En gigantisk vätereservoar djupt under våra fötter
Långt under marken döljer sig enligt nya forskningsrön ett enormt förråd av väte – ett fynd som fullständigt förändrar synen på vattnets ursprung på vår planet. För första gången har forskare faktiskt beräknat hur mycket väte som kan vara inneslutet direkt i jordens kärna.
Geofysiker har länge misstänkt att jordens kärna innehåller mer än bara järn och nickel. Nu har de senaste laboratorieexperimenten gett ett häpnadsväckande svar: mängden väte kan räcka till att fylla hela 9 till 45 hav i storleksordningen med dagens Världshav.
Dessa resultat har vittgående konsekvenser – inte bara för förståelsen av vår egen planet, utan också för jakten på beboeliga världar utanför solsystemet. Om jorden kan gömma undan merparten av sitt vatten djupt i det inre, kan samma mekanism vara verksam hos avlägsna steniga exoplaneter.
Från seismologi till detaljerade kärnmodeller
Kunskapen om planetens inre är relativt ung. Det var först i och med seismologins genombrott i början av 1900-talet som det blev möjligt att "skåda" in i jordens tvärsnitt. Under 1930-talet avslöjade analys av seismiska vågor att jordens centrum utgörs av en fast metallkula omgiven av ett flytande lager – den inre respektive yttre kärnan.
Genom att mäta hastigheten hos seismiska vågor kunde forskarna beräkna tätheten i dessa djupa zoner. När de jämförde dessa data med sammansättningen hos järnmeteorider framträdde en relativt enkel bild: kärnan består huvudsakligen av järn och nickel. Med tiden stod det dock klart att detta inte räckte för att förklara de uppmätta täthetsvärden. Det saknades något lättare element.
Sedan 1960-talet har geofysiker misstänkt att kärnan även måste innehålla lättare grundämnen som svavel, kisel, syre, kol – och möjligen väte. Problemet är att kärnan är helt oåtkomlig för direkta prover, vilket innebär att allt bygger på indirekta ledtrådar och ytterst känsliga mätningar.
Varför väte i kärnan är så svårt att spåra
Väte är det lättaste och minsta av alla grundämnen. Det tränger igenom mineral, förflyttar sig med lätthet och är svårt att fånga i mätningar. I kartläggningen av jordens inre fungerar det ungefär som brus i svaga datasignaler: enstaka procent eller bråkdelar av procent av massan gör enorm skillnad, men en exakt uppskattning är notoriskt svår att göra.
Till detta kommer att alla data om kärnan är indirekta. Forskarna förlitar sig på:
- Seismiska vågregistreringar efter jordbävningar
- Mätningar av planetens gravitation och tröghetsmomentet
- Högtrycksexperiment på metall- och bergartsprover
- Jämförelser med meteoriter som anses vara fragment från det tidiga solsystemet
- Atomsondstomografi för analys av materialets sammansättning
- Simuleringar i diamantstämplar under extrema förhållanden
Ur dessa spridda källor måste man sätta ihop en sammanhängande helhetsbild. Varje nytt experiment som på ett lite bättre sätt efterliknar förhållandena tre till fem tusen kilometer under oss är därför ovärderligt.
Hur forskarna återskapade jordens kärna i laboratoriet
I de senaste studierna valde geofysikerna att ta sig an gåtan direkt: de tog en järnlegering med en sammansättning som liknar kärnans och ett material som imiterar det ursprungliga magmahavet, och undersökte sedan hur grundämnena fördelade sig mellan dem under extrema förhållanden.
För det behövdes diamantstämplar – specialapparater där två motstående diamanter pressar ihop mikroskopiska prover till trycknivåer mätta i hundratals gigapascal. Dessutom värmdes materialet med laser till ungefär 4 800 grader Celsius, alltså temperaturer nära dem som råder i jordens kärna.
Experimentet hade två nyckelkomponenter: en järn-nickellegering med inblandning av kisel som representerade kärnans metalliska del, samt ett silikatmaterial som efterliknade planetens forntida mantel. När förhållandena hade stabiliserats använde forskarna en teknik kallad atomsondstomografi. Den gör det möjligt att "se" provets sammansättning nästan atom för atom i tre dimensioner.
Tack vare detta kunde man räkna ut exakt hur mycket kisel, syre och väte som finns i den metalliska delen respektive silikatdelen. Resultaten visar att kärnan kan innehålla 0,07 till 0,36 procent av sin massa i form av väte. Det låter som en liten siffra – men i planetär skala rör det sig om enorma mängder.
Hur mycket väte ryms egentligen i jordens kärna?
Forskarteamet beräknade att detta motsvarar den mängd väte som skulle behövas för att skapa 9 till 45 hav med en volym jämförbar med dagens Världshav. En bråkdel av en procent väte i kärnan översätts alltså till en vattenmängd som överstiger alla nuvarande oceaner sammanlagt.
