Nyt studie afslører enorme mængder brint dybt inde i Jordens kerne
Ny forskning tyder på, at Jordens dybeste indre rummer et kolossalt lager af brint – et fund, der fundamentalt ændrer vores forståelse af, hvor vandet på vores planet egentlig stammer fra.
For første gang har forskere med hidtil uset præcision genskabt de ekstremer, der hersker i Jordens kerne, direkte i laboratoriet. Resultatet forbløffede selv erfarne geofysikere: Den jernholdige kerne kan indeholde så meget brint, at det ville svare til alt fra 9 til hele 45 oceaner af samme størrelse som verdenshavet.
Vand har måske været til stede på Jorden helt fra begyndelsen
I årtier har den gængse fortælling lydt, at en ung, glødende Jordklode først langt senere blev bombarderet af isrige kometer, som bragte det vand, der siden dannede havene. Men stadig mere data udfordrer denne teori, og de seneste eksperimenter med brint i planetens kerne udgør et af de stærkeste argumenter imod det såkaldte "sene bombardement".
Forskerne påviser, at en betydelig mængde brint ikke befinder sig i de ydre lag af kappen eller jordskorpen, men dybt nede ved den jernholdige kerne under ekstremt tryk og ved voldsomme temperaturer. En sådan fordeling af grundstoffer passer langt bedre til et scenarie, hvor Jorden opsugede det meste af sit vand allerede mens den dannede sig fra den oprindelige sky af støv og gas.
Jordens kerne kan indeholde mellem 0,07 og 0,36 procent brint målt på massen – nok til at danne 9 til 45 oceaner.
Hvordan vi kortlægger et indre, ingen kan nå
Ingen har nogensinde boret sig ned til Jordens kerne – de dybeste boringer når blot et par dusin kilometer, hvilket svarer til en mikroskopisk ridse på planetens radius på 6.400 kilometer. Vores viden om det indre stammer derfor fra indirekte metoder, primært analyse af seismiske bølger fra jordskælv.
Allerede i begyndelsen af det 20. århundrede gjorde seismologiens fremskridt det muligt at "scanne" Jordens indre på samme måde som røntgenstråler gennemtrænger et menneskekrop. I 1936 påviste den danske seismolog Inge Lehmann, at den indre kerne er fast, omgivet af et lag flydende metal. Efterfølgende tæthedsbereninger og sammenligninger med metalliske meteoritter ledte til den konklusion, at kernen primært består af jern og nikkel.
Det viste sig dog med tiden, at en blanding af jern og nikkel alene er for tung i forhold til, hvad de seismiske data indikerer. Noget fortynder blandingen. Siden 1960'erne har man mistænkt, at der må være indblandet lettere grundstoffer – men hvilke, og i hvilke mængder, har længe været uklart.
Ikke kun jern: kernens skjulte cocktail af grundstoffer
Udviklingen af avancerede eksperimentelle teknikker i det 21. århundrede har gjort det muligt at undersøge kernens sammensætning langt mere detaljeret. Forskningen peger på, at kernen udover jern og nikkel indeholder svovl, silicium, ilt, kulstof og brint. Udfordringen er, at mængderne er meget små og derfor vanskelige at bestemme præcist.
Brint er særligt problematisk at måle. Som det letteste og mindste atom har det en tendens til at "gemme sig" i metallers krystalstruktur. Selv den mindste usikkerhed i seismiske eller eksperimentelle data resulterer hurtigt i et stort spænd i de mulige værdier for brintindholdet.
Et laboratorium som en miniatureudgave af planetens kerne
For at opnå mere præcise tal sammensatte et hold geofysikere en blanding svarende til den unge Jordens formodede sammensætning. Eksperimentet anvente:
- en jernprøve svarende til det materiale, kernen er bygget af,
- silikatglas med vand, der repræsenterer det tidligere magmaocean i kappen.
Det hele blev placeret i såkaldte diamantceller. To diamantformede "ambolte" pressede prøven sammen, mens lasere opvarmede den til flere tusinde grader. På den måde opnåede forskerne forhold tæt på dem i Jordens kerne: et tryk på cirka 111 gigapascal og en temperatur på omtrent 4.800 grader Celsius.
Forskerne genskabte i miniatureskala forhold, der er umulige at nå via boring: et tryk hundredtusindvis af gange højere end ved jordoverfladen og en temperatur varmere end Solens overflade.
Atomtomografi: et kort over grundstoffer i nanoskala
Efter at prøven var blevet "kogt" under ekstreme betingelser, var det tid til analyse. Man anvendte en avanceret metode kaldet atomsondtomografi. Teknikken går ud på gradvist at "fordampe" atomer fra prøvens overflade og registrere præcis, hvor de stammer fra.
