En gigantisk brintreserve dybt under vores fødder
Ifølge ny forskning skjuler der sig en kolossal mængde brint langt nede under jordens overflade — en opdagelse, der grundlæggende ændrer vores forståelse af vandets oprindelse. For første gang har forskere beregnet, præcis hvor meget brint der kan være fanget direkte i Jordens kerne.
Geofysikere har i årevis haft en fornemmelse af, at kernen ud over jern og nikkel også indeholder lettere grundstoffer. Men først de seneste laboratorieeksperimenter har afsløret et overraskende resultat: mængden af brint derinde kan svare til alt fra 9 til 45 oceaner på størrelse med det nuværende Verdenshav.
Disse fund har vidtrækkende konsekvenser — ikke blot for forståelsen af vores egen planet, men også for jagten på beboelige verdener uden for Solsystemet. Hvis Jorden er i stand til at gemme størstedelen af sit vand dybt i sit indre, kan en lignende mekanisme godt gøre sig gældende for fjerne, stenede exoplaneter.
Fra mysterium til detaljerede modeller: Jordens kerne
Vores viden om planetens indre er relativt ung. Det var først udviklingen af seismologien i begyndelsen af det tyvende århundrede, der gjorde det muligt at "se" Jordens tværsnit. I 1930'erne afslørede analyser af seismiske bølger, at der i centrum findes en fast metalklode omgivet af et flydende lag — den indre og den ydre kerne.
Ved at beregne hastigheden af seismiske bølger kunne forskere bestemme densiteten i disse dybe zoner. Sammenligningen med sammensætningen af jernmeteoritter gav et relativt enkelt billede: kernen består primært af jern og nikkel. Men efterhånden stod det klart, at det ikke var tilstrækkeligt til at forklare de målte densitetsværdier. Der manglede noget lettere.
Fra 1960'erne begyndte geofysikere at mistænke, at kernen må indeholde lette grundstoffer: svovl, silicium, ilt, kulstof og muligvis brint. Problemet er, at man ikke kan nå kernen direkte, så alt afhænger af 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 vanskeligt at fastholde i målinger. I kortlægningen af Jordens struktur optræder det som støj i svage datasæt — selv enkelte procenter eller brøkdele af en procent i vægtandel gør en enorm forskel, men præcise estimater er notorisk svære at opnå.
Dertil kommer, at alle data om kernen er indirekte. Forskerne støtter sig på:
- Registreringer af seismiske bølger efter jordskælv
- Målinger af tyngdekraft og planetens inertimoment
- Højtrykseksperimenter på metal- og bjergartsprøver
- Sammenligning med meteoritter, der betragtes som "stumper af det tidlige Solsystem"
- Atomsonde-tomografi til analyse af materialers sammensætning
- Simuleringer i diamantambolt-apparater under ekstreme betingelser
Ud fra så spredte kilder skal man samle et sammenhængende billede. Ethvert nyt eksperiment, der bare en smule bedre efterligner forholdene tre til fem tusinde kilometer under os, har enorm videnskabelig værdi.
Sådan genskabte forskerne Jordens kerne i laboratoriet
I den nyeste forskning valgte geofysikerne at gå direkte til problemet: de tog en jernlegering svarende til kernens sammensætning samt et materiale, der efterligner et urgammelt magmaocean, og undersøgte, hvordan grundstofferne fordeler sig mellem dem under ekstreme betingelser.
Til det formål brugte de diamantambolt-apparater — specialudstyr, hvor to modsatrettede diamanter presser mikroskopiske prøver til tryk målt i hundredvis af gigapascal. Derudover opvarmede forskerne materialet med laser til cirka 4.800 graders Celsius, altså temperaturer tæt på dem, der hersker i vores planets kerne.
Eksperimentet bestod af to centrale komponenter: en jern-nikkel-legering med siliciumtilsætning, der repræsenterer kernens metalliske del, og et silikatmateriale, der efterligner planetens ældgamle kappe. Da forholdene var stabiliseret, anvendte forskerne en teknik kaldet atomsonde-tomografi, som gør det muligt at "se" prøvens sammensætning næsten atom for atom i tre dimensioner.
På den baggrund kunne man beregne præcist, hvor meget silicium, ilt og brint der befandt sig i henholdsvis den metalliske og den silikatbaserede del. Resultaterne viser, at kernen kan indeholde fra 0,07 til 0,36 procent af sin masse i form af brint. Det lyder som en bagatel — men i planetær målestok er det et astronomisk tal.
Hvor meget brint kan Jordens kerne rumme
Forskerholdet beregnede, at denne mængde svarer til nok brint til at danne 9 til 45 oceaner med et volumen sammenligneligt med det nuværende Verdenshav. En brøkdel af en procent brint i kernen oversættes altså til en vandreserve større end alle nuværende oceaner tilsammen.
