En dold vätereserv djupt inne i jordens kärna
Nya forskningsrön antyder att det finns ett gigantiskt vätedepå långt under våra fötter – och att det fundamentalt förändrar vår förståelse av var vattnet på jorden egentligen kommer ifrån.
För första gången har forskare uppskattat hur mycket väte som faktiskt kan finnas infångat i själva jordens kärna. Resultatet överraskade alla: det finns potential för dussintals oceaner, som ingen hittills haft en aning om.
Från djuphavshemligheter till detaljerade kärnmodeller
Kunskapen om jordens inre är relativt ny. Först när seismologin blomstrade upp i början av 1900-talet fick vetenskapen möjlighet att ”titta in” i planeten i tvärsnitt. På 1930-talet avslöjade analyser av seismiska vågor att det i centrum finns en hård metallkula omgiven av ett flytande lager – den inre respektive den yttre kärnan.
Genom att beräkna hastigheten hos seismiska vågor kunde forskarna härleda densiteten i dessa djupa zoner. När man jämförde dessa data med sammansättningen hos metalliska meteoriter, växte det fram en relativt enkel bild: kärnan består främst av järn och nickel. Men med tiden blev det uppenbart att detta inte räckte för att förklara densitetsvärdena. Något lättare saknades.
Sedan 1960-talet har geofysiker misstänkt att kärnan också innehåller lätta grundämnen som svavel, kisel, syre, kol – och kanske väte. Problemet är bara att man inte kan nå direkt ner till kärnan, så allt bygger på indirekta spår och mycket precisa mätningar.
Nya laboratorieexperiment visar att jordens kärna kan innehålla så mycket väte att det motsvarar mellan 9 och 45 världshav.
Varför väte i kärnan är så svårt att mäta
Väte är det lättaste och minsta av alla grundämnen. Det tränger igenom mineraler, rör sig fritt och är ytterst svårt att fastställa i mätningar. I studiet av jordens inre fungerar det som brus i svaga dataset: även få procent eller bråkdelar av den totala massan gör en enorm skillnad, men är svåra att uppskatta exakt.
Dessutom finns ytterligare ett problem: alla data om kärnan är indirekta. Forskarna baserar sig på:
- registreringar av seismiska vågor efter jordbävningar,
- mätningar av jordens gravitation och tröghetsmomentet,
- högtrycksförsök på metall- och stenprover i laboratoriet,
- jämförelser med meteoriter, som betraktas som fragment från det tidiga solsystemet.
Utifrån så spridda källor ska man sätta samman en sammanhängande bild. Varje nytt experiment, som bara lite bättre efterliknar förhållandena 3 000 till 5 000 kilometer under oss, är ovärderligt.
Så återskapade forskarna jordens kärna i laboratoriet
I den senaste undersökningen valde geofysikerna att angripa gåtan direkt: de tog en järnlegering motsvarande kärnans sammansättning samt ett material som imiterar det urgamla magmahavets och undersökte sedan hur grundämnena fördelade sig under extrema förhållanden.
Det krävde så kallade diamantceller – specialiserade apparater där två motsatta diamanter pressar mikroskopiska prover till tryck på hundratals gigapascal. Dessutom värmde forskarna materialet med laser till omkring 4 800 grader Celsius, alltså temperaturer nära dem som råder i jordens kärna.
Experimentets två centrala ingredienser såg ut så här:
| Beståndsdel | Roll i experimentet |
|---|---|
| Järnlegering motsvarande kärnan | Simulerar jordens metalliska kärna |
| Silikatglas med vatten | Efterliknar det forntida magmahavet med väteföreningar |
När förhållandena var stabiliserade använde forskarna en teknik kallad atomsondtomografi. Denna metod gör det möjligt att ”se” provets sammansättning nästan atom för atom i tre dimensioner. Därmed kan man räkna exakt hur mycket kisel, syre och väte som finns i den metalliska delen, och hur mycket som finns i silikatdelen.
Hur mycket väte kan det finnas i jordens kärna
De insamlade data visar att kärnan kan innehålla mellan 0,07 och 0,36 procent av sin massa i form av väte. Det låter som en bagatell, men i planetär skala är det ett astronomiskt tal. Teamet beräknade att det motsvarar den vätemängd som skulle behövas för att bilda mellan 9 och 45 oceaner på storleken med nuvarande världshavet.
Bara en bråkdel av en procent väte i kärnan motsvarar en vattenreserv som överträffar alla nutida oceaner tillsammans.
Detta ”gömda” lager betyder naturligtvis inte att det plättar inre hav därnere. I planetens djupaste skikt är vätet bundet i metallstrukturer under gigantiskt tryck. Poängen är att precis så mycket väte har hamnat i kärnan under jordens bildande.
