Jordens kerne: Hvad ligger i midten, og hvordan ved vi det?

Da den banebrydende science fiction-forfatter Jules Verne skrev Rejsen til Jordens centrum i 1864, vidste han sikkert, at hans plot var ren fantasi. Vernes figurer nåede kun et par kilometer ned, men tanken om, at nogen overhovedet kunne overveje at rejse til Jordens kerne, var blevet afvist før den victorianske tid.

Selv i dag er det længste sted, vi har boret os ned i jorden, faktisk omkring 12 km, mens afstanden til jordens centrum er over 500 gange længere, nemlig 6.370 km.

Så hvordan ved vi, hvad der ligger under jorden? At finde ud af, hvad der er i hjertet af vores planet, har været et storslået videnskabeligt puslespil.

Hvordan ved vi, at Jorden er rund?

Tanken om, at Jorden har et meningsfuldt centrum, går hånd i hånd med, at planeten er formet som en kugle, og vi har længe vidst, at vi ikke lever på en skive.

Det er en myte, at folk i middelalderen troede, at Jorden var flad – det skyldtes faktisk en blanding af victoriansk antireligiøs propaganda og en fejlfortolkning af periodens stiliserede kort.

Det er over 2.200 år siden, at den græske polymat Eratosthenes foretog den første måling af afstanden omkring Jordens kugle, og det har lige siden stået klart, at den må have et centrum.

Det betyder dog ikke, at de tidlige filosoffer tænkte om Jorden, som vi gør i dag.

Den gamle græske fysik sagde, at verden bestod af en række koncentriske sfærer af fire grundlæggende elementer: jord, vand, luft og til sidst ild.

I dette ældste videnskabelige billede måtte planetens centrum være fast, da luft ikke kunne være inden for jordens kugle.

Det var klart, at jordkuglen ikke var fuldstændig omgivet af vand, for ellers ville der ikke være noget tørt land, så man mente, at der stak en smule af jorden ud – hvilket betød, at der kun kunne være ét kontinent.

Dermed var opdagelsen af Amerika faktisk et af de første eksperimentelle videnskabelige resultater, der modbeviste ideen om et enkelt kontinent og markerede et vigtigt skridt på vejen til at bevæge sig ud over den oldgræske videnskabelige tankegang.

Tanken om, at Jorden var helt hul, eller med enorme huler, der strækker sig til midten, som i Vernes bog, har været populær i fiktion og mytologi siden oldtiden og har også været anvendt i pseudovidenskab og konspirationsteorier.

Det er imidlertid ikke sikkert, at nogen videnskabsmand bortset fra astronomen Edmond Halley, der i 1692 foreslog en hul jord for at forklare nogle usædvanlige kompasaflæsninger, nogensinde har taget denne idé alvorligt.

Og i 1798 satte en engelsk videnskabsmand og excentriker det sidste søm i kisten for hypotesen om den “hule jord”. Henry Cavendish kom frem med et eksperiment til nøjagtig vejning af planeten.

Hvor meget vejer Jorden?

Cavendish var en mærkelig mand, som kun kommunikerede med sine tjenere via noter for at undgå at møde dem ansigt til ansigt.

Trods sin aristokratiske baggrund helligede Cavendish sit liv til videnskaben og arbejdede med både kemi og fysik, og han blev mest berømt for at have udtænkt et eksperiment til at beregne Jordens massefylde.

Ved hjælp af en simpel torsionsvægt, som målte mængden af vridningskraft forårsaget af to store kuglers tyngdekraft på et mindre par, kunne Cavendish beregne den svage tyngdekraft tiltrækningskraft mellem de to par kugler.

Ved at sammenligne dette med Jordens egen tyngdekraft kunne han regne planetens massefylde ud (og, da Jordens størrelse allerede var kendt, også dens masse).

Men tallet for massefylde viste, at vores planet må være overvejende fast, medmindre der var ekstremt tætte ukendte materialer et sted i dybet.

Hvordan ved vi, hvad der er i Jordens kerne?

I dag deler vi Jordens indre op i tre segmenter: Skorpen, som er det yderste lag, der er mellem 5 km og 75 km tykt, kappen, der strækker sig til en dybde på omkring 2.900 km, mens kernen – den del, vi er interesseret i her – strækker sig omkring 3.500 km ud fra Jordens centrum, med to forskellige segmenter.

