En gigantisk brintreserve dybt under vores fødder
Langt nede under jordskorpen skjuler der sig ifølge ny forskning en kolossal mængde brint — og det ændrer fundamentalt vores forståelse af, hvor Jordens vand egentlig kommer fra. For første gang har forskere beregnet, præcis hvor meget brint der kan være fanget i selve Jordens kerne.
Geofysikere har i årevis haft en fornemmelse af, at kernen indeholder andet end jern og nikkel. Nu viser de seneste laboratorieeksperimenter noget overraskende: mængden af brint derinde kan svare til hele 9 til 45 oceaner på størrelse med det nuværende verdenshav.
Disse resultater har vidtrækkende konsekvenser — ikke bare for forståelsen af vores egen planet, men også for jagten på beboelige verdener uden for Solsystemet. Hvis Jorden kan gemme størstedelen af sit vand dybt i sit indre, kan en lignende mekanisme meget vel gøre sig gældende hos fjerne, klippeagtige exoplaneter.
Fra mysterium til detaljerede modeller af Jordens kerne
Vores viden om planetens indre er faktisk relativt ny. Det var først med seismologiens fremkomst i begyndelsen af det tyvende århundrede, at forskere fik mulighed for at "skære" Jorden op og studere dens indre lag. I 1930'erne afslørede analyser af seismiske bølger, at der i centrum sidder en fast metalklump omgivet af et flydende ydre lag — den indre og den ydre kerne.
Ved at sammenligne bølgehastigheder med sammensætningen af jernmeteoritter tegnede der sig et nogenlunde klart billede: kernen består primært af jern og nikkel. Men efterhånden stod det klart, at dette ikke fuldt ud forklarede de målte densitetsværdier. Der manglede noget lettere.
Siden 1960'erne har geofysikere mistænkt, at kernen også indeholder lette grundstoffer som svovl, silicium, ilt, kulstof og muligvis brint. Problemet er bare, at man ikke kan komme direkte ned til kernen — alt hviler på indirekte beviser og ekstremt præcise målinger.
Hvorfor er brint i kernen så svær at påvise
Brint er det letteste og mindste af alle grundstoffer. Det trænger igennem mineraler, bevæger sig let og er nærmest umuligt at fastholde i målinger. I udforskningen af Jordens indre opfører det sig som støj i svage datasæt — selv enkelte procenter eller brøkdele af procent af den samlede masse gør en enorm forskel, men præcise estimater er uhyre vanskelige.
Dertil kommer, at alle data om kernen er indirekte. Forskerne trækker på:
- registreringer af seismiske bølger efter jordskælv
- målinger af tyngdekraft og planetens inertimoment
- højtrykseksperimenter med metal- og stenprøver
- sammenligninger med meteoritterne, der anses som "rester fra det tidlige Solsystem"
- atomsonde-tomografi til analyse af materialets sammensætning
- simuleringer i diamantstempel-celler under ekstreme betingelser
At samle et sammenhængende billede ud fra så spredte kilder er en enorm udfordring. Hvert nyt eksperiment, der blot en smule bedre efterligner forholdene tre til fem tusinde kilometer under os, er uvurderligt.
Sådan genskabte forskerne Jordens kerne i laboratoriet
I den nyeste forskning valgte geofysikerne en direkte tilgang til gåden: de tog en jernlegering svarende til kernens sammensætning og et materiale, der efterligner det ældgamle magmaocean, og undersøgte derefter, hvordan grundstofferne fordeler sig mellem de to under ekstreme forhold.
Til dette formål anvendte de diamantstempel-celler — specialudstyr, hvor to modstående diamanter komprimerer mikroskopiske prøver til tryk målt i hundredvis af gigapascal. Samtidig opvarmede de materialet med laser til omkring 4.800 grader Celsius, altså temperaturer tæt på dem, der hersker i Jordens kerne.
To komponenter var afgørende i eksperimentet: en jern-nikkel-legering tilsat silicium, der repræsenterer kernens metalliske del, samt et silikatmateriale, der efterligner den unge planets kappe. Da forholdene havde stabiliseret sig, anvendte forskerne en teknik kaldet atomsonde-tomografi. Den giver mulighed for at "se" prøvens sammensætning næsten atom for atom i tre dimensioner.
Resultatet viste, at kernen kan indeholde fra 0,07 til 0,36 procent af sin masse i form af brint. Det lyder måske som en bagatel — men i planetarisk målestok er det et astronomisk tal.
Hvor meget brint kan der egentlig være i Jordens kerne
Holdet beregnede, at dette svarer til den mængde brint, der ville være nødvendig for at danne 9 til 45 oceaner med et volumen svarende til det nuværende verdenshav. En brøkdel af en procent brint i kernen oversættes altså til en vandreserve, der overstiger alle nutidens oceaner tilsammen.
