En gigantisk brintreservoir under vores fødder
Ny forskning antyder, at der dybt under jordens overflade skjuler sig en kolossal brintreservoir, som fundamentalt ændrer vores forståelse af vandets oprindelse på Jorden.
For første gang har forskere estimeret, præcis hvor meget brint der kan være fanget i selve Jordens indre kerne. Resultatet overraskede alle: Der er tale om et potentiale svarende til snesevis af oceaner, som ingen hidtil havde forestillet sig eksisterede.
Fra mysterium til detaljerede modeller af Jordens indre
Vores viden om planetens indre er forholdsvis ny. Det var først seismologiens fremkomst i begyndelsen af det 20. århundrede, der gav os mulighed for at "kigge ind i" Jordens tværsnit. I 1930'erne afslørede analyser af seismiske bølger, at der i centrum findes en hård metalkugle omgivet af et flydende lag – den indre og ydre kerne.
Ved at beregne hastigheden af seismiske bølger kunne forskerne udlede tætheden af disse dybe zoner. Da disse tal blev sammenlignet med sammensætningen af metalliske meteoritter, tegnede der sig et relativt enkelt billede: kernen består primært af jern og nikkel. Men efterhånden stod det klart, at det ikke var nok til at få tæthedsmålingerne til at stemme. Der manglede noget lettere.
Siden 1960'erne har geofysikere haft mistanke om, at kernen også måtte indeholde lette grundstoffer som svovl, silicium, ilt, kulstof og måske brint. Problemet er, at det er umuligt at nå direkte ned til kernen, så alt bygger på indirekte indicier og meget præcise målinger.
Nye laboratorieeksperimenter viser, at Jordens kerne kan indeholde så meget brint, at det svarer til mellem 9 og 45 oceaner.
Derfor er brint i kernen så svær at påvise
Brint er det letteste og mindste af alle grundstoffer. Det trænger ind i mineraler, bevæger sig frit og er ekstremt vanskeligt at "fange" i målinger. I studiet af Jordens struktur virker det som støj i svage datasæt: selv enkelte procenter eller brøkdele af procent af den samlede masse gør en enorm forskel, men de er næsten umulige at kvantificere præcist.
Dertil kommer endnu en udfordring: alle data om kernen er indirekte. Forskerne baserer sig på:
- registreringer af seismiske bølger efter jordskælv,
- målinger af Jordens tyngdekraft og inertimoment,
- højtrykseksperimenter på metal- og stenprøver,
- sammenligninger med meteoritter, der betragtes som "fragmenter af det tidlige solsystem".
Ud af disse spredte kilder skal man sammensætte et sammenhængende billede. Hvert nyt eksperiment, der blot lidt bedre efterligner forholdene 3.000–5.000 kilometer under os, er uvurderligt.
Sådan genskabte forskerne Jordens kerne i laboratoriet
I den nyeste undersøgelse valgte geofysikerne en direkte tilgang: de tog en jernlegering svarende til kernens sammensætning samt et materiale, der imiterer det ældgamle magmahav, og undersøgte derefter, hvordan grundstofferne fordelte sig mellem dem under ekstreme betingelser.
Til dette formål anvendte de diamantceller – specialudstyr, hvor to modsatrettede diamanter klemmer mikroskopiske prøver til tryk på hundredvis af gigapascal. Derudover opvarmede forskerne materialet med laser til omkring 4.800 °C, altså temperaturer tæt på dem, der hersker i vores planets kerne.
Eksperimentet involverede to centrale komponenter:
| Komponent | Rolle i eksperimentet |
|---|---|
| Jernlegering svarende til kernen | Simulerer Jordens metalliske kerne |
| Silikatglas med vand | Genskaber det gamle magmahav med brintforbindelser |
Når forholdene var stabiliserede, anvendte forskerne en teknik kaldet atomsondestomografi. Den gør det muligt at "se" prøvens sammensætning næsten atom for atom i tre dimensioner. På den måde kunne man tælle præcis, hvor meget silicium, ilt og brint der befandt sig i den metalliske del, og hvor meget der var i silikatdelen.
Så meget brint kan der rummes i Jordens kerne
De indsamlede data tyder på, at kernen kan indeholde mellem 0,07 og 0,36 procent af sin masse i form af brint. Det lyder som en ubetydelig mængde, men i planetær skala er det et astronomisk tal. Forskerholdet beregnede, at det svarer til tilstrækkelig brint til at danne mellem 9 og 45 oceaner med et volumen sammenligneligt med det nuværende verdenshav.
En brøkdel af en procent brint i kernen svarer til en vandreservoir, der er større end alle nuværende oceaner tilsammen.
