Ny forskning förändrar synen på vattnets ursprung på jorden
Ny forskning antyder att jordens djupaste inre kan dölja ett enormt förråd av väte – ett fynd som fundamentalt förändrar hur vi förstår vattnets ursprung på vår planet.
För första gången har forskare lyckats simulera förhållandena i jordens kärna med denna precision i ett laboratorium. Resultatet förvånade till och med geofysikerna: i planetens järnkärna kan det finnas så mycket väte att det skulle räcka för att "bygga" mellan 9 och hela 45 oceaner liknande jordens egna.
Vatten kan ha funnits på jorden ända från början
Under lång tid dominerade föreställningen om en ung, glödhet jord som miljoner år senare bombarderades av isrika kometer. Dessa kometer ansågs ha levererat vattnet som sedan bildade oceanerna. Men allt fler data ifrågasätter den berättelsen, och de senaste experimenten med väte i planetkärnan utgör nu ett av de starkaste argumenten mot teorin om ett "sent bombardemang".
Forskarna visar att ett betydande väteförråd inte befinner sig i de yttre lagren av manteln eller jordskorpan, utan djupt nere vid järnkärnan, under extremt tryck och vid extrema temperaturer. En sådan fördelning av grundämnen stämmer bättre överens med ett scenario där jorden fångade upp större delen av sitt vatten redan när den formades ur det ursprungliga moln av stoft och gas.
I jordens kärna kan mellan 0,07 och 0,36 procent av massan bestå av väte – tillräckligt för att bilda 9 till 45 oceaner.
Så kartlägger vi ett inre som aldrig kan nås direkt
Ingen människa eller maskin har någonsin nått jordens kärna. De djupaste borrhålen når bara några tiotal kilometer ner – en symbolisk repa på planetens radie på 6 400 kilometer. Kunskapen om jordens inre kommer därför från indirekta metoder, framför allt analys av seismiska vågor från jordbävningar.
Redan i början av 1900-talet möjliggjorde seismologins framsteg en slags röntgenundersökning av jordens inre. År 1936 visade den danska seismologen Inge Lehmann att den inre kärnan är fast och omges av ett lager av flytande metall. Senare täthetberäkningar och jämförelser med metalliska meteoriter ledde till slutsatsen att kärnan till största delen består av järn och nickel.
Med tiden visade det sig dock att en blandning av enbart järn och nickel är för tung i förhållande till vad seismiska data indikerar. Något späder ut den. Sedan 1960-talet har man misstänkt att lättare grundämnen måste finnas inblandade, men det var länge oklart vilka och i vilka mängder.
Inte bara järn: en dold "blandning" av grundämnen i kärnan
Experimentella tekniker under 2000-talet har gjort det möjligt att studera kärnans sammansättning noggrannare. Forskning pekar på att det förutom järn och nickel också finns svavel, kisel, syre, kol och väte där nere. Problemet är att mängderna är mycket små och svåra att uppskatta exakt.
Väte ställer till med särskilda svårigheter. Det är den lättaste och minsta atomen, som enkelt "gömmer sig" i metallernas kristallstruktur. Varje osäkerhet i seismiska eller experimentella data leder snabbt till stor spridning i möjliga värden för vätehalten.
Ett laboratorium som efterliknar planetkärnans miniformat
För att få fram bättre siffror förberedde ett forskarlag en blandning som motsvarade den unga jordens förmodade sammansättning. I experimentet användes:
- ett järnprov liknande det material som utgör kärnan,
- kiselsilikatglas med vatten, representerande den dåtida magmaocean i manteln.
Allt placerades i så kallade diamantceller. Två diamant"städ" pressade samman provet medan lasrar värmde det till flera tusen grader. På så sätt uppnåddes förhållanden liknande dem i jordens kärna: ett tryck på cirka 111 gigapascal och en temperatur på ungefär 4 800°C.
Forskarna återskapade i miniatyr förhållanden som inget borrhål kan nå: ett tryck hundratusentals gånger högre än vid jordytan och en temperatur varmare än solens yta.
Atomtomografi: en karta över grundämnen i nanoskala
Efter att provet "kokats" under extrema förhållanden var det dags för analys. Man använde en avancerad metod kallad atomsondstomografi. Den går ut på att successivt "avdunsta" atomer från provets yta och registrera exakt varifrån de härstammar.
