Väte gömt i jordens innersta – nog för att fylla 45 hav
Ny forskning tyder på att jordens djupaste inre kan dölja ett enormt förråd av väte – ett fynd som förändrar hur vi ser på vattnets ursprung på vår planet.
För första gången har forskare lyckats simulera förhållandena i jordens kärna med sådan precision i laboratorium. Resultatet förvånade till och med geofysikerna själva: i planetens järnkärna kan det finnas så mycket väte att det skulle räcka till att "bygga" mellan 9 och 45 hav av samma storlek som jordens.
Kanske fanns vatten på jorden redan från början
Under lång tid dominerade föreställningen om en ung, glödhet jord som miljontals år senare bombades av isrika kometer. Dessa kometer antogs ha levererat det vatten som sedan bildade haven. Men allt fler rön ifrågasätter den bilden, och de senaste experimenten med väte i planetens kärna utgör ett av de starkaste argumenten mot teorin om sen bombardemang.
Forskarna visar att ett betydande vatenlager inte finns i de yttre lagren av manteln eller jordskorpan, utan djupt inne vid järnkärnan, under extremt tryck och extrema temperaturer. En sådan fördelning av grundämnen stämmer bättre med ett scenario där jorden fångade upp större delen av sitt vatten redan när den bildades ur ett ursprungligt moln av damm och gas.
I jordens kärna kan 0,07 till 0,36 procent av massan utgöras av väte – tillräckligt för att motsvara 9 till 45 hav.
Hur vi lär känna ett inre vi aldrig kan nå
Ingen och ingenting har någonsin nått jordens kärna direkt. De djupaste borrningarna sträcker sig bara ett tiotal kilometer – en symbolisk repa på en planet med en 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 genomlysning av jorden, liknande röntgen på en kropp. År 1936 visade den danska seismologen Inge Lehmann att jordens inre kärna är fast och omges av ett lager flytande metall. Senare täthetberäkningar 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 i förhållande till vad seismiska data anger. Något gör blandningen lättare. Sedan 1960-talet har man misstänkt att lättare grundämnen måste finnas inblandade – men vilka och i vilka mängder har länge förblivit oklart.
Inte bara järn: en dold "blandning" av grundämnen i kärnan
Framsteg inom experimentella tekniker under 2000-talet har gjort det möjligt att studera kärnans sammansättning noggrannare. Forskning tyder på att det utöver järn och nickel finns bland annat svavel, kisel, syre, kol och väte. Problemet är att mängderna är mycket små, vilket gör dem svåra att uppskatta exakt.
Väte ställer till med särskilda svårigheter. Det är den lättaste och minsta atomen, som lätt "gömmer sig" i metallernas kristallstruktur. Varje osäkerhet i seismiska eller experimentella data leder snabbt till stora variationsintervall för dess halt.
Ett laboratorium som en miniatyrversion av planetens kärna
För att få fram bättre siffror förberedde ett geofysiklag en blandning som motsvarade den unga jordens förmodade sammansättning. I experimentet användes:
- ett järnprov liknande det material som kärnan består av,
- silikatglas med vatten, representerande den dåtida magmahavet 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 uppnåddes förhållanden som liknar dem i jordens kärna: ett tryck på omkring 111 gigapascal och en temperatur på ungefär 4 800 grader Celsius.
Forskarna återskapade i mikroskala förhållanden som inget borrhål kan nå: hundratusentals gånger högre tryck än vid ytan och temperaturer hetare än solens yta.
Atomtomografi: en karta över grundämnen i nanoskala
När provet hade "tillagats" under extrema förhållanden var det dags för analys. Man tillämpade en avancerad metod kallad atomsondstomografi. Tekniken går ut på att stegvis "ångkoka bort" atomer från provets yta och registrera exakt varifrån de kommer.