Det innebär inte att det porelar hav någonstans under oss. På de djup där detta väte finns är det bundet i metallstrukturer under gigantiskt tryck. Poängen är att under jordens bildningsskede trängde just så mycket väte ned i kärnan – och det säger oss något fundamentalt om hur planeten uppstod.
Två konkurrerande teorier om vattnets ursprung på jorden
Sedan länge finns det två huvudhypoteser om hur vatten kom till vår planet. Den första föreslår att vattnet bildades tillsammans med jorden, när den unga planeten samlade ihop materia rik på flyktiga ämnen. Den andra hävdar att huvuddelen av vattnet anlände senare med kometer och asteroider – en kosmisk regn av projektiler.
Om kärnan rymmer väte i en mängd som motsvarar tiotals hav passar det betydligt bättre med det första scenariot. Det förutsätter att det i jordens tidiga historia existerade ett enormt magmahav som redan innehöll väte och syre. En del av denna blandning trängde under separationen av kärna och mantel ned till de djupaste delarna av planeten.
I det scenario där vattnet huvudsakligen härstammar från senare kometpåslag borde vätet dominera i de yttre lagren – i skorpan och manteln. Experimentresultaten antyder däremot en betydande andel väte i själva kärnan. Det är ett starkt argument för att jorden "tog med sig" merparten av sitt vatten redan vid sin tillblivelse.
Hur väte i kärnan påverkar jordens magnetfält
Om kärnan verkligen innehåller betydande mängder väte måste många befintliga modeller ses över. Väte påverkar nämligen:
- Tätheten hos järn-nickelegeringen vid högt tryck
- Smältpunkten och viskositeten hos det flytande yttre kärnskiktet
- Värme- och elektrisk ledningsförmåga inne i planeten
- Sättet på vilket geodynamon fungerar – den mekanism som genererar jordens magnetfält
Magnetfältet fungerar som en sköld som skyddar ytan mot solvinden och högenergetiska partiklar. Varje förändring i kärnmodellerna påverkar därmed också prognoserna för stabiliteten hos detta skyddande "skal" på lång sikt.
Vad det innebär för jakten på livsbärande planeter
De nya rönen är inte bara relevanta för vår egen planet. Astronomer blir allt skickligare på att upptäcka steniga exoplaneter, men det är fortfarande mycket svårt att avgöra om de har vatten och om de kan behålla det i miljarder år. Om vatten till stor del kan "gömma sig" i en planets kärna måste man ta hänsyn till sådana dolda reservoarer när man modellerar avlägsna världar.
Det kan förändra uppskattningarna av hur många himlakroppar som faktiskt har möjlighet att långsiktigt upprätthålla oceaner på ytan. En planet utan vatten i skorpan behöver inte alls vara helt torr – en del av förrådet kan ha trängt djupt ned mot centrum, precis som de senaste resultaten antyder för jordens del.
Forskningen är lovande – men ännu inte fullständig
Studiernas författare betonar själva att resultaten bör ses som en första, ännu oskarp bild. Experiment under så extrema förhållanden är alltid förenade med felrisker: proverna är mikroskopiska, och varje kalibringsfel i laser eller sensorer kan förskjuta resultatet.
Redan nu meddelar andra geofysikteam att de planerar egna försök med varierande legeringssammansättningar, temperaturer och trycknivåer. Om oberoende mätningar ger liknande värden för väteinnehållet kommer hypotesen om en "vattenrik" kärna att stärkas avsevärt.
Vad detta betyder för den vanlige läsaren
Frågan om väte i kärnan knyter samman flera ämnen som diskuteras allt oftare: klimatförändringar, den långsiktiga stabiliteten av förhållandena på jorden och möjligheterna till liv utanför solsystemet. Hur en planet samlar upp och bevarar vatten avgör om den kan upprätthålla oceaner, en atmosfär och slutligen en biosfär under miljarder år.
I praktiken kan man se sådan forskning som berättelsen om jordens "försäkring". Om en del av vattnet är gömt på djupet är det planetära systemet mer motståndskraftigt mot att förlora vatten från ytan – till exempel till följd av intensivare strålning från stjärnan. Å andra sidan kan en stor reservoar mitt i planeten under vissa betingelser långsamt förse de övre lagren med nya doser vatten.
För vetenskapen är detta en sporre att ännu tätare koppla samman data från geofysik, astronomi och planetär kemi. Ju bättre vi förstår hur vår planet hanterar vatten från kärnan till atmosfären, desto lättare kan vi avgöra var det utanför jorden kan finnas liknande långvariga oasmiljöer som är gynnsamma för liv.
