Jordens inre gömmer vätgas för 45 hav – otroligt fynd

En gigantisk vätereservoar under våra fötter

Ny forskning indikerar att det djupt under jordens yta döljer sig en kolossal vätereservoar som fundamentalt förändrar vår förståelse av vattnets ursprung på jorden.

För första gången har forskare uppskattat exakt hur mycket väte som kan vara fångat i själva jordens inre kärna. Resultatet överraskade alla: Det rör sig om en potential motsvarande dussintals oceaner, som ingen tidigare hade föreställt sig existerade.

Från mysterium till detaljerade modeller av jordens inre

Vår kunskap om planetens inre är relativt ny. Det var först seismologins framväxt i början av 1900-talet som gav oss möjlighet att ”titta in i” jordens tvärsnitt. På 1930-talet avslöjade analyser av seismiska vågor att det i centrum finns en hård metallkula omgiven av ett flytande lager – den inre och yttre kärnan.

Genom att beräkna hastigheten hos seismiska vågor kunde forskarna härleda tätheten i dessa djupa zoner. När dessa siffror jämfördes med sammansättningen av metalliska meteoriter, framträdde en relativt enkel bild: kärnan består främst av järn och nickel. Men efterhand stod det klart att detta inte räckte för att få täthetsberäkningarna att stämma. Något lättare saknades.

Sedan 1960-talet har geofysiker misstänkt att kärnan också måste innehålla lätta grundämnen som svavel, kisel, syre, kol och möjligen väte. Problemet är att det är omöjligt att nå direkt ner till kärnan, så allt bygger på indirekta indicier och mycket exakta mätningar.

Nya laboratorieexperiment visar att jordens kärna kan innehålla så mycket väte att det motsvarar mellan 9 och 45 oceaner.

Därför är väte i kärnan så svårt att påvisa

Väte är det lättaste och minsta av alla grundämnen. Det tränger in i mineraler, rör sig fritt och är extremt svårt att ”fånga” i mätningar. I studiet av jordens struktur fungerar det som brus i svaga dataset: även enstaka procent eller bråkdelar av procent av den totala massan gör en enorm skillnad, men de är nästan omöjliga att kvantifiera exakt.

Därtill kommer ytterligare en utmaning: all data om kärnan är indirekt. Forskarna baserar sig på:

• registreringar av seismiska vågor efter jordbävningar,
• mätningar av jordens tyngdkraft och tröghetsmoment,
• högtrycksexperiment på metall- och stenprover,
• jämförelser med meteoriter som betraktas som ”fragment av det tidiga solsystemet”.

Ur dessa spridda källor ska man sammanställa en sammanhängande bild. Varje nytt experiment som bara lite bättre efterliknar förhållandena 3 000–5 000 kilometer under oss är ovärderligt.

Så återskapade forskarna jordens kärna i laboratoriet

I den senaste undersökningen valde geofysikerna en direkt ansats: de tog en järnlegering motsvarande kärnans sammansättning samt ett material som imiterar det urgamla magmahavet, och undersökte sedan hur grundämnena fördelade sig mellan dem under extrema förhållanden.

För detta ändamål använde de diamantceller – specialutrustning där två motsatta diamanter klämmer mikroskopiska prover till tryck på hundratals gigapascal. Dessutom värmde forskarna materialet med laser till omkring 4 800 °C, alltså temperaturer nära dem som råder i vår planets kärna.

Experimentet involverade två centrala komponenter:

När förhållandena var stabiliserade använde forskarna en teknik kallad atomsondstomografi. Den gör det möjligt att ”se” provets sammansättning nästan atom för atom i tre dimensioner. På så sätt kunde man räkna exakt hur mycket kisel, syre och väte som befann sig i den metalliska delen och hur mycket som fanns i silikatdelen.

Så mycket väte kan rymmas i jordens kärna

De insamlade data tyder på att kärnan kan innehålla mellan 0,07 och 0,36 procent av sin massa i form av väte. Det låter som en obetydlig mängd, men i planetär skala är det ett astronomiskt tal. Forskarteamet beräknade att det motsvarar tillräckligt med väte för att bilda mellan 9 och 45 oceaner med en volym jämförbar med nuvarande världshavet.

En bråkdel av en procent väte i kärnan motsvarar en vattenreservoar som är större än alla nuvarande oceaner tillsammans.

Denna ”dolda” reservoar betyder naturligtvis inte att det skvalpande hav finns där inne under oss. I planetens djup är vätet bundet i metallstrukturer under gigantiskt tryck. Poängen är att i planetär måttstock har exakt denna mängd väte hamnat i kärnan när jorden bildades.

