب دورًا فعالًا كمحفز لعمليات داخل الأرض. إذ يقلل الماء من نقطة ذوبان الصخور ويؤثر على لزوجة الصخور، مما يجعل حركة الوشاح أكثر نشاطًا وسلاسة، وهو ما يعرف بـ mantle convection.

هذه الحركة داخل الوشاح هي المحرك الرئيسي لظاهرة حركة الصفائح التكتونية (plate tectonics)، التي تشكل القشرة الأرضية وتحدث الزلازل والبراكين، وتلعب دورًا في إعادة تدوير المركبات الكيميائية والمواد من باطن الأرض إلى سطحها وبالعكس. في هذا السياق، يعمل الماء المخزون داخل الوشاح كنوع من “lubricant” أو المزلق الذي يحفظ حيوية المحرك الداخلي للأرض على مدى مليارات السنين.

الماء ومصدر المحيطات الأولى والغلاف الجوي

لم يكن الماء في الوشاح ثابتًا فقط، بل تم إطلاقه تدريجيًا خلال الزمن عن طريق النشاط البركاني والبراكين، حيث يخرج الماء من داخل الأرض على شكل بخار عبر الفوهات البركانية، ثم يتكثف ليشكل المحيطات والأنهار والغلاف الجوي الغني بالبخار والماء السائل الذي نراه اليوم.

هذه العمليات المهمة ساعدت في تكوين البيئة الصالحة للحياة، مما خلق الظروف التي أصبح بموجبها كوكب الأرض مكانًا قابلًا للسكن بعد ملايين السنين من الحرائق والكوارث. وبهذا، فإن خزان الماء العميق لعب دورًا كبيرًا في المركب الجيولوجي والكيميائي الذي سمح بظهور الحياة على الأرض.

التكنولوجيا والاعتبارات البحثية

تعتمد هذه الاكتشافات على أدوات تحليل فائقة الدقة مثل diamond anvil cell، جهاز يمكنه محاكاة الضغط العالي جدًا الموجود في الوشاح العميق، إلى جانب تقنية laser heating لإعادة خلق درجات الحرارة المرتفعة، وتقنيات تصوير وتحليل متطورة مثل NanoSIMS وatom probe tomography (APT)، التي تسمح بمشاهدة وتحديد وجود الجزيئات على مستوى ذري داخل العينات المعدنية.

هذه التقنيات الحديثة هي التي أحدثت ثورة في فهمنا لكيفية تخزين الماء داخل الأرض، بدلاً من افتراض أن الماء قد فُقد بالكامل أثناء مراحل التبريد المبكرة هذا ما كان يشير إليه المفهوم التقليدي عن الترابيطة الجيولوجية للوشاح الأرضي، حيث كان يُعتقد قديمًا أن الوشاح السفلي جاف تقريبًا.

الخاتمة

تكشف أحدث الأبحاث أن الأرض كانت تتمتع بخزان مائي مخفي عميق داخل وشاحها، محفوظ داخل تركيب معدن الـ bridgmanite، مما مكّنها من الصمود أمام نيران كوكبية شاملة وحالة مصهر الحمم البدائية التي عاشت فيها. هذا “hidden water vault” كان عاملاً حاسماً في تحول الأرض من كوكب ناري عدائي إلى كوكب أزرق مزود بالمحيطات والأنهار، مهيأ لولادة وهبوط الحياة.

فهم هذه الديناميكية العميقة لا يزودنا بمعرفة أصل الماء فقط، بل يعمق فهمنا لدور الماء في تسيير الحركات التكتونية الأرضية والمحافظة على ديناميكية الجيولوجيا بكوكبنا. من خلال تسليط الضوء على هذا الـ water reservoir السري تحت أقدامنا، نعيد اكتشاف الأرض ككوكب حي، يحتضن أسرارًا عميقة تساعد في دعم نظامه البيئي وصموده أمام أصعب الظروف.

هذا الاكتشاف يفتح أمام العلم بابًا جديدًا من البحث في المجالات المتعلقة بالجيولوجيا والكيمياء الأرضية، ويزيد من فهمنا لكيفية تطور الكواكب الصخرية الأخرى، وربما يدفعنا لإعادة التفكير في إمكانية وجود “hidden water vaults” في كواكب وأجرام سماوية أخرى.

للمزيد من الفهم حول Earth’s mantle, magma ocean, and planetary water cycles، يبقى هذا الموضوع من أكثر المجالات العلمية التي تشهد تطورات متسارعة تستند إلى أدوات وتقنيات حديثة قادرة على فك شفرة أسرار الأرض الداخلية.