Ny forskning antyder att djupt inne i jordens innersta kan det finnas ett enormt förråd av väte – ett fynd som helt förändrar synen på hur vatten kom till vår planet.
En överraskande upptäckt i jordens djup
För första gången har forskare simulerat förhållandena i jordens kärna med sådan precision i laboratoriet. Resultatet chockade till och med geofysikerna själva: i planetens järnkärna kan det finnas så mycket väte att det skulle räcka för att "bygga" mellan 9 och hela 45 oceaner av samma storlek som jordens världshav.
Vatten kan ha funnits på jorden ända från början
Under lång tid dominerade en populär teori om en ung, glödhet jord dit kometer rika på is kraschade miljoner år senare och förde med sig det vatten som blev oceanerna. Men allt fler data utmanar den bilden. De senaste experimenten kring väte i planetkärnan utgör ett av de starkaste argumenten mot teorin om ett "sent bombardemang".
Forskarna visar att ett betydande väteförråd inte finns i manteln eller jordskorpan – utan djupt nere vid järnkärnan, under extremt tryck och extrema temperaturer. En sådan fördelning av grundämnen passar bättre ihop med ett scenario där jorden samlade in det mesta av sitt vatten redan när den bildades ur det ursprungliga moln av damm och gas.
I jordens kärna kan mellan 0,07 och 0,36 procent av massan bestå av väte – tillräckligt för att bilda mellan 9 och 45 oceaner.
Hur vi lärde oss om ett inre vi aldrig kan nå
Ingen och ingenting har någonsin nått jordens kärna. De djupaste borrhålen sträcker sig bara några tiotal kilometer ner – en knappt synlig repa på en planet med radien 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 "röntgenbild" av jordens inre. År 1936 visade den danska seismologen Inge Lehmann att det inre kärnan är fast och omges av ett lager flytande metall. Senare beräkningar av tätheten och jämförelser med metalliska meteoriter ledde till slutsatsen att kärnan huvudsakligen består av järn och nickel.
Med tiden visade det sig dock att en blandning av enbart järn och nickel är för tung jämfört med vad de seismiska data visar. Något späder ut den. Sedan 1960-talet har man misstänkt att det måste finnas inblandningar av lättare grundämnen – men vilka och i vilka mängder har förblivit oklart.
Inte bara järn: en dold "blandning" av grundämnen i kärnan
Teknikens framsteg under 2000-talet har gjort det möjligt att studera kärnans sammansättning noggrannare. Forskning tyder på att det förutom järn och nickel även finns svavel, kisel, syre, kol och väte där nere. Problemet är att mängderna är mycket små och därför svåra att uppskatta exakt.
Väte ställer till med särskilda svårigheter. Det är den lättaste och minsta atomen, och den gömmer sig lätt i metallers kristallstruktur. Varje osäkerhet i seismiska eller experimentella data leder snabbt till ett stort spann av möjliga värden för vätets koncentration.
Ett laboratorium som imiterar en planets kärna
För att få fram bättre siffror blandade ett team geofysiker ihop ett material som liknar den unga jordens förmodade sammansättning. I experimentet användes:
- ett järnprov liknande det material som bygger upp kärnan,
- silikatglas med vatten som representerade den dåtida magmaocean i manteln.
Allt placerades i så kallade diamantceller. Två diamant"städ" pressade ihop provet medan lasrar värmde det till flera tusen grader. På så sätt skapades förhållanden som liknar dem i jordens kärna: ett tryck på ungefär 111 gigapascal och en temperatur på cirka 4 800 grader Celsius.
Forskarna återskapade i miniatyrskala förhållanden som inget borrhål kan nå – ett tryck hundratusentals gånger högre än vid ytan och en temperatur högre än vid solens yta.
Atomtomografi: en karta över grundämnen i nanoskala
När provet hade "kokats" under extrema förhållanden var det dags för analys. Metoden som användes kallas atomsondstomografi. Den går ut på att gradvis "avdunsta" atomer från provets yta och registrera exakt varifrån varje atom kommer.