I kernen er der en ekstremt varm, men stadig solid nikkel-jernkugle med en radius på omkring 1.200 km. Med en temperatur på ca. 5.400 °C svarer denne indre kerne i temperatur til Solens overflade. Resten er Jordens flydende ydre kerne, der hovedsagelig består af nikkel-jern og har samme temperatur, men bliver varmere mod centrum.

Men hvordan kan vi vide så detaljerede oplysninger om et sted, der er så utilgængeligt?

Da det næsten er umuligt at komme selv inden for tusind kilometer af kernen, er al vores viden indirekte og afhænger af seismologi – videnskaben om jordskælv.

Efter et jordskælv bevæger de seismiske bølger sig gennem Jorden og ændrer form og retning afhængigt af de materialer, de passerer igennem. Geofysikere har brugt disse oplysninger til at udlede, hvad der ligger i Jordens kerne.

Deres seismometre, apparater til at måle sådanne bølger, svarer til teleskoper til at udforske Jordens indre.

Læs mere om Jordens kerne:

• Hvad vil der ske, hvis Jordens kerne afkøles?
• Jordens magnetfelt vender oftere om – nu ved vi hvorfor
• Kan vi sende en robotsonde til Jordens kerne?
• Har Månen en smeltet kerne?

I begyndelsen af det 20. århundrede tydede de stigende temperaturer, efterhånden som vi gravede dybere ned i Jorden, kombineret med seismologers analyse af jordbølger på, at de indre dele af vores planet i det mindste delvis var smeltet – varmt nok til at forvandle sten og metal til væske.

Og de vigtigste opdagelser blev gjort af to videnskabsmænd, der skammeligt nok aldrig blev nomineret til en Nobelpris: Den britiske geolog Richard Oldham og den danske seismolog Inge Lehmann.

Hvad kan bølger fortælle os om Jordens struktur?

Tænk på en bølge, og du vil sandsynligvis tænke på en bølge på overfladen, som en bølge, du ser på havet. Men mange bølger – f.eks. lyd – bevæger sig gennem et materiales krop.

Og selv om de seismiske bølger, der forårsager skader ved et jordskælv, er dem, der bevæger sig på overfladen, er der også to typer “kropsbølger”, der bevæger sig gennem Jorden. P-bølger (‘P’ står for ‘primær’) er langsgående bølger, ligesom lyd.

De vibrerer i bevægelsesretningen, hvilket får jorden til at presse sig sammen og udvide sig, mens de passerer igennem.

P-bølger bevæger sig hurtigt – omkring 5 km i sekundet i en sten som granit og op til 14 km i sekundet i de tætteste dele af kappen.

Den anden type af kropsbølger, S-bølger (‘S’ står for ‘sekundær’), er langsommere, tværgående bølger, der bevæger sig fra side til side. I modsætning til P-bølger kan de ikke bevæge sig gennem en væske, og derfor har disse to typer bølger vist sig at være afgørende for at hjælpe os med at forstå Jordens kerne.

Forestil dig, at der er et enormt jordskælv. Bølgerne begynder at bevæge sig gennem Jorden.

P-bølgerne skyder fremad, mens S-bølgerne følger efter med cirka halv hastighed. Begge typer bølger vil blive registreret af seismometre, som bruges til at måle vibrationer i jorden, over hele Jorden.

Men hvor bølgerne passerer gennem kernen for at nå frem til en fjern målestation, er der en såkaldt skyggezone. Rejser man ca. 104° rundt om Jordens omkreds fra jordskælvets epicenter, forsvinder bølgerne. Men fra 140° og fremefter dukker P-bølgerne op igen, uden at de ledsages af S-bølger.

Så tidligt som i 1906 indså Richard Oldham konsekvenserne af denne mærkelige skygge. Oldham tilbragte det meste af sin karriere ved Geological Survey of India og arbejdede ofte i Himalaya.

