Jordens kärna: vad finns i centrum och hur vet vi det?

När den banbrytande science fiction-författaren Jules Verne skrev Resan till jordens centrum 1864 visste han förmodligen att handlingen var ren fantasi. Vernes karaktärer tog sig bara några kilometer ner, men tanken på att någon ens skulle kunna tänka sig att resa till jordens kärna hade avfärdats redan före den viktorianska tiden.

Från och med i dag är det längsta vi har borrat oss in i jorden cirka 12 km, medan avståndet till jordens centrum är över 500 gånger längre, 6 370 km.

Hur vet vi då vad som finns där nere? Att ta reda på vad som finns i hjärtat av vår planet har varit ett magnifikt vetenskapligt pussel.

Hur vet vi att jorden är rund?

Tanken på att jorden har ett meningsfullt centrum går hand i hand med att planeten är formad som en boll, och vi har vetat länge att vi inte lever på en skiva.

Det är en myt att medeltidens folk trodde att jorden var platt – detta kom i själva verket från en blandning av viktoriansk antireligiös propaganda och en feltolkning av periodens stiliserade kartor.

Det var för mer än 2 200 år sedan som den grekiske mångsysslaren Eratosthenes för första gången mätte avståndet runt jordens sfär, och sedan dess har det stått klart att den måste ha ett centrum.

Detta betyder dock inte att de tidiga filosoferna tänkte på jorden på samma sätt som vi gör idag.

I den gamla grekiska fysiken sades det att världen bestod av en serie koncentriska sfärer av fyra grundläggande element: jord, vatten, luft och slutligen eld.

I denna äldsta vetenskapliga bild måste planetens centrum vara fast, eftersom luft inte kunde befinna sig inuti jordens sfär.

Det är uppenbart att jordens sfär inte var helt omgiven av vatten, annars skulle det inte finnas något torrt land, så man trodde att det fanns en bit av jorden som stack ut – vilket innebar att det bara kunde finnas en kontinent.

Därmed var upptäckten av Amerika faktiskt ett av de första experimentella vetenskapliga resultaten, som motbevisade idén om en enda kontinent, och som markerade ett viktigt steg på vägen mot att gå bortom det forntida grekiska vetenskapliga tänkandet.

Tanken på att jorden var helt ihålig, eller med enorma grottor som sträcker sig till centrum, som i Vernes bok, har varit populär i fiktion och mytologi sedan urminnes tider och förekommer även i pseudovetenskap och konspirationsteorier.

Det är dock inte säkert att någon vetenskapsman utom astronomen Edmond Halley, som 1692 föreslog en ihålig jord för att förklara några ovanliga kompassavläsningar, någonsin har tagit denna idé på allvar.

Och 1798 satte en engelsk vetenskapsman och excentriker sista spiken i kistan för hypotesen om den ”ihåliga jorden”. Henry Cavendish kom med ett experiment för att exakt väga planeten.

Hur mycket väger jorden?

Cavendish var en udda man som endast kommunicerade med sina tjänare via anteckningar för att undvika att träffa dem öga mot öga.

Trots sin aristokratiska bakgrund ägnade Cavendish sitt liv åt vetenskapen och arbetade med både kemi och fysik, och det mest kända var att han utarbetade ett experiment för att beräkna jordens densitet.

Med en enkel torsionsvåg, som mätte mängden vridkraft som orsakades av två stora bollars gravitationskraft på ett mindre par, kunde Cavendish beräkna den svaga gravitationella attraktionen mellan de två paren av bollar.

Om han jämförde detta med jordens egen gravitationskraft kunde han räkna ut planetens densitet (och, eftersom jordens storlek redan var känd, även dess massa).

Men densitetssiffran visade att vår planet måste vara mestadels fast, såvida det inte fanns extremt täta okända material någonstans i djupet.

Hur vet vi vad som finns i jordens kärna?

I dag delar vi upp jordens inre i tre segment: Skorpan, som är det yttre lagret, mellan 5 km och 75 km tjockt, manteln, som sträcker sig till ett djup av cirka 2 900 km, med tjockleken på kärnan – den del vi är intresserade av här – som sträcker sig cirka 3 500 km ut från jordens centrum, med två olika segment.