Därigenom rekonstruerade forskarna en tredimensionell karta över den kemiska sammansättningen i nanometerskala. Det gick att räkna ut hur mycket kisel, syre och väte provet innehöll, och sedan relatera resultaten till förhållandena djupt inne i planeten.
| Parameter | Uppskattat värde | Betydelse för jordens kärna |
|---|---|---|
| Väteinnehåll (viktprocent) | 0,07–0,36 % | Gör kärnan lättare och påverkar tätheten |
| Motsvarighet i hav | 9–45 hav | Ett enormt potentiellt vattenförråd |
| Trycknivå | ~111 GPa | Liknar förhållandena i den djupa kärnan |
| Temperatur | ~4 800 °C | Som i de nedre delarna av den yttre kärnan |
Vattnets ursprung på jorden – ett nytt perspektiv
Forskarna bakom studien, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications, menar att en så stor mängd väte i kärnan bättre stämmer överens med ett scenario där vatten var "medfött". Enligt det alternativet samlade jorden upp väte och syre redan under sin tillblivelse ur ursprungliga materiefragment. 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 i form av is från kometer eller vattenrika asteroider, borde vätet i första hand finnas i planetens yttre lager. Men resultaten pekar i stället på en betydande väteandel i de allra djupaste delarna av jordens inre.
Fördelningen av väte i jordens inre antyder att vår planet snarare föddes som ett "vått" himmelskropp, än som ett utbränt klot som sedan bevattnas av en kometdusch.
Osäkerheter och kommande tester
Forskarna själva erkänner att experimentet inte är perfekt. Varje laboratorium måste förenkla förhållandena jämfört med vad som faktiskt sker 3 000 kilometer under våra fötter. Felkällor kan finnas i provets ursprungliga sammansättning eller i själva mättekniken.
Därför planerar andra forskargrupper redan egna experiment med liknande diamantceller och alternativa analysmetoder. Först när samstämmiga resultat från flera laboratorier föreligger kan intervallet för vätehalten snävas in, och vi kan bättre avgöra hur mycket vatten som faktiskt kan "pressas ut" ur kärnan räknat i antal hav.
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 metallrörelserna som alstrar jordens magnetfält.
Ett starkt magnetfält skyddar atmosfären och ytan mot laddade partiklar från solen. Utan detta osynliga "skydd" skulle erosionen av gaserna kring planeten gå betydligt snabbare, och förutsättningarna för liv skulle se helt annorlunda ut. I den meningen påverkar kärnans sammansättning – inklusive vätemängden – indirekt varför hav och biosfär överhuvudtaget kan existera på jorden.
Det är också värt att jämföra med andra stenplaneter. Mars har i dag ett svagt magnetfält och en tunn atmosfär, och dess forna hav har i det närmaste försvunnit. Om modellerna för Mars kärnsammansättning skiljer sig markant från jordens, kan en del av svaret på varför vissa planeter behåller sitt vatten medan andra förlorar det ligga just i planeternas djupa inre.
Hur man föreställer sig 45 hav i jordens kärna
Siffror i storleksordningen några tiotal hav låter abstrakt. Det handlar om en mängd väte som, om det bands till syre, skulle ge vatten motsvarande 9 till 45 hav med samma volym som världshavet. Det innebär inte att det svävar flytande vatten någonstans på djupet. Vätet är "fångat" i metallens och mineralernas struktur i form av atomer, inte droppar.
Ett sådant förråd har betydelse för vattnets långsiktiga kretslopp. Sommar och vinter ser vi vatten cirkulera mellan atmosfären, haven och landmassorna. I geologisk tidsskala ser det kretsloppet annorlunda ut: en del vatten sjunker ned med tektoniska plattor, en del återvänder via vulkaner, och enorma mängder stannar permanent i mantelns och kärnans djupa lager. Dagens forskning öppnar bara en liten springa mot detta dolda reservoar.
Under kommande år vill geofysikerna kombinera sådana laboratorieexperiment med allt bättre seismiska modeller och datorsimulationer. Det kommer att göra det möjligt att bättre uppskatta hur förändringar i kärnans sammansättning påverkar magnetfältet, mantelrörelserna och i förlängningen förhållandena på ytan. I viss mening är havens och klimatets öde på jorden sammanflätat med vad som sker i den glödande, mörka kärnan flera tusen kilometer under oss.
