Ny forskning peger på enorme mængder brint dybt inde i Jordens kerne
Ny forskning antyder, at der i Jordens inderste dyb kan være fanget en enorm mængde brint – en opdagelse, der fundamentalt ændrer vores forståelse af vand på vores planet.
For første gang har forskere formået at simulere forholdene i Jordens kerne med hidtil uset præcision under laboratorieforhold. Resultatet overraskede selv erfarne geofysikere: Jordens jernkerne kan indeholde så meget brint, at det ville svare til at bygge mellem 9 og 45 oceaner af samme størrelse som verdenshavet.
Vand har måske eksisteret på Jorden siden begyndelsen
I årtier har en populær teori beskrevet en ung, glødende varm Jord, som først modtog vand millioner af år senere – bragt hertil af isrige kometer. Det var disse kometer, der angiveligt gav ophav til vores oceaner. Men stadig mere data udfordrer denne fortælling, og de seneste eksperimenter med brint i planetens kerne udgør nu et af de stærkeste argumenter imod teorien om et "sent bombardement".
Forskerne påviser, at en betydelig mængde brint ikke befinder sig i de ydre lag som kappe eller skorpe, men derimod dybt nede ved jernkernen under ekstremt tryk og ekstreme temperaturer. En sådan fordeling af grundstoffer passer langt bedre til et scenarie, hvor Jorden opsamlede det meste af sit vand allerede da den blev dannet ud af den oprindelige sky af støv og gas.
Jordens kerne kan indeholde mellem 0,07 og 0,36 procent brint målt i masse – nok til at danne 9 til 45 oceaner.
Hvad vi ved om en planet, ingen kan grave igennem
Ingen har nogensinde nået Jordens kerne – og intet teknisk udstyr har gjort det heller. De dybeste boringer i verdenshistorien rækker blot nogle få kilometer ned, hvilket er en symbolsk ridse i Jordens 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 sejsmologiens fremskridt det muligt at "gennemlyse" Jorden næsten som røntgenstråler gennemlyser et menneskelegeme. I 1936 dokumenterede den danske seismolog Inge Lehmann, at den indre kerne er fast, omgivet af et lag af flydende metal. Efterfølgende beregninger af densitet og sammenligninger med metalliske meteoritter førte til konklusionen om, at kernen primært består af jern og nikkel.
Med tiden viste det sig imidlertid, 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 haft mistanke om, at lettere grundstoffer blandes ind – men hvilke, og i hvilke mængder, har aldrig været klart.
Ikke kun jern: kernens skjulte cocktail af grundstoffer
Det 21. århundredes forbedrede eksperimentelle teknikker har gjort det muligt at undersøge kernens sammensætning langt mere detaljeret. Forskning peger på, at der foruden jern og nikkel også er svovl, silicium, ilt, kulstof og brint til stede. Udfordringen er, at mængderne er meget små og dermed svære at måle præcist.
Brint er særlig problematisk. Det er det letteste og mindste atom, og det "gemmer sig" let i metallers krystalstruktur. Selv små usikkerheder i seismiske data eller eksperimentelle resultater giver store udsving i estimaterne for brintindholdet.
Et laboratorium som en miniatureudgave af planetens kerne
For at opnå mere præcise tal sammensatte et team af geofysikere en blanding svarende til den formodede sammensætning af den unge Jord. Eksperimentet anvendte:
- en jernprøve svarende til det materiale, der udgør kernen,
- silikatglas med vand, der repræsenterede det tidlige magmaocean i kappen.
Det hele blev anbragt i såkaldte diamantceller. To diamant-"ambolte" pressede prøven sammen, mens lasere opvarmede den til flere tusinde grader. Derved opnåede man forhold tæt på dem, der hersker i Jordens kerne: et tryk på omkring 111 gigapascal og en temperatur på cirka 4.800 grader Celsius.
Forskerne genskabte i mikroskala betingelser, som ingen boring nogensinde kan nå: et tryk hundredtusinder af gange større end ved Jordens overflade og en temperatur, der overgår Solens overflade.
Atomsonde-tomografi: et kemisk kort i nanoformat
Efter at prøven var "kogt" under ekstreme betingelser, fulgte en avanceret analyse. Forskerne anvendte en metode kaldet atomsonde-tomografi, som fungerer ved gradvist at "fordampe" atomer fra prøvens overflade og præcist registrere, hvorfra de stammer.