Denne "skjulte" reserve betyder naturligvis ikke, at der pludsker have rundt derinde. I planetens dybder er brinten bundet i metalstrukturer under voldsomt tryk. Pointen er, at så meget brint trængte ind i kernen under planetens dannelse.
Vandets oprindelse på Jorden: to konkurrerende teorier
I årtier har to hovedteorier konkurreret om at forklare, hvor Jordens vand stammer fra. Den første antager, at vandet opstod samtidig med Jorden, da den unge planet samlede stof rigt på flygtige forbindelser. Den anden hævder, at det meste vand ankom senere med kometer og asteroider i form af et "kosmisk bombardement."
Hvis kernen kan rumme brint svarende til snesevis af oceaner, passer det langt bedre med det første scenarie. Det forudsætter, at der tidligt i Jordens historie eksisterede et gigantisk magmaocean, som allerede indeholdt brint og ilt. Da kernen og kappen skiltes ad, trængte en del af denne blanding ned i planetens inderste.
I scenariet, hvor vandet primært stammer fra sene kometpåvirkninger, ville brinten forventes at dominere i de ydre lag — jordskorpen og kappen. Eksperimentets resultater tyder imidlertid på en betydelig brintandel i selve kernen. Det er et stærkt argument for, at Jorden "medbragte" størstedelen af sit vand allerede ved sin fødsel.
Hvad betyder brint i kernen for Jordens magnetfelt
Indeholder kernen en betydelig mængde brint, er det nødvendigt at revidere mange eksisterende modeller. Brint påvirker nemlig densiteten af jern-nikkel-legeringen ved høje tryk, smeltepunktet og viskositeten af det flydende ydre kernelag, den termiske og elektriske ledningsevne inde i planeten — samt den måde, geodynamo-effekten fungerer på, altså den mekanisme, der opretholder Jordens magnetfelt.
Magnetfeltet fungerer som et skjold, der beskytter overfladen mod solvinden og højenergiske partikler. Enhver ændring i kernens modeller påvirker derfor også forudsigelserne om stabiliteten af dette beskyttende "boble-lag" på lang sigt.
Hvad betyder det for søgningen efter planeter med liv
De nye resultater har betydning langt ud over vores egen planet. Astronomer bliver stadig bedre til at opdage klippeplaneter uden for Solsystemet, men det er meget vanskeligt at vurdere, om de har vand, og om de kan fastholde det i milliarder af år. Hvis vand i stor udstrækning kan "gemme sig" i en planets kerne, må man tage højde for sådan en skjult reserve, når man modellerer fjerne planeter.
Det kan ændre estimaterne for, hvor mange himmellegemer der realistisk set kan opretholde oceaner på overfladen over lang tid. En planet uden vand i jordskorpen behøver slet ikke at være fuldstændig tør — en del af reserven kan meget vel have trængt sig ned i dens centrum, præcis som de nyeste data antyder for Jordens vedkommende.
Forsigtige konklusioner og vejen frem
Studiernes forfattere understreger selv, at resultatet skal betragtes som et første, endnu ufuldstændigt billede. Eksperimenter under så ekstreme betingelser er altid forbundet med en risiko for fejl: prøverne er mikroskopiske, og selv en lille unøjagtighed i kalibreringen af laser eller sensorer kan forskyve resultatet.
Derfor har andre geofysikhold allerede annonceret egne forsøg med varierende legeringssammensætninger, forskellige temperaturer og tryk. Hvis uafhængige målinger giver lignende brintindhold, vil hypotesen om en "vandig" kerne styrkes betydeligt.
Hvad kan den almindelige læser tage med sig
Spørgsmålet om brint i kernen forbinder flere emner, der diskuteres stadig hyppigere: klimaforandringer, den langsigtede stabilitet af forholdene på Jorden og chancerne for liv uden for Solsystemet. Den måde, en planet ophobes og bevarer vand på, afgør, om den er i stand til at opretholde oceaner, atmosfære og til sidst en biosfære i milliarder af år.
I praksis kan man betragte denne forskning som historien om Jordens "forsikringsordning." Hvis en del af vandet er gemt dybt nede, er det planetariske system mere modstandsdygtigt over for vandtab fra overfladen — for eksempel som følge af intensiveret stråling fra Solen. Omvendt kan en stor reserve i midten under visse betingelser langsomt forsyne de øvre lag med nye mængder vand.
For videnskaben er det en opfordring til endnu tættere at koble data fra geofysik, astronomi og planetkemi. 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 lignende langvarige oaser for liv.
