En skjult brintreserve dybt inde i Jordens kerne
Nye forskningsresultater antyder, at der gemmer sig et gigantisk brintlager langt under vores fødder – og at det fundamentalt ændrer vores forståelse af, hvor vandet på Jorden egentlig kommer fra.
For første gang har forskere estimeret, hvor meget brint der faktisk kan være fanget i selve Jordens kerne. Svaret overraskede alle: der er potentiale for snesevis af oceaner, som ingen hidtil har haft nogen forestilling om.
Fra dybhavsmystik til detaljerede kernmodeller
Viden om Jordens indre er forholdsvis ny. Først da seismologien blomstrede op i begyndelsen af det 20. århundrede, fik videnskaben mulighed for at "kigge ind" i planeten i tværsnit. I 1930'erne afslørede analyser af seismiske bølger, at der i centrum befinder sig en hård metalkugle omgivet af et flydende lag – henholdsvis den indre og den ydre kerne.
Ved at beregne hastigheden af seismiske bølger kunne forskerne udlede 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. Men med tiden blev det klart, at det ikke var nok til at forklare densitetsværdierne. Der manglede noget lettere.
Siden 1960'erne har geofysikere mistænkt, at kernen også indeholder lette grundstoffer som svovl, silicium, oxygen, kulstof – og måske brint. Problemet er bare, at man ikke kan nå direkte ned til kernen, så alt bygger på indirekte spor og meget præcise målinger.
Nye laboratorieeksperimenter viser, at Jordens kerne kan indeholde så meget brint, at det svarer til mellem 9 og 45 verdenshave.
Hvorfor brint i kernen er så svær at måle
Brint er det letteste og mindste af alle grundstoffer. Det trænger igennem mineraler, bevæger sig frit og er yderst vanskeligt at fastholde i målinger. I studiet af Jordens indre virker det som støj i svage datasæt: selv få procent eller brøkdele af den samlede masse gør en enorm forskel, men er vanskelige at estimere præcist.
Dertil kommer endnu et problem: alle data om kernen er indirekte. Forskerne baserer sig på:
- registreringer af seismiske bølger efter jordskælv,
- målinger af Jordens tyngdekraft og inertimoment,
- højtryksforsøg på metal- og stenprøver i laboratoriet,
- sammenligninger med meteoritter, der betragtes som fragmenter fra det tidlige Solsystem.
Ud fra så spredte kilder skal man sammensætte et sammenhængende billede. Hvert nyt eksperiment, der blot lidt bedre efterligner forholdene 3.000 til 5.000 kilometer under os, er uvurderligt.
Sådan genskabte forskerne Jordens kerne i laboratoriet
I den seneste undersøgelse valgte geofysikerne at angribe gåden direkte: de tog en jernlegering svarende til kernens sammensætning samt et materiale, der imiterer det urgamle magmaocean, og undersøgte derefter, hvordan grundstofferne fordelte sig under ekstreme betingelser.
Det krævede såkaldte diamantceller – specialiserede apparater, hvor to modsatrettede diamanter presser mikroskopiske prøver til tryk på hundredvis af gigapascal. Derudover opvarmede forskerne materialet med laser til omkring 4.800 grader Celsius, altså temperaturer tæt på dem, der hersker i Jordens kerne.
Eksperimentets to centrale ingredienser så således ud:
| Bestanddel | Rolle i eksperimentet |
|---|---|
| Jernlegering svarende til kernen | Simulerer Jordens metalliske kerne |
| Silikatglas med vand | Efterligner det fordums magmaocean med brintforbindelser |
Når forholdene var stabiliseret, brugte forskerne en teknik kaldet atomsondetomografi. Denne metode gør det muligt at "se" prøvens sammensætning næsten atom for atom i tre dimensioner. Dermed kan man tælle præcis, hvor meget silicium, oxygen og brint der befinder sig i den metalliske del, og hvor meget der befinder sig 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 i form af brint. Det lyder som en bagatel, men i planetær målestok er det et astronomisk tal. Holdet beregnede, at det svarer til den brintmængde, der ville være nødvendig for at danne mellem 9 og 45 oceaner på størrelse med det nuværende verdenshav.
Blot en brøkdel af en procent brint i kernen svarer til en vandreserve, der overstiger alle nutidens oceaner tilsammen.
Dette "skjulte" lager betyder naturligvis ikke, at der slasker indre have rundt derinde. I planetens dybeste lag er brinten bundet i metalstrukturer under gigantisk tryk. Pointen er, at præcis så meget brint er endt i kernen i løbet af Jordens dannelse.
Hvor kom vandet på Jorden fra: to konkurrerende teorier
I årtier har to hovedhypoteser domineret debatten om Jordens vands oprindelse:
- Vandet opstod samtidig med Jorden, da den unge planet samlede materiale rigt på flygtige forbindelser.
- Størstedelen af vandet ankom senere med kometer og asteroider i form af et "regn" af kosmiske projektiler.
Hvis kernen faktisk kan rumme brint svarende til snesevis af oceaner, passer det langt bedre med den første teori. Den forudsætter, at der i Jordens tidlige historie eksisterede et enormt magmaocean, som allerede indeholdt brint og oxygen. Da kernen og mantlen adskilte sig fra hinanden, trak en del af denne blanding sig ned i planetens allerøverste dybder.
Hvis vandet derimod primært stammer fra senere kometpåvirkninger, burde brint dominere i de ydre lag – skorpen og mantlen. Men eksperimentets resultater tyder på et betydeligt indhold af brint i selve kernen. Det er et stærkt argument for, at Jorden "tog sin vand med" allerede ved sin fødsel.
Hvad brint i kernen ændrer ved vores forståelse af Jorden
Hvis kernen indeholder væsentlige mængder brint, er det nødvendigt at revidere mange eksisterende modeller. Brint påvirker nemlig:
- densiteten af jern-nikkellegering under højt tryk,
- smeltepunktet og viskositeten af den flydende ydre kerne,
- varme- og elektrisk ledningsevne inde i planeten,
- den måde, geodynamoen fungerer på – altså den mekanisme, der skaber Jordens magnetfelt.
Magnetfeltet fungerer som et skjold, der beskytter overfladen mod solvind og højenergetiske partikler. Enhver ændring i kernens modeller påvirker derfor også prognoserne for, hvor stabil denne beskyttende "boble" vil være på lang sigt.
Hvad det betyder for jagten på beboelige planeter
De nye resultater har betydning langt ud over vores egen planet. Astronomer bliver stadig bedre til at opdage stenede exoplaneter, men det er meget vanskeligt at afgøre, om de har vand, og om de kan fastholde det i milliarder af år. Hvis vand i høj grad kan "gemme sig" i en planets kerne, bør man inddrage et sådant skjult reservoir i modelleringen af fjerne planeter.
Det kan ændre estimaterne for, hvor mange himmellegemer der faktisk har mulighed for at opretholde oceaner på overfladen over lang tid. En planet uden vand i skorpen er ikke nødvendigvis fuldstændig tør – en del af reserven kan være sunket dybt ind i det indre, præcis som de nyeste data antyder i Jordens tilfælde.
Usikkerheder og de næste skridt i forskningen
Forskerne bag studiet understreger selv, at resultatet skal betragtes som et første, endnu ufuldstændigt billede. Eksperimenter under så ekstreme forhold er altid behæftet med fejlrisici: prøverne er mikroskopiske, og selv den mindste fejlkalibrering af laser eller sensorer kan forskyde resultatet.
Derfor har andre geofysikerhold allerede annonceret egne eksperimenter med varierende jernlegeringssammensætninger, temperaturer og tryk. Hvis uafhængige målinger peger på lignende brintindhold, vil hypotesen om en "fugtig" kerne stå langt stærkere.
For en almindelig læser kan det lyde overraskende, at vi stadig ved så lidt om Jordens dybeste lag. Ikke desto mindre ligger grænsen mellem mantlen og kernen længere væk end noget havdyb, og forholdene der nede kan ikke genskabes fuldkomment i et laboratorium. Netop derfor hviler geofysikken på en familie af metoder, der gensidigt kontrollerer og korrigerer hinanden.
Hvad kan den almindelige læser tage med sig
Spørgsmålet om brint i kernen berører flere emner, der diskuteres hyppigere end nogensinde: klimaforandringer, Jordens langsigtede stabilitet og mulighederne for liv uden for Solsystemet. Den måde, en planet samler og opbevarer vand på, afgør, om den kan opretholde oceaner, en atmosfære og til sidst en biosfære i milliarder af år.
Man kan betragte sådanne undersøgelser som en fortælling om Jordens "forsikring". Hvis en del af vandet er gemt dybt nede, bliver det planetariske system mere modstandsdygtigt over for tab af overfladevand – for eksempel som følge af intens stråling fra solen. Omvendt kan en stor reserve i det indre under visse betingelser langsomt tilføre de øverste lag nye portioner vand.
For videnskaben er det en opfordring til endnu tættere at forbinde data fra Jordens indre, astronomi og planetær kemi. Jo bedre vi forstår, hvordan vores planet forvalter vand fra kerne til atmosfære, desto lettere bliver det at vurdere, hvor der uden for Jorden kan eksistere tilsvarende, langvarige oaser, der er gunstige for liv.