Derved rekonstruerede forskerne et tredimensionalt kemisk kort i nanometerskala. Det var muligt at tælle mængderne af silicium, ilt og brint i prøven og derefter overføre disse resultater til de forhold, der hersker dybt inde i planeten.
| Parameter | Estimeret værdi | Betydning for Jordens kerne |
|---|---|---|
| Brintindhold (masseprocent) | 0,07–0,36 % | Letter kernen og påvirker tætheden |
| Svarende til oceaner | 9–45 oceaner | Enormt potentielt vandreservoir |
| Trykforhold | ca. 111 GPa | Svarer til den dybe kerne |
| Temperatur | ca. 4.800 °C | Som i den ydre kernes nedre dele |
Vandets oprindelse på Jorden – et nyt perspektiv
Forfatterne bag studiet, offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications, argumenterer for, at så store mængder brint i kernen passer bedst til et scenarie med "medfødt" vand. I denne version opsamlede Jorden brint og ilt allerede mens den byggedes op af primordiale materiale. En del af disse grundstoffer endte i kappen og atmosfæren, mens en anden del opløste sig i det smeltede jern i kernen.
Hvis de største vandressourcer primært var ankommet i en senere fase som is fra kometer eller vandrige asteroider, burde brint primært optræde i planetens ydre lag. Resultaterne peger derimod på en betydelig tilstedeværelse af brint i planetens allerdybeste indre.
Fordelingen af brint i Jordens indre antyder, at vores planet snarere blev født som et "vådt" legeme end som en brændt kugle, der sidenhen blev vandet af en kometregn.
Usikkerheder og kommende tests
Forskerne indrømmer selv, at eksperimentet langt fra er perfekt. Ethvert laboratorium er nødt til at forenkle forholdene i forhold til det, der sker 3.000 kilometer under vores fødder. Der kan forekomme fejl knyttet til den oprindelige prøves sammensætning eller selve målemetoden.
Derfor planlægger andre forskerhold allerede egne eksperimenter med tilsvarende diamantceller og alternative analysemetoder. Kun sammenfaldende resultater fra flere laboratorier vil gøre det muligt at indsnævre spændet for brintindholdet og fastslå, hvor meget vand der reelt kan "presses ud" af kernen omregnet til oceaner.
Hvorfor brint i kernen er afgørende for os på overfladen
Brint i kernen er ikke blot en kuriositet om fjerne dybder. Grundstoffet påvirker tætheden og fluiditeten af det flydende jern i den ydre del af kernen. Det bestemmer igen de metalstrømme, der genererer Jordens magnetfelt.
Et stærkt magnetfelt beskytter atmosfæren og overfladen mod ladede partikler fra Solen. Uden dette usynlige skjold ville erosionen af de gasser, der omgiver planeten, foregå langt hurtigere, og betingelserne for liv ville se fundamentalt anderledes ud. I den forstand påvirker kernens sammensætning – herunder mængden af brint – indirekte, at oceaner og biosfære overhovedet kan eksistere på Jorden.
Det er også værd at sammenligne med andre stenplaneter. Mars har i dag et svagt magnetfelt og en tynd atmosfære, og dets tidligere have er stort set forsvundet. Hvis modellerne for Marskernen afviger markant fra Jordens, kan en del af svaret på, hvorfor nogle planeter bevarer vand mens andre mister det, netop gemme sig i det dybe indre.
Hvad vil det sige at forestille sig 45 oceaner i Jordens kerne
Tal i størrelsesordenen titusindvis af oceaner lyder abstrakte. Det handler om den mængde brint, der ved binding med ilt ville give en vandmængde svarende til 9 til 45 verdenshave. Det betyder ikke, at der et sted dybt nede svømmer flydende vand rundt. Brinten er "fanget" i metallets og mineralernes struktur i form af atomer – ikke vanddråber.
Et sådant reservoir har betydning for vandets langsigtede kredsløb. Til daglig observerer vi vand cirkulere mellem atmosfæren, havene og landmasserne. I geologisk tidsskala ser dette kredsløb anderledes ud: Noget vand bevæger sig ned i dybden med tektoniske plader, noget vender tilbage gennem vulkaner, og enorme mængder forbliver permanent i de dybe lag af kappen og kernen. De aktuelle fund åbner kun en lille revne ind til dette skjulte reservoir.
I de kommende år ønsker geofysikere at kombinere sådanne laboratorieeksperimenter med stadig mere præcise seismiske modeller og computersimuleringer. Det vil gøre det muligt at beregne, hvordan ændringer i kernens sammensætning påvirker magnetfeltet, bevægelserne i kappen og i sidste ende forholdene på overfladen. På den måde er havenes skæbne og klimaet på Jorden i en vis forstand uløseligt forbundet med det, der sker i den glødende, mørke kerne tusindvis af kilometer under os.