Denne "skjulte" reservoir betyder naturligvis ikke, at der skvulper have derinde under os. I planetens dybde er brinten bundet i metalstrukturer under gigantisk tryk. Pointen er, at i planetær målestok er præcis denne mængde brint havnet i kernen, da Jorden blev dannet.
Vandets oprindelse på Jorden: to konkurrerende teorier
I årevis har to hovedhypoteser forklaret, hvorfra Jordens vand stammer:
- Vandet opstod samtidig med Jorden, da den unge planet samlede stof rigt på flygtige forbindelser.
- Størstedelen af vandet ankom senere med kometer og asteroider i form af et "bombardement" af kosmiske projektiler.
Hvis kernen faktisk kan rumme brint svarende til snesevis af oceaner, understøtter det i langt højere grad den første teori. Den forudsætter, at der i Jordens tidlige historie eksisterede et enormt magmahav, som allerede indeholdt brint og ilt. En del af denne blanding endte i planetens dybeste lag, da kernen og mantlen skilte sig ad.
I det scenarie, hvor vandet primært stammer fra senere kometbombardementer, burde brinten snarere dominere i de ydre lag – i skorpen og mantlen. Eksperimentets resultater peger imidlertid på en betydelig brintandel i selve kernen. Det er et stærkt argument for, at Jorden "tog sin vand med" allerede fra fødslen.
Hvad denne brint ændrer ved vores syn på Jorden
Hvis kernen indeholder væsentlige mængder brint, må mange eksisterende modeller revideres. Brint påvirker nemlig:
- tætheden af jern-nikkel-legeringen under højt tryk,
- smeltepunktet og viskositeten af den flydende ydre kerne,
- den termiske og elektriske ledningsevne inde i planeten,
- den måde, som geodynamoen fungerer på – den mekanisme, der genererer Jordens magnetfelt.
Magnetfeltet fungerer som et skjold, der beskytter overfladen mod solvind og højenergiske partikler. Enhver ændring i kernens modeller har derfor også konsekvenser for prognoserne om dette beskyttende "lag"s stabilitet på lang sigt.
Forbindelsen til søgningen efter beboelige planeter
De nye resultater har betydning langt ud over vores egen planet. Astronomer opdager stadig flere stenede exoplaneter, men det er meget svært at vurdere, om de har vand og kan fastholde det i milliarder af år. Hvis vand i stor udstrækning kan "gemme sig" i en kerne, er det nødvendigt at medregne sådan en skjult reservoir i modelleringen af fjerne planeter.
Det kan ændre estimaterne for, hvor mange himmellegemer der rent faktisk er i stand til at opretholde oceaner på overfladen over lang tid. En planet uden vand i skorpen behøver slet ikke være fuldstændig tør – en del af reservoiret kan have bevæget sig dybt ned i det indre, præcis som de seneste data antyder for Jordens vedkommende.
Usikkerheder og næste skridt i forskningen
Forskerne bag undersøgelsen understreger selv, at resultatet skal betragtes som et første, endnu ufuldstændigt billede. Eksperimenter under så ekstreme forhold er altid forbundet med fejlrisiko: prøverne er mikroskopiske, og enhver fejl i kalibreringen af laser eller sensorer kan forskyde resultatet.
Derfor har andre geofysikerhold allerede annonceret egne forsøg med varierende jernlegeringssammensætninger, temperaturer og tryk. Hvis uafhængige målinger peger på lignende brintindhold, vil hypotesen om en "vandig" kerne vinde betydeligt mere troværdighed.
For den almindelige læser kan det virke overraskende, at vi stadig ved så lidt om Jordens dybeste lag. Men grænsen mellem mantlen og kernen ligger dybere end ethvert havbund, og forholdene dernede er umulige at genskabe fuldstændigt. Netop derfor baserer geofysikken sig på en familie af metoder, der gensidigt kontrollerer og korrigerer hinanden.
Hvad kan en almindelig læser tage med fra dette
Spørgsmålet om brint i kernen forbinder flere emner, der tales mere og mere om: klimaforandringer, den langsigtede stabilitet af forholdene på Jorden 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 i sidste ende en biosfære i milliarder af år.
I praksis kan man betragte sådan forskning som en fortælling om Jordens "forsikring". Hvis en del af vandet er gemt dybt nede, bliver det planetariske system mere modstandsdygtigt over for vandtab fra overfladen – for eksempel som følge af intensiveret stråling fra en stjerne. Omvendt kan en stor reservoir i det indre under visse betingelser langsomt forsyne de øverste lag med nye portioner vand.
For videnskaben er det en tilskyndelse til endnu tættere at sammenkoble data fra Jordens indre fysik, astronomi og planetkemi. Jo bedre vi forstår, hvordan vores planet håndterer vand fra kernen til atmosfæren, desto lettere er det at vurdere, hvor der uden for Jorden kan eksistere tilsvarende, langvarige oaser, der er gunstige for liv.
