“Hvis du nogensinde taber dine nøgler i en flod af smeltet lava, så lad dem gå, for så er de væk.” -Jack Handey
Tag et kig på vores hjemplanet, Jorden, og en af de ting, du vil bemærke, er, at over 70 % af overfladen er dækket af vand.
Vi ved selvfølgelig alle hvorfor det er sådan: Det er fordi Jordens oceaner flyder oven på de klipper og det jord, der udgør det, vi kender som land.
Dette begreb om flydeevne og opdrift – hvor de mindre tætte genstande hæver sig over de tættere, som synker til bunds – gør meget mere end blot at forklare havene.
Det samme princip forklarer, hvorfor is flyder på vand, hvorfor en heliumballon stiger op gennem atmosfæren eller hvorfor sten synker til bunds i en sø, hvor det sidste skyldes, at det mindre tætte vand stiger op omkring stenen. Det samme princip – om opdrift – forklarer også, hvorfor Jorden er lagdelt, som den er.
Den mindst tætte del af Jorden, atmosfæren, svæver ovenpå de vandfyldte oceaner, som igen svæver ovenpå jordskorpen, der ligger over den mere tætte kappe, som i sig selv ikke kan synke ned i den tætteste del af Jorden: Jordens kerne.
Den mest stabile tilstand, Jorden kunne tænkes at være i, er en tilstand, der var perfekt lagdelt som et løg, med de tætteste elementer alle mod midten, mens hvert lag udadtil gradvist bestod af mindre tætte elementer. Faktisk er hvert jordskælv, der sker på Jorden, faktisk planeten, der bevæger sig et meget lille skridt tættere på denne ideelle tilstand, da vores rotationshastighed accelereres en smule i kølvandet på hvert jordskælv.
Og dette billede af vores verden, der er lagdelt efter densitet med mindre tætte lag, der omgiver de gradvist tættere, indre lag, forklarer ikke kun Jordens, men alle planeternes struktur. Vi skal blot huske, hvor alle disse grundstoffer oprindeligt kom fra.
Da universet var meget ungt – kun få minutter gammelt – var de eneste grundstoffer, der fandtes, praktisk talt brint og helium. Alle de tungere blev lavet i stjerner, og det var først, når disse stjerner døde, at disse tunge grundstoffer blev genbrugt tilbage ud i universet, så nye generationer af stjerner kunne dannes.
Men denne gang går en blanding af alle disse nye grundstoffer – ikke bare brint og helium, men også kulstof, kvælstof, ilt, silicium, magnesium, svovl, jern og meget mere – ind i dannelsen af ikke blot nye stjerner, men også en protoplanetarisk skive omkring hver af disse stjerner.
Det ydre tryk fra den nyligt dannede stjerne skubber fortrinsvis de lettere grundstoffer ud mod de ydre dele af solsystemet, mens tyngdekraften får ustabiliteter i skiven til at kollapse og danne det, der bliver til planeter.
I tilfældet med vores solsystem er de fire inderste verdener de fire tætteste planeter i vores solsystem, hvor Merkur er sammensat af de tætteste grundstoffer. Alle fire var ikke i stand til gravitationelt at holde fast i de store mængder brint og helium, som de blev dannet med, hvilket forhindrede dem i at blive gasgiganter som vores Solsystems fire andre planeter.
Men de ydre planeter, der både var mere massive og lå længere væk fra Solen (og derfor modtog mindre stråling), formåede at holde fast i store mængder af disse ultralette grundstoffer og dannede gasgiganter.
Hver af disse verdener har – ligesom Jorden – overordnet set de tætteste grundstoffer koncentreret i kernen, og de lettere grundstoffer danner gradvist mindre og mindre tætte lag omkring den.
Det bør ikke komme som nogen stor overraskelse, at jern, det mest stabile grundstof og det tungeste grundstof, der er fremstillet i store mængder uden for supernovaer, er det mest udbredte grundstof i Jordens kerne. Men det vil måske overraske dig at erfare, at der mellem den faste indre kerne og den faste kappe ligger et mere end 2.000 kilometer tykt flydende lag: Jordens ydre kerne.
Meget ligesom det ulækre tyggegummi, som din bedstemor plejede at bære rundt på, har Jorden et enormt flydende lag indeni, der indeholder hele 30 procent af vores planets masse! Måden, hvorpå vi ved, at den ydre kerne er flydende, er ret genial: fra de seismiske bølger, der produceres ved jordskælv!
Der er to forskellige typer seismiske bølger, der produceres ved jordskælv: Den primære kompressionsbølge, kendt som P-bølgen, der virker som en puls gennem en slange,
og den sekundære shearbølge, kendt som S-bølgen, der udbreder sig som bølger på havets overflade.
Både bølger bevæger sig i en sfærisk skal udad fra deres udgangspunkt på Jorden og rammer og bølger ikke kun overfladen i nærheden af deres epicenter, men over hele verden! Seismiske overvågningsstationer over hele kloden er udstyret til at opfange både P- og S-bølger, men S-bølger bevæger sig ikke gennem væske (de bliver dog dæmpet), mens P-bølger ikke blot bevæger sig gennem væske, de brydes også!
Som et resultat af dette kan vi lære, at Jorden har en flydende ydre kerne, en fast kappe uden for denne og en fast kerne inden i den! Så det er derfor, at Jorden har de tungeste og tætteste grundstoffer i sin kerne, og det er derfor, vi ved, at dens ydre kerne er et flydende lag.
Men hvorfor er den ydre kerne flydende? Som alle grundstoffer afhænger det både af jernets tryk og temperatur, om jern er fast, flydende, gas eller “andet”.
Jern er dog meget mere kompliceret end mange grundstoