Jordens kerne: fra mysterium til detaljerede modeller
Ny forskning antyder, at der dybt under vores fødder gemmer sig et gigantisk brintreservoir, som fuldstændig ændrer vores forståelse af vandets oprindelse på Jorden.
For første gang har forskere forsøgt at beregne, præcis hvor meget brint der kan være fanget i selve Jordens kerne. Resultatet forbløffede alle: Det svarer potentielt til titusindvis af oceaner, som ingen hidtil havde nogen idé om eksisterede.
Fra hemmelighed til videnskabelige modeller
Vores viden om planetens indre er forholdsvis ung. Det var først udviklingen af seismologien i begyndelsen af det 20. århundrede, der gjorde det muligt at "kigge ind i" Jordens tværsnit. I 1930'erne afslørede studier af seismiske bølger, at der i centrum befinder sig en fast metalkugle omgivet af et flydende lag – den indre og den ydre kerne.
Ved at analysere hastigheden på seismiske bølger kunne forskerne beregne densiteten i disse dybe zoner. Da man sammenlignede disse data med sammensætningen af metalliske meteoritter, tegnede der sig et relativt enkelt billede: kernen består primært af jern og nikkel. Med tiden blev det dog klart, at det ikke var nok til at få densitetsværdierne til at stemme. Der manglede noget lettere.
Siden 1960'erne har geofysikere haft mistanke om, at kernen også må indeholde lette grundstoffer: svovl, silicium, ilt, kulstof og måske brint. Problemet er, at det er umuligt at nå direkte ned til kernen, så alt baserer sig på indirekte spor og yderst præcise målinger.
Nye laboratorieeksperimenter viser, at Jordens kerne kan indeholde så meget brint, at det ville være nok til mellem 9 og 45 oceaner.
Hvorfor brint i kernen er så svær at måle
Brint er det letteste og mindste af alle grundstoffer. Det trænger ind i mineraler, bevæger sig let rundt og er svært at "fange" i målinger. I studier af Jordens struktur fungerer det som støj i svage datasæt: enkelte procenter eller brøkdele af en procent i masse gør en enorm forskel, men er vanskelige at fastslå præcist.
Hertil kommer endnu en udfordring: alle data om kernen er indirekte. Forskerne baserer sig på:
- registreringer af seismiske bølger efter jordskælv,
- målinger af planetens tyngdekraft og inertimoment,
- højtryksforsøg på prøver af metaller og bjergarter,
- sammenligninger med meteoritter, der betragtes som "fragmenter af det tidlige Solsystem".
Ud fra så spredte kilder skal man sammenstykke et sammenhængende billede. Hvert nyt eksperiment, der blot lidt bedre efterligner forholdene 3–5 tusinde kilometer under os, er uvurderligt.
Sådan genskabte man Jordens kerne i laboratoriet
I den nyeste forskning valgte geofysikere at tackle gåden direkte: de tog en jernlegering svarende til kernens sammensætning samt et materiale, der efterligner et urtidigt magmaocean, og undersøgte derefter, hvordan grundstofferne fordelte sig mellem dem under ekstreme forhold.
Til dette formål var der brug for diamantceller – specialiserede apparater, hvor to modsatrettede diamanter klemmer mikroskopiske prøver sammen under tryk på hundredvis af gigapascal. Derudover opvarmede forskerne materialet med en laser til cirka 4.800 grader Celsius, altså temperaturer tæt på dem i vores planets kerne.
Eksperimentet drejede sig om to centrale ingredienser:
| Bestanddel | Rolle i eksperimentet |
|---|---|
| Jernlegering svarende til kernen | Simulerer Jordens metalliske kerne |
| Silikatglas med vand | Efterligner det ældgamle magmaocean med brintforbindelser |
Når forholdene var stabiliseret, anvendte forskerne en teknik kaldet atomsonde-tomografi. Den gør det muligt at "se" prøvens sammensætning næsten atom for atom i tre dimensioner. Dermed kunne man tælle præcis, hvor meget silicium, ilt og brint der befandt sig i den metalliske del, og hvor meget der var i silikatdelen.
Hvor meget brint kan der være i Jordens kerne
De indsamlede data viser, at kernen kan indeholde mellem 0,07 og 0,36 procent af sin masse som brint. Det lyder måske ubetydeligt, men i planetær målestok er det et astronomisk tal. Holdet beregnede, at dette svarer til den mængde brint, der ville være nødvendig for at danne mellem 9 og 45 oceaner med et volumen sammenligneligt med nutidens verdenshav.
En brøkdel af en procent brint i kernen svarer til et vandreservoir større end alle nuværende oceaner tilsammen.
Dette "skjulte" reservoir betyder naturligvis ikke, at der skvulper have derinde under os. I planetens dyb er brinten bundet i metalstrukturer under enormt tryk. Pointen er, at netop denne mængde brint endte i kernen under planetens dannelse, når man ser på Jordens samlede skala.
