En gigantisk vätereserv djupt under våra fötter
Enligt ny forskning döljer sig en kolossal mängd väte långt nere under jordens yta — en upptäckt som i grunden förändrar vår förståelse av vattnets ursprung. För första gången har forskare beräknat exakt hur mycket väte som kan vara fångat direkt i jordens kärna.
Geofysiker har i åratal haft en känsla av att kärnan förutom järn och nickel också innehåller lättare grundämnen. Men först de senaste laboratorieexperimenten har avslöjat ett överraskande resultat: mängden väte därinne kan motsvara allt från 9 till 45 oceaner på samma storlek som nuvarande världshavet.
Dessa fynd har långtgående konsekvenser — inte bara för förståelsen av vår egen planet, utan också för jakten på beboeliga världar utanför solsystemet. Om jorden är kapabel att gömma merparten av sitt vatten djupt i sitt inre, kan en liknande mekanism mycket väl gälla för avlägsna, steniga exoplaneter.
Från mysterium till detaljerade modeller: Jordens kärna
Vår kunskap om planetens inre är relativt ung. Det var först utvecklingen av seismologin i början av nittonhundratalet som gjorde det möjligt att ”se” jordens tvärsnitt. På trettiotalet avslöjade analyser av seismiska vågor att det i centrum finns en fast metallklump omgiven av ett flytande lager — den inre och den yttre kärnan.
Genom att beräkna hastigheten hos seismiska vågor kunde forskare bestämma densiteten i dessa djupa zoner. Jämförelsen med sammansättningen av järnmeteoriter gav en relativt enkel bild: kärnan består främst av järn och nickel. Men efterhand stod det klart att detta inte räckte för att förklara de uppmätta densitetsvärdena. Något lättare saknades.
Från sextiotalet började geofysiker misstänka att kärnan måste innehålla lätta grundämnen: svavel, kisel, syre, kol och möjligen väte. Problemet är att man inte kan nå kärnan direkt, så allt hänger på indirekta bevis och extremt precisa mätningar.
Varför väte i kärnan är så svårt att påvisa
Väte är det lättaste och minsta av alla grundämnen. Det tränger igenom mineraler, rör sig lätt och är svårt att fastställa i mätningar. I kartläggningen av jordens struktur uppträder det som brus i svaga dataset — även enstaka procent eller bråkdelar av en procent i viktandel gör en enorm skillnad, men precisa uppskattningar är notoriskt svåra att få fram.
Därtill kommer att all data om kärnan är indirekt. Forskarna stödjer sig på:
- Registreringar av seismiska vågor efter jordbävningar
- Mätningar av tyngdkraft och planetens trögheetsmoment
- Högtrycksexperiment på metall- och bergartsprover
- Jämförelse med meteoriter, som betraktas som ”bitar av det tidiga solsystemet”
- Atomsond-tomografi för analys av materials sammansättning
- Simuleringar i diamantambolt-apparater under extrema förhållanden
Utifrån så spridda källor ska man sätta samman en sammanhängande bild. Varje nytt experiment som bara lite bättre efterliknar förhållandena tre till fem tusen kilometer under oss har enormt vetenskapligt värde.
Så återskapade forskarna jordens kärna i laboratoriet
I den senaste forskningen valde geofysikerna att gå direkt på problemet: de tog en järnlegering motsvarande kärnans sammansättning samt ett material som efterliknar ett urgammalt magmahav, och undersökte hur grundämnena fördelar sig mellan dem under extrema förhållanden.
För detta använde de diamantambolt-apparater — specialutrustning där två motstående diamanter pressar mikroskopiska prover till tryck uppmätt i hundratals gigapascal. Dessutom värmde forskarna materialet med laser till cirka 4 800 grader Celsius, alltså temperaturer nära dem som råder i vår planets kärna.
Experimentet bestod av två centrala komponenter: en järn-nickel-legering med kiseltillsats som representerar kärnans metalliska del, och ett silikatmaterial som efterliknar planetens urgamla mantel. När förhållandena stabiliserats använde forskarna en teknik kallad atomsond-tomografi, som gör det möjligt att ”se” provets sammansättning nästan atom för atom i tre dimensioner.
På denna grund kunde man beräkna precis hur mycket kisel, syre och väte som befann sig i respektive den metalliska och den silikatbaserade delen. Resultaten visar att kärnan kan innehålla från 0,07 till 0,36 procent av sin massa i form av väte. Det låter som en bagatell — men i planetär skala är det ett astronomiskt tal.
Hur mycket väte kan jordens kärna rymma
Forskargruppen beräknade att denna mängd motsvarar tillräckligt med väte för att bilda 9 till 45 oceaner med en volym jämförbar med det nuvarande världshavet. En bråkdel av en procent väte i kärnan översätts alltså till en vattenreserv större än alla nuvarande oceaner tillsammans.
Denna ”gömda” reserv betyder naturligtvis inte att det plaskande hav någonstans djupt under oss. I planetens inre är vätet bundet i metallstrukturer under ett gigantiskt tryck. Poängen är att i planetär skala trängde just denna mängd väte in i kärnan under jordens bildande.
Två konkurrerande teorier om vattnets ursprung på jorden
I åratal har två huvudhypoteser gjort sig gällande för att förklara varifrån vattnet på jorden kommer. Den första antar att vattnet uppstod samtidigt med jorden, då den unga planeten samlade material rikt på flyktiga föreningar. Den andra hävdar att huvuddelen av vattnet anlände senare med kometer och asteroider i form av ett ”regn” av kosmiska projektiler.
Om kärnan kan rymma väte motsvarande tiotusentals oceaner, passar det långt bättre med det första scenariot. Det förutsätter att det i början av jordens historia existerade ett enormt magmahav som redan innehöll väte och syre. En del av denna blandning trängde ner i planetens djupaste lager när kärnan och manteln skiljdes åt.
I det scenario där vattnet främst kommer från senare kometpåverkan skulle väte dominera mer i de yttre lagren — i skorpan och manteln. Men experimentets resultat pekar på en betydande väteandel i själva kärnan, vilket är ett starkt argument för att jorden ”tog med sig” det mesta av sitt vatten redan från sin födelse.
Vad väte i kärnan betyder för vår förståelse av planeten
Om kärnan innehåller en betydande mängd väte är det nödvändigt att revidera många befintliga modeller. Väte påverkar densiteten hos järn-nickel-legeringen vid högt tryck, smältpunkten och viskositeten hos det flytande yttre kärnlagret, planetens termiska och elektriska ledningsförmåga samt det sätt som geodynamon — ansvarig för jordens magnetfält — fungerar på.
Magnetfältet fungerar som en sköld som skyddar ytan mot solvinden och högenergiska partiklar. Varje förändring i kärnmodellerna påverkar därför också förutsägelserna för stabiliteten hos denna skyddande ”bubbla” över långa tidsskalor.
Kopplingen till jakten på planeter lämpliga för liv
De nya resultaten har betydelse långt utöver vår egen planet. Astronomer upptäcker i allt högre grad steniga exoplaneter, men det är mycket svårt att bedöma om de har vatten och om de kan bevara det i miljarder år. Om vatten i hög grad kan ”gömma sig” i en planets kärna måste man räkna in en sådan gömd reserv när man modellerar avlägsna planeter.
Det kan förändra uppskattningarna för hur många himlakroppar som faktiskt har möjlighet att upprätthålla oceaner på ytan under lång tid. En planet utan vatten i skorpan behöver inte alls vara fullständigt torr — en del av reserven kan ha trängt djupt ner mot centrum, precis som de senaste uppgifterna antyder i fallet med jorden.
Osäkerhet och nästa steg i forskningen
Studiernas författare understryker själva att resultatet bör betraktas som en första, ännu ofullständig bild. Experiment under så extrema förhållanden är alltid behäftade med felrisker — proven är mikroskopiska, och även ett mindre fel i kalibreringen av laser eller sensorer kan förskjuta resultatet.
Därför har andra geofysikergrupper redan aviserat egna försök med varierande järnlegeringssammansättningar, temperaturer och tryck. Om oberoende mätningar visar liknande väteinnehåll kommer hypotesen om en ”vattnig” kärna att stå markant starkare.
Vad detta betyder i det stora perspektivet
Frågan om väte i kärnan förbinder flera ämnen som diskuteras allt oftare: klimatförändringar, den långsiktiga stabiliteten av förhållandena på jorden och möjligheterna för liv utanför solsystemet. Det sätt en planet ackumulerar och bevarar vatten på avgör om den är kapabel att upprätthålla oceaner, en atmosfär och i slutändan en biosfär under miljarder år.
I praktiken kan man se på sådana undersökningar som historien om jordens ”försäkring”. Om en del av vattnet är gömt djupt nere är det planetariska systemet mer motståndskraftigt mot förlust av ytvatten — exempelvis till följd av intensifierad stjärnbestrålning. Omvänt kan en stor reserv i centrum under vissa förhållanden långsamt försörja de övre lagren med nya doser vatten.
För vetenskapen är det en uppmaning att ännu tätare koppla samman data från jordens inre fysik, astronomi och planetär kemi. Ju bättre vi förstår hur vår planet förvaltar vatten från kärnan till atmosfären, desto lättare kan vi bedöma var det utanför jorden kan existera liknande långvariga oaser som är gynnsamma för liv.