Herved rekonstruerede holdet et tredimensionalt kemisk kort i nanometerskala. Det var muligt at tælle mængderne af silicium, ilt og brint og derefter omsætte disse resultater til forholdene i planetens indre.
| Parameter | Estimeret værdi | Betydning for Jordens kerne |
|---|---|---|
| Brintindhold (masseprocent) | 0,07–0,36 % | Gør kernen lettere og påvirker densiteten |
| Tilsvarende antal oceaner | 9–45 oceaner | Enormt potentielt vandreservoir |
| Trykforhold | ~111 GPa | Tæt på den dybe kernes betingelser |
| Temperatur | ~4.800 °C | Svarende til den nedre ydre kerne |
Vandets oprindelse på Jorden set i et nyt lys
Forfatterne bag forskningen, offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications, konkluderer, at en så stor mængde brint i kernen bedst passer til et scenarie med "medfødt" vand. I dette scenarie opsamlede Jorden brint og ilt allerede mens den dannedes af de første byggesten. En del af disse grundstoffer endte i kappen og atmosfæren, mens resten opløstes i det smeltede jern i kernen.
Hvis vandets vigtigste kilde derimod var is fra kometer eller vandrige asteroider, der ankom sent i planetens historie, burde brintet primært forekomme i de ydre lag. Men resultaterne peger tværtimod på en markant tilstedeværelse af brint i de allerdybeste dele af planeten.
Fordelingen af brint i Jordens indre tyder på, at vores planet snarere blev til som et "vådt" himmellegeme end som en udbrændt kugle, der først siden blev vandet af en kometregn.
Usikkerheder og kommende tests
Forskerne selv erkender, at eksperimentet ikke er fejlfrit. Ethvert laboratorium er nødt til at forenkle de betingelser, der hersker 3.000 kilometer under vores fødder. Fejlkilder kan skyldes prøvens udgangsmateriale eller selve målemetoden.
Derfor planlægger andre forskerhold allerede egne eksperimenter med tilsvarende diamantceller og alternative analysemetoder. Først når overensstemmende resultater fra flere laboratorier foreligger, vil det være muligt at indsnævre brintindholdet og fastslå, hvor meget vand der reelt kan "presses ud" af kernen målt i oceaner.
Hvorfor brint i kernen har betydning for os på overfladen
Brint i kernen er langt mere end en geologisk kuriositet om fjerne dybder. Grundstoffet påvirker densiteten og flydbarheden af det flydende jern i den ydre del af kernen. Og det er netop disse metalstrømme, der genererer Jordens magnetfelt.
Det stærke magnetfelt beskytter atmosfæren og overfladen mod ladede partikler fra Solen. Uden dette usynlige skjold ville erosionen af planetens omgivende gasser gå langt hurtigere, og livsbetingelserne ville se fundamentalt anderledes ud. I den forstand er kernens sammensætning – herunder mængden af brint – indirekte medbestemmende for, at der overhovedet kan eksistere oceaner og et biosfære på Jorden.
Det er også værd at sammenligne med andre stenplaneter. Mars har i dag et svagt magnetfelt og en tynd atmosfære, og dets fordums have er nærmest forsvundet. Hvis modeller for Mars' kernens sammensætning adskiller sig markant fra Jordens, kan en del af svaret på, hvorfor nogle planeter beholder vand mens andre mister det, ligge netop i det dybe indre.
Hvad vil 45 oceaner i Jordens kerne egentlig sige?
Tal i størrelsesordenen flere titals oceaner lyder abstrakte. Hvad der menes, er den mængde brint, som bundet til ilt ville give en vandmasse svarende til 9 til 45 gange verdenshavets volumen. Det betyder ikke, at der et sted dybt nede slasker flydende vand rundt. Brintet er "fanget" i metallets og mineralernes struktur i form af atomer – ikke dråber.
Et sådant reservoir spiller en rolle i vandets langsigtede kredsløb. Vi kender vandets daglige cyklus mellem atmosfære, oceaner og land. I geologisk målestok ser dette kredsløb anderledes ud: noget vand synker ned med tektoniske plader, noget vender tilbage gennem vulkaner, og enorme mængder forbliver permanent i dybt kappe og kerne. Dagens forskning åbner kun en lille sprække ind til dette skjulte reservoir.
I de kommende år ønsker geofysikere at kombinere sådanne laboratorieeksperimenter med stadig bedre seismiske modeller og computersimuleringer. Det skal gøre det muligt at vurdere, hvordan ændringer i kernens sammensætning påvirker magnetfeltet, kappens bevægelser og i forlængelse heraf betingelserne ved overfladen. På sin vis er oceanernes skæbne og Jordens klima tæt forbundet med det, der sker i den glødende, mørke kerne tusinder af kilometer under os.