Var kom vattnet på jorden ifrån: två konkurrerande teorier
I årtionden har två huvudhypoteser dominerat debatten om jordens vatten ursprung:
- Vattnet uppstod samtidigt med jorden, när den unga planeten samlade material rikt på flyktiga föreningar.
- Merparten av vattnet anlände senare med kometer och asteroider i form av ett ”regn” av kosmiska projektiler.
Om kärnan verkligen kan rymma väte motsvarande dussintals oceaner, stämmer det mycket bättre med den första teorin. Den förutsätter att det i jordens tidiga historia existerade ett enormt magmahav, som redan innehöll väte och syre. När kärnan och manteln skiljdes från varandra, drog en del av denna blandning sig ner i planetens allra djupaste lager.
Om vattnet däremot främst stammar från senare kometpåverkan, borde väte dominera i de yttre skikten – skorpan och manteln. Men experimentets resultat tyder på ett betydande innehåll av väte i själva kärnan. Det är ett starkt argument för att jorden ”tog med sig sitt vatten” redan vid sin födelse.
Vad väte i kärnan förändrar i vår förståelse av jorden
Om kärnan innehåller väsentliga mängder väte, är det nödvändigt att revidera många befintliga modeller. Väte påverkar nämligen:
- densiteten hos järn-nickellegering under högt tryck,
- smältpunkten och viskositeten hos den flytande yttre kärnan,
- värme- och elektrisk ledningsförmåga inne i planeten,
- det sätt på vilket geodynamon fungerar – alltså den mekanism som skapar jordens magnetfält.
Magnetfältet fungerar som en sköld som skyddar ytan mot solvind och högenergetiska partiklar. Varje förändring i kärnans modeller påverkar därför också prognoserna för hur stabil denna skyddande ”bubbla” kommer att vara på lång sikt.
Vad det betyder för jakten på beboeliga planeter
De nya resultaten har betydelse långt utanför vår egen planet. Astronomer blir allt bättre på att upptäcka steniga exoplaneter, men det är mycket svårt att avgöra om de har vatten, och om de kan behålla det i miljarder år. Om vatten i hög grad kan ”gömma sig” i en planets kärna, bör man inkludera en sådan dold reservoar i modelleringen av avlägsna planeter.
Det kan ändra uppskattningarna för hur många himlakroppar som faktiskt har möjlighet att upprätthålla oceaner på ytan under lång tid. En planet utan vatten i skorpan är inte nödvändigtvis fullständigt torr – en del av reserven kan ha sjunkit djupt in i det inre, precis som de nyaste data antyder i jordens fall.
Osäkerheter och de nästa stegen i forskningen
Forskarna bakom studien understryker själva att resultatet ska betraktas som en första, ännu ofullständig bild. Experiment under så extrema förhållanden är alltid förenade med felrisker: proverna är mikroskopiska, och även den minsta felkalibrering av laser eller sensorer kan förskjuta resultatet.
Därför har andra geofysikerteam redan aviserat egna experiment med varierande järnlegeringssammansättningar, temperaturer och tryck. Om oberoende mätningar pekar på liknande väteinnehåll, kommer hypotesen om en ”fuktig” kärna att stå mycket starkare.
För en vanlig läsare kan det låta överraskande att vi fortfarande vet så lite om jordens djupaste lager. Inte desto mindre ligger gränsen mellan manteln och kärnan längre bort än något havsdjup, och förhållandena därnere kan inte återskapas fullkomligt i ett laboratorium. Just därför vilar geofysiken på en familj av metoder som ömsesidigt kontrollerar och korrigerar varandra.
Vad kan den vanliga läsaren ta med sig
Frågan om väte i kärnan berör flera ämnen som diskuteras oftare än någonsin: klimatförändringar, jordens långsiktiga stabilitet och möjligheterna för liv utanför solsystemet. Det sätt på vilket en planet samlar och förvarar vatten på avgör om den kan upprätthålla oceaner, en atmosfär och till sist en biosfär i miljarder år.
Man kan betrakta sådana undersökningar som en berättelse om jordens ”försäkring”. Om en del av vattnet är gömt djupt nere, blir det planetära systemet mer motståndskraftigt mot förlust av ytvatten – till exempel till följd av intensiv strålning från solen. Omvänt kan en stor reserv i det inre under vissa förhållanden långsamt tillföra de översta skikten nya portioner vatten.
För vetenskapen är det en uppmaning att ännu tätare förbinda data från jordens inre, astronomi och planetär kemi. Ju bättre vi förstår hur vår planet förvaltar vatten från kärna till atmosfär, desto lättare blir det att bedöma var det utanför jorden kan existera motsvarande, långvariga oaser som är gynnsamma för liv.