Vandets oprindelse på Jorden: to konkurrerende scenarier
I årevis har der eksisteret to primære hypoteser om, hvor Jordens vand stammer fra:
- Vandet opstod sammen med Jorden, da den unge planet samlede stof rigt på flygtige forbindelser,
- den største del af vandet ankom senere med kometer og asteroider i form af et "regn" af kosmiske projektiler.
Hvis kernen kan rumme brint svarende til titusindvis af oceaner, passer det langt bedre med det første scenarie. Det forudsætter, at der i Jordens tidlige historie fandtes et kæmpe magmaocean, som allerede indeholdt brint og ilt. En del af denne blanding endte i planetens dybeste lag, da kernen og mantlen skiltes ad.
I det scenarie, hvor vandet primært stammer fra senere kometnedfald, burde brinten overvejende dominere i de ydre lag – i skorpen og mantlen. Eksperimentets resultater peger imidlertid på en betydelig andel brint i selve kernen. Det er et stærkt argument for, at Jorden "medbragte" størstedelen af sit vand allerede ved sin fødsel.
Hvad denne brint ændrer i vores forståelse af Jorden
Hvis kernen indeholder væsentlige mængder brint, må mange af de hidtidige modeller revideres. Brint påvirker nemlig:
- densiteten af jern-nikkel-legeringen ved højt tryk,
- smeltepunktet og viskositeten af den flydende ydre kerne,
- den termiske og elektriske ledningsevne inde i planeten,
- måden, hvorpå geodynamo'et fungerer – det der er ansvarligt for Jordens magnetfelt.
Magnetfeltet fungerer som et skjold, der beskytter overfladen mod solvind og højenergitiske partikler. Enhver ændring i kernens modeller påvirker dermed også prognoserne for stabiliteten af dette beskyttende "felt" over meget lange tidsskalaer.
Forbindelsen til jagten på beboelige planeter
De nye resultater har betydning langt ud over vores egen planet. Astronomer er i stigende grad i stand til at opdage stenede exoplaneter, men det er meget svært at vurdere, om de har vand, og om de er i stand til at fastholde det i milliarder af år. Hvis vand i stor udstrækning kan "gemme sig" i en kerne, må man tage højde for et sådant skjult reservoir, når man modellerer fjerne planeter.
Det kan ændre estimaterne for, hvor mange himmellegemer der faktisk har mulighed for at opretholde oceaner på overfladen i lang tid. En planet uden vand i skorpen behøver ikke nødvendigvis at være fuldstændig tør – en del af ressourcen kan være sunket dybt ned mod midten, præcis som de nyeste data antyder i Jordens tilfælde.
Usikkerheder og næste skridt i forskningen
Forskerne bag studiet understreger selv, at deres resultat bør betragtes som et første, stadig uskarpt billede. Eksperimenter under så ekstreme forhold er altid behæftet med risiko for fejl: prøverne er mikroskopiske, og enhver fejl i kalibreringen af laser eller sensorer kan forrykke resultatet.
Derfor har andre hold af geofysikere allerede annonceret egne eksperimenter med forskellige jernlegeringssammensætninger, andre temperaturer og tryk. Hvis uafhængige målinger peger på lignende brintindhold, vil hypotesen om en "vandig" kerne vinde betydeligt mere styrke.
For almindelige mennesker kan det lyde overraskende, at vi stadig ved så lidt om Jordens dybeste lag. Men grænsen mellem mantlen og kernen ligger langt dybere end ethvert havdyb, og forholdene dér er umulige at genskabe fuldstændigt. Netop derfor baserer geofysikken sig på en familie af forskellige metoder, der gensidigt bekræfter eller korrigerer hinanden.
Hvad den almindelige læser kan tage med fra dette
Spørgsmålet om brint i kernen forbinder flere emner, der taler vi stadig mere om: klimaforandringer, den langsigtede stabilitet af forholdene på Jorden og mulighederne for liv uden for Solsystemet. Måden, en planet opsamler og lagrer vand på, afgør, om den kan opretholde oceaner, en atmosfære og i sidste ende en biosfære i milliarder af år.
I praksis kan man betragte sådanne studier som en fortælling om Jordens "forsikring". Hvis en del af vandet er gemt dybt nede, bliver det planetariske system mere robust over for tab af vand fra overfladen – for eksempel som følge af intensiveret stråling fra stjerner. Omvendt kan et stort reservoir i midten under bestemte betingelser langsomt forsyne de øvre lag med nye portioner vand.
For videnskaben er det en opfordring til endnu stærkere at kombinere data fra Jordens indre fysik, astronomi og planetarisk kemi. Jo bedre vi forstår, hvordan vores planet forvalter vand fra kerne til atmosfære, jo lettere bliver det at vurdere, hvor uden for Jorden der kan eksistere lignende, langvarige livsoaser.