Vattnets ursprung på jorden: två konkurrerande teorier

I åratal har två huvudhypoteser förklarat varifrån jordens vatten härstammar:

• Vattnet uppstod samtidigt med jorden, när den unga planeten samlade materia rikt på flyktiga föreningar.
• Merparten av vattnet anlände senare med kometer och asteroider i form av ett ”bombardemang” av kosmiska projektiler.

Om kärnan faktiskt kan rymma väte motsvarande dussintals oceaner, understödjer det i mycket högre grad den första teorin. Den förutsätter att det i jordens tidiga historia existerade ett enormt magmahav som redan innehöll väte och syre. En del av denna blandning hamnade i planetens djupaste lager när kärnan och manteln separerades.

I det scenariot där vattnet främst kommer från senare kometbombardement borde vätet snarare dominera i de yttre lagren – i skorpan och manteln. Experimentets resultat pekar emellertid på en betydande väteandel i själva kärnan. Det är ett starkt argument för att jorden ”tog med sig sitt vatten” redan från födelsen.

Vad detta väte förändrar i vår syn på jorden

Om kärnan innehåller väsentliga mängder väte måste många befintliga modeller revideras. Väte påverkar nämligen:

• tätheten hos järn-nickel-legeringen under högt tryck,
• smältpunkten och viskositeten hos den flytande yttre kärnan,
• den termiska och elektriska ledningsförmågan inne i planeten,
• det sätt på vilket geodynamon fungerar – den mekanism som genererar jordens magnetfält.

Magnetfältet fungerar som en sköld som skyddar ytan mot solvind och högenergipartiklar. Varje förändring i kärnmodellerna får därför också konsekvenser för prognoserna om detta skyddande ”lagers” stabilitet på lång sikt.

Kopplingen till sökandet efter beboeliga planeter

De nya resultaten har betydelse långt utanför vår egen planet. Astronomer upptäcker allt fler steniga exoplaneter, men det är mycket svårt att bedöma om de har vatten och kan behålla det under miljarder år. Om vatten i stor utsträckning kan ”gömma sig” i en kärna är det nödvändigt att inkludera en sådan dold reservoar i modelleringen av avlägsna planeter.

Det kan förändra uppskattningarna av hur många himlakroppar som faktiskt kan upprätthålla oceaner på ytan under lång tid. En planet utan vatten i skorpan behöver inte alls vara fullständigt torr – en del av reservoaren kan ha förflyttat sig djupt ner i inre, precis som de senaste data antyder för jordens del.

Osäkerheter och nästa steg i forskningen

Forskarna bakom undersökningen understryker själva att resultatet ska betraktas som en första, ännu ofullständig bild. Experiment under så extrema förhållanden är alltid förknippade med felrisk: proverna är mikroskopiska, och varje fel i kalibreringen av laser eller sensorer kan förskjuta resultatet.

Därför har andra geofysikergrupper redan annonserat egna försök med varierande järnlegeringssammansättningar, temperaturer och tryck. Om oberoende mätningar pekar på liknande väteinnehåll kommer hypotesen om en ”vattnig” kärna att vinna betydligt mer trovärdighet.

För den vanliga läsaren kan det verka överraskande att vi fortfarande vet så lite om jordens djupaste lager. Men gränsen mellan manteln och kärnan ligger djupare än någon havsbotten, och förhållandena där nere är omöjliga att återskapa fullständigt. Just därför baserar sig geofysiken på en familj av metoder som ömsesidigt kontrollerar och korrigerar varandra.

Vad kan en vanlig läsare ta med sig från detta

Frågan om väte i kärnan förbinder flera ämnen som det talas mer och mer om: klimatförändringar, den långsiktiga stabiliteten hos förhållandena på jorden och möjligheterna för liv utanför solsystemet. Det sätt på vilket en planet samlar och förvarar vatten avgör om den kan upprätthålla oceaner, en atmosfär och i slutändan en biosfär under miljarder år.

I praktiken kan man betrakta sådan forskning som en berättelse om jordens ”försäkring”. Om en del av vattnet är gömt djupt nere blir det planetariska systemet mer motståndskraftigt mot vattenförlust från ytan – exempelvis till följd av intensifierad strålning från en stjärna. Omvänt kan en stor reservoar i det inre under vissa förhållanden långsamt förse de översta lagren med nya portioner vatten.

För vetenskapen är det en uppmaning att ännu tätare sammanföra data från jordens inre fysik, astronomi och planetkemi. Ju bättre vi förstår hur vår planet hanterar vatten från kärnan till atmosfären, desto lättare är det att bedöma var det utanför jorden kan existera motsvarande, långvariga oaser som är gynnsamma för liv.