I kärnans hjärta finns en extremt varm men fortfarande fast nickel-järnkula med en radie på cirka 1 200 km. Med en temperatur på cirka 5 400 °C är denna inre kärna likvärdig med solens yta. Resten är jordens flytande yttre kärna, som består av mestadels nickel-järn, med liknande temperaturer och blir allt varmare mot centrum.

Men hur kan vi veta så detaljerade uppgifter om en plats som är så svårtillgänglig?

Med tanke på att det är näst intill omöjligt att någonsin ta sig ens inom tusen kilometer till kärnan är all vår kunskap indirekt och beroende av seismologin – vetenskapen om jordbävningar.

Efter en jordbävning färdas seismiska vågor genom jorden och ändrar form och riktning beroende på vilka material de passerar. Geofysiker har använt denna information för att härleda vad som finns i jordens kärna.

Dess seismometrar, anordningar för att mäta sådana vågor, är motsvarigheten till teleskop för att utforska jordens inre.

Läs mer om jordens kärna:

• Vad händer om jordens kärna kyls ner?
• Jordets magnetfält vänder oftare – nu vet vi varför
• Kan vi skicka en robotsond till jordens kärna?
• Har månen en smält kärna?

I början av 1900-talet tydde de ökande temperaturerna när vi grävde oss djupare in i jorden, i kombination med seismologers analys av jordvågor, på att de inre delarna av vår planet åtminstone delvis var smälta – tillräckligt varma för att förvandla sten och metall till vätska.

Och de viktigaste upptäckterna gjordes av två vetenskapsmän som, skamligt nog, aldrig ens nominerades till ett Nobelpris: Den brittiske geologen Richard Oldham och den danska seismologen Inge Lehmann.

Vad kan vågor berätta om jordens struktur?

Tänker du på en våg tänker du förmodligen på en ytvåg, en våg som du ser på havet. Men många vågor – till exempel ljud – färdas genom kroppen av ett material.

Tyvärr är de seismiska vågorna som orsakar skador vid en jordbävning de vågor som färdas på ytan, men det finns också två typer av ”kroppsvågor” som rör sig genom jorden. P-vågor (”P” står för ”primary”) är longitudinella vågor, precis som ljud.

De vibrerar i rörelseriktningen, vilket gör att jorden pressas ihop och expanderar när de passerar.

P-vågor rör sig snabbt – cirka 5 km per sekund i en sten som granit och upp till 14 km per sekund i de tätaste delarna av manteln.

Den andra typen av kroppsvågor, S-vågor (”S” står för ”sekundär”), är långsammare, tvärgående vågor som rör sig från sida till sida. Till skillnad från P-vågor kan de inte färdas genom en vätska, vilket är anledningen till att dessa två typer av vågor visat sig vara viktiga för att hjälpa oss att förstå jordens kärna.

Föreställ dig att det sker en enorm jordbävning. Vågorna börjar röra sig genom jorden.

P-vågorna skjuter framåt, medan S-vågorna följer efter med ungefär halva hastigheten. Båda typerna av vågor kommer att upptäckas av seismometrar, som används för att mäta vibrationer i marken, över hela jorden.

Men där vågorna passerar genom kärnan för att nå en avlägsen mätstation finns en så kallad skuggzon. Om man reser ungefär 104° runt jordens omkrets från skalvets epicentrum försvinner vågorna. Men från 140° och framåt dyker P-vågorna upp igen, utan att åtföljas av S-vågor.

Redan 1906 insåg Richard Oldham konsekvenserna av denna märkliga skugga. Oldham tillbringade större delen av sin karriär vid Indiens geologiska undersökning och arbetade ofta i Himalaya.

Läs mer om jordbävningar:

• Kan djur hjälpa oss att förutsäga jordbävningar?
• Hur man stoppar en jordbävning
• Hur ser en jordbävning av magnitud 10 ut?
• Flacka plattor kopplade till megajordbävningar

När han drog sig tillbaka till Storbritannien 1903 använde han sig av de uppgifter han samlat på sig under de senaste åren för att undersöka jordens inre. Han insåg att de observerade P- och S-vågorna kunde förklaras om jordens centrum var flytande.