Denne "skjulte" reserve betyder naturligvis ikke, at der plasker have et sted dybt under os. I planetens indre er brinten bundet i metalstrukturer under et gigantisk tryk. Pointen er, at i planetær målestok trængte netop denne mængde brint ind i kernen under Jordens dannelse.
To konkurrerende teorier om vandets oprindelse på Jorden
I årevis har to hovedhypoteser gjort sig gældende for at forklare, hvorfra vandet på Jorden stammer. Den første antager, at vandet opstod samtidig med Jorden, da den unge planet samlede materiale rigt på flygtige forbindelser. Den anden hævder, at hovedparten af vandet ankom senere med kometer og asteroider i form af et "regn" af kosmiske projektiler.
Hvis kernen kan rumme brint svarende til titusindvis af oceaner, passer det langt bedre med det første scenarie. Det forudsætter, at der i begyndelsen af Jordens historie eksisterede et enormt magmaocean, som allerede indeholdt brint og ilt. En del af denne blanding trængte ned i planetens dybeste lag, da kernen og kappen skiltes ad.
I det scenarie, hvor vandet primært stammer fra senere kometpåvirkninger, ville brint dominere mere i de ydre lag — i skorpen og kappen. Men eksperimentets resultater peger på en betydelig brintandel i selve kernen, hvilket er et stærkt argument for, at Jorden "tog" det meste af sit vand med sig allerede fra sin fødsel.
Hvad brint i kernen betyder for vores forståelse af planeten
Hvis kernen indeholder en betydelig mængde brint, er det nødvendigt at revidere mange eksisterende modeller. Brint påvirker densiteten af jern-nikkel-legeringen ved højt tryk, smeltepunktet og viskositeten af det flydende ydre kernelag, planetens termiske og elektriske ledningsevne samt den måde, geodynamo'et — ansvarligt for Jordens magnetfelt — fungerer på.
Magnetfeltet fungerer som et skjold, der beskytter overfladen mod solvinden og højenergitiske partikler. Enhver ændring i kernemodelerne påvirker derfor også forudsigelserne for stabiliteten af dette beskyttende "boble" over lange tidsskalaer.
Forbindelsen til jagten på planeter egnede til liv
De nye resultater har betydning langt ud over vores egen planet. Astronomer opdager i stigende grad stenede exoplaneter, men det er meget vanskeligt at vurdere, om de har vand, og om de er i stand til at bevare det i milliarder af år. Hvis vand i høj grad kan "gemme sig" i en planets kerne, er man nødt til at medregne en sådan skjult reserve, når man modellerer fjerne planeter.
Det kan ændre estimaterne for, hvor mange himmellegemer der reelt har mulighed for at opretholde oceaner på overfladen i lang tid. En planet uden vand i skorpen behøver slet ikke at være fuldstændig tør — en del af reserven kan have trængt dybt ned mod centrum, præcis som de nyeste data antyder i tilfældet med Jorden.
Usikkerhed og næste skridt i forskningen
Studiernes forfattere understreger selv, at resultatet bør betragtes som et første, endnu ufuldstændigt billede. Eksperimenter under så ekstreme forhold er altid behæftet med fejlrisici — prøverne er mikroskopiske, og selv en mindre 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 viser lignende brintindhold, vil hypotesen om en "vandig" kerne stå markant stærkere.
Hvad dette betyder i det store perspektiv
Spørgsmålet om brint i kernen forbinder flere emner, der diskuteres stadig hyppigere: klimaforandringer, den langsigtede stabilitet af forholdene på Jorden og mulighederne for liv uden for Solsystemet. Den måde, en planet akkumulerer og bevarer vand på, afgør, om den er i stand til at opretholde oceaner, en atmosfære og i sidste ende en biosfære i milliarder af år.
I praksis kan man se på sådanne undersøgelser som historien om Jordens "forsikring". Hvis en del af vandet er gemt dybt nede, er det planetariske system mere modstandsdygtigt over for tab af overfladevand — eksempelvis som følge af intensiveret stjernebestråling. Omvendt kan en stor reserve i centrum under visse betingelser langsomt forsyne de øvre lag med nye doser vand.
For videnskaben er det en opfordring til endnu tættere at koble data fra Jordens indre fysik, astronomi og planetær kemi. Jo bedre vi forstår, hvordan vores planet forvalter vand fra kernen til atmosfæren, desto lettere kan vi vurdere, hvor der uden for Jorden kan eksistere lignende langvarige oaser, der er gunstige for liv.