På det sättet rekonstruerade forskarna en tredimensionell karta över den kemiska sammansättningen i nanometerskala. De kunde räkna ut hur mycket kisel, syre och väte som fanns i provet och sedan koppla resultaten till förhållandena i planetens inre.
| Parameter | Uppskattat värde | Betydelse för jordens kärna |
|---|---|---|
| Väteinnehåll (viktprocent) | 0,07–0,36 % | Minskar kärnans täthet och påverkar densiteten |
| Motsvarighet i oceaner | 9–45 oceaner | Ett enormt potentiellt vattenreservoar |
| Trycknivå | ~111 GPa | Liknar förhållandena i den djupa kärnan |
| Temperatur | ~4 800 °C | Som i de nedre delarna av den yttre kärnan |
Varifrån kom jordens vatten – ett nytt perspektiv
Studiens författare, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications, menar att en så stor mängd väte i kärnan bättre stämmer överens med ett scenario om "medfött" vatten. Enligt detta alternativ samlade jorden upp väte och syre redan när den byggdes upp av de ursprungliga materialkornena. En del av dessa grundämnen hamnade i manteln och atmosfären, medan en del löstes upp i det smälta järnet i kärnan.
Om det mesta av vattnet hade anlänt senare som is från kometer eller vattenhaltiga asteroider borde vätet framför allt finnas i de yttre lagren av planeten. Men resultaten pekar i stället på en betydande väteandel i de allra djupaste partierna av jordens inre.
Fördelningen av väte i jordens inre antyder att vår planet snarare föddes som ett "vått" himmelskropp än som ett glödande klot som senare dusats av med kometregn.
Osäkerheter och kommande tester
Forskarna medger själva att experimentet inte är perfekt. Varje laboratorium måste förenkla förhållandena jämfört med vad som sker 3 000 kilometer under våra fötter. Felkällor kopplade till provets ursprungliga sammansättning eller mättekniken kan inte uteslutas.
Därför planerar redan andra forskargrupper egna experiment med liknande diamantceller och alternativa analysmetoder. Först när samstämmiga resultat från flera laboratorier föreligger går det att snäva in spannet för vätets koncentration och fastställa hur mycket vatten jordens kärna faktiskt "rymmer" räknat i oceaner.
Varför väte i kärnan spelar roll för oss på ytan
Väte i jordens kärna är inte bara en kuriositet om avlägsna djup. Grundämnet påverkar tätheten och flödesegenskaperna hos det flytande järnet i den yttre kärnan. Det avgör i sin tur de metallströmmar som genererar jordens magnetfält.
Ett starkt magnetfält skyddar atmosfären och ytan mot laddade partiklar från solen. Utan detta osynliga "skölde" skulle erosionen av de gaser som omger planeten ske betydligt snabbare, och förutsättningarna för liv skulle se helt annorlunda ut. I den meningen påverkar kärnans sammansättning – inklusive mängden väte – indirekt varför det överhuvudtaget kan finnas oceaner och biosfär på jorden.
Det är också värt att jämföra med andra stenplaneter. Mars har idag ett svagt magnetfält och en tunn atmosfär, och dess forna hav har i stort sett försvunnit. Om modellerna för Mars kärnsammansättning skiljer sig tydligt från jordens kan en del av svaret på varför vissa planeter håller kvar sitt vatten – och andra förlorar det – finnas just i det djupa inre.
Hur man föreställer sig 45 oceaner inuti jordens kärna
Siffror i storleksordningen ett femtiotal oceaner låter abstrakt. Det handlar om den mängd väte som, om det bands ihop med syre, skulle bilda vatten motsvarande 9–45 världshav. Det betyder inte att flytande vatten bubblar runt någonstans djupt nere. Vätet är "inlåst" i metallens och mineralernas struktur i form av atomer – inte droppar.
Ett sådant förråd har betydelse för vattnets långsiktiga kretslopp. Varje vinter och sommar ser vi vatten cirkulera mellan atmosfären, oceanerna och landmassorna. I geologisk tidsskala ser detta kretslopp annorlunda ut: en del vatten färdas nedåt med tektoniska plattor, en del återvänder genom vulkaner, och enorma mängder stannar kvar permanent i manteln och kärnan. Dagens forskning öppnar bara försiktigt dörren till detta dolda reservoar.
Under de kommande åren vill geofysiker kombinera sådana laboratorieexperiment med allt bättre seismiska modeller och datorsimuleringar. Det skulle göra det möjligt att bättre uppskatta hur variationer i kärnans sammansättning påverkar magnetfältet, rörelserna i manteln och i förlängningen förhållandena vid ytan. På ett sätt är oceanernas öde och jordens klimat sammanflätade med det som sker i den glödande, mörka kärnan flera tusen kilometer under oss.