Læs mere om jordskælv:

• Kan dyr hjælpe os med at forudsige jordskælv?
• Sådan stopper man et jordskælv
• Hvordan er et jordskælv af størrelsesorden 10?
• Flade plader forbundet med megajordskælv

Da han i 1903 trak sig tilbage til Storbritannien, benyttede han sig af de data, han havde opsamlet i de foregående år, til at undersøge Jordens indre. Han indså, at den observerede P-bølge- og S-bølgeadfærd kunne forklares, hvis Jordens centrum var flydende.

I så fald ville P-bølgerne blive brydet af væsken og bøjet, ligesom lyset gør, når det bevæger sig fra vand til luft, og efterlade en tydelig skygge. S-bølger ville derimod blive stoppet helt af en flydende kerne.

Oldhams gennembrud førte til et bredt accepteret billede af en smeltet kerne, men 30 år senere indså Inge Lehmann, at Oldhams idé var for simpel.

Bremsningen af P-bølgerne af den tætte væske i Jordens centrum burde have skabt en total skygge.

Faktisk viste målinger foretaget med de mere følsomme seismometre, der var til rådighed på Lehmanns tid, at svage P-bølger stadig ankom i skyggezonen.

Ved at studere data, der passerer gennem planeten fra et jordskælv i 1929 i New Zealand, foreslog Lehmann, at disse bølger blev reflekteret fra grænsen mellem en indre fast kerne og den ydre væske.

Hans resultater, der blev offentliggjort i 1936, blev bekræftet to år senere af Beno Gutenberg og Charles Richter, som præcist modellerede virkningerne af en fast kerne.

Direkte målinger af disse reflekterede seismiske bølger kom endelig i 1970.

Hvad består Jordens kerne af?

Flere undersøgelser opfangede endnu mere subtile bølger, som på grund af deres forsinkede ankomst måtte have krydset den flydende ydre kerne som P-bølger, før de blev omdannet til tværgående S-bølger i den indre kerne og derefter tilbage til P-bølger på vej ud.

Denne opdagelse, som først blev bekræftet i 2005, var endnu et bevis på den faste kerne.

Så er den indre kernes nøjagtige beskaffenhed dog genstand for betydelig debat. Temperaturerne kan f.eks. kun udarbejdes ud fra eksperimentelle undersøgelser af, hvordan materialer smelter og størkner under tryk.

Den antagelse, at kernen primært består af jern og nikkel, skyldes faktisk en kombination af den hyppighed, hvormed forskellige grundstoffer forekommer i vores lokale område af Mælkevejen, og vores forståelse af, hvordan vores planet er dannet.

Under det enorme tryk i Jordens centrum – over tre millioner gange det atmosfæriske tryk – kan materialer opføre sig meget anderledes end under normale forhold.

Mens den mest oplagte kandidat til den indre kerne er en solid nikkel-jern-legering, er det muligt for et ekstremt tæt plasma – den stoftilstand, der findes i en stjerne – at have lignende egenskaber. En af vanskelighederne her er at vide, hvordan materialer opfører sig i sådanne ekstreme miljøer.

Ind i diamantamboscellen.

I denne bemærkelsesværdige anordning presses spidserne af to diamanter, der kun er en brøkdel af en millimeter på tværs, sammen.

Anvendelse af en kraft på et lille område giver et større tryk end på et bredt område – det er derfor, at det gør meget mere ondt at blive trampet ned af en stilethæl end af en flad sål.

Diamantambossen skaber et tryk på op til det dobbelte af trykket i Jordens kerne, og opvarmningen sker ved hjælp af lasere.

Når metalprøver knuses og opvarmes til kerne-lignende forhold, tyder resultaterne på et krystallinsk fast stof i Jordens centrum.

Realistisk set vil vi aldrig komme i nærheden af Jordens kerne.

Varmeniveauet, trykket og radioaktiviteten (en af de vigtigste kilder til intern opvarmning) er så høj, at selv om vi kunne bore os igennem over 6.000 km af sten og metal, ville en sonde ikke kunne overleve.

Sammenlignet med at nå til kernen er det trivielt at rejse til solsystemets ydre områder.

Men vores planets egne vibrationer, der produceres af jordskælv og fortolkes af forskere så geniale som Inge Lehmann, giver os mulighed for at udforske steder, som vi aldrig vil besøge personligt, med vores hjerne.

• Denne artikel blev første gang bragt i nummer 304 af BBC Focus