Tack vare detta rekonstruerade forskarna en tredimensionell karta över den kemiska sammansättningen i nanometerskala. Det gick att räkna ut hur mycket kisel, syre och väte som fanns i provet, och sedan relatera resultaten till förhållandena djupt inne i planeten.
| Parameter | Uppskattat värde | Betydelse för jordens kärna |
|---|---|---|
| Vätehalt (viktprocent) | 0,07–0,36 % | Minskar kärnans densitet och påverkar dess täthet |
| Motsvarighet i oceaner | 9–45 oceaner | Ett enormt potentiellt vattenförråd |
| Trycknivå | ~111 GPa | Liknar förhållandena i den djupa kärnan |
| Temperatur | ~4 800°C | Som i den yttre kärnans nedre delar |
Vattnets ursprung på jorden – ett nytt perspektiv
Forskarna, vars studie publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications, menar att en så stor mängd väte i kärnan bättre stämmer överens med scenariot om ett "medfött" vatten. Enligt detta alternativ samlade jorden upp väte och syre redan under sin bildning från de ursprungliga byggklossarna. En del av dessa grundämnen hamnade i manteln och atmosfären, medan en del löstes upp i kärnans smälta järn.
Om huvuddelen av vattnet istället anlände senare i form av is från kometer eller vattenrika asteroider, borde vätet framför allt förekomma i planetens yttre lager. Men resultaten pekar istället på en betydande andel väte i de allra djupaste delarna av jordens inre.
Fördelningen av väte i jordens inre tyder på att vår planet snarare föddes som ett "vått" himmelskropp, än som ett utbränt klot som senare duschaes av kometregn.
Osäkerheter och kommande tester
Forskarna erkänner själva att experimentet inte är perfekt. Varje laboratorium måste förenkla förhållandena jämfört med vad som sker 3 000 kilometer under våra fötter. Felkällor kan finnas i provets ursprungliga sammansättning eller i själva mättekniken.
Därför planerar redan andra forskargrupper egna experiment med liknande diamantceller och alternativa analysmetoder. Först när samstämmiga resultat från flera laboratorier föreligger kan man snäva in vätehalten och bättre avgöra hur mycket vatten som faktiskt kan "pressas ut" ur kärnan räknat i oceaner.
Varför väte i kärnan spelar roll för oss vid ytan
Väte i jordens kärna är inte bara en kuriosa om avlägsna djup. Grundämnet påverkar densiteten och fluiditeten hos det flytande järnet i den yttre kärnan. Det i sin tur avgör metallens flöden, som genererar jordens magnetfält.
Det starka magnetfältet skyddar atmosfären och ytan mot laddade partiklar från solen. Utan detta osynliga "sköld" skulle erosionen av planetens omgivande gaser gå betydligt snabbare, och livsbetingelserna skulle se helt annorlunda ut. I den meningen påverkar kärnans sammansättning – inklusive vätemängden – indirekt det faktum att oceaner och biosfär alls kan existera på jorden.
Det är också värt att jämföra med andra stenplaneter. Mars har idag ett svagt magnetfält och en tunn atmosfär, och dess forntida hav har i princip försvunnit. Om modellerna för Mars kärnsammansättning skiljer sig tydligt från jordens, kan en del av svaret på varför vissa planeter behåller vatten och andra förlorar det, faktiskt finnas gömt djupt i deras inre.
Hur man föreställer sig 45 oceaner i jordens kärna
Siffror i storleksordningen tiotals oceaner låter abstrakt. Det handlar om en mängd väte som, om det bundits med syre, skulle ge vatten motsvarande 9 till 45 oceaner med liknande volym som världshavet. Det betyder inte att det någonstans djupt nere skvimpar flytande vatten. Vätet är "fångat" i metallers och mineralers struktur, i form av atomer – inte droppar.
Ett sådant förråd har betydelse för vattnets långsiktiga kretslopp. Sommar och vinter ser vi vatten cirkulera mellan atmosfär, oceaner och landmassor. I geologisk tidskala ser cykeln annorlunda ut: en del vatten rör sig ner i djupet med tektoniska plattor, en del återvänder via vulkaner, och enorma mängder stannar kvar permanent i mantelns och kärnans djupa lager. Dagens forskning öppnar bara lite på dörren till detta dolda reservoar.
Under de kommande åren vill geofysiker kombinera sådana laboratorieexperiment med allt bättre seismiska modeller och datorsimulationer. Det kan ge en klarare bild av hur förändringar i kärnans sammansättning påverkar magnetfältet, mantelns rörelser och i förlängningen förhållandena vid ytan. I en viss mening är oceanernas öden och jordens klimat sammanflätade med det som sker i den glödande, mörka kärnan flera tusen kilometer under oss.