I ett sådant fall skulle P-vågorna brytas av vätskan och böjas på samma sätt som ljuset gör när det rör sig från vatten till luft och lämnar en tydlig skugga. S-vågor skulle däremot stoppas helt av en flytande kärna.

Oldhams genombrott ledde till en allmänt accepterad bild av en smält kärna, men 30 år senare insåg Inge Lehmann att Oldhams idé var för enkel.

Brytningen av P-vågorna genom den täta vätskan i jordens centrum borde ha gett upphov till en total skugga.

I själva verket visade mätningar med de känsligare seismometrar som fanns tillgängliga på Lehmanns tid att svaga P-vågor fortfarande anlände i skuggzonen.

Genom att studera data som passerade genom planeten från en jordbävning på Nya Zeeland 1929 föreslog Lehmann att dessa vågor reflekterades från gränsen mellan en inre fast kärna och den yttre vätskan.

Hans resultat, som publicerades 1936, bekräftades två år senare av Beno Gutenberg och Charles Richter, som exakt modellerade effekterna av en fast kärna.

Direkta mätningar av dessa reflekterade seismiska vågor kom slutligen 1970.

Vad består jordens kärna av?

Fortsatta studier fångade upp ännu mer subtila vågor som, på grund av sin fördröjda ankomst, måste ha korsat den flytande yttre kärnan som P-vågor, för att sedan omvandlas till tvärgående S-vågor i den inre kärnan och sedan återgå till P-vågor på vägen ut.

Denna upptäckt, som bekräftades först 2005, var ytterligare ett bevis för att det finns en fast kärna.

Trots detta är den inre kärnans exakta beskaffenhet föremål för en betydande diskussion. Temperaturerna kan till exempel endast fastställas genom experimentella studier av hur material smälter och stelnar under tryck.

Förutsättningen att jordens kärna huvudsakligen består av järn och nickel är en kombination av hur ofta olika grundämnen förekommer i vår lokala del av Vintergatan och vår förståelse av hur vår planet har bildats.

Under det enorma trycket i jordens centrum – över tre miljoner gånger det atmosfäriska trycket – kan material agera mycket annorlunda än under normala förhållanden.

Den mest uppenbara utmanaren för den inre kärnan är en solid nickel-järnlegering, men det är möjligt att en extremt tät plasma – det materiatillstånd som återfinns i en stjärna – har liknande egenskaper. En av svårigheterna här är att veta hur material beter sig i sådana extrema miljöer.

Tillträde till diamantamboscellen.

I denna anmärkningsvärda anordning pressas spetsarna på två diamanter, bara en bråkdel av en millimeter i diameter, ihop.

Att applicera en kraft på ett litet område ger mer tryck än att applicera den på ett brett område – det är därför det är mycket mer smärtsamt att bli trampad på av en stilettklack än av en platt sula.

Diamantambolaget skapar ett tryck som är upp till dubbelt så stort som det som råder i jordens kärna, och uppvärmningen sker med hjälp av lasrar.

När metallprover krossas och värms upp till kärnliknande förhållanden tyder resultaten på att det finns en kristallin fast substans i jordens centrum.

Realistiskt sett kommer vi aldrig att komma i närheten av jordens kärna.

Nivåerna av värme, tryck och radioaktivitet (en av de viktigaste källorna till intern uppvärmning) är så höga att även om vi skulle kunna borra oss igenom över 6 000 km av sten och metall skulle en sond inte kunna överleva.

Jämfört med att nå jordens kärna är det trivialt att resa till solsystemets yttersta randområden.

Men vår planets egna vibrationer, som produceras av jordbävningar och som tolkas av forskare så geniala som Inge Lehmann, ger oss möjlighet att med våra sinnen utforska platser som vi aldrig kommer att besöka personligen.

• Denna artikel publicerades först i nummer 304 av BBC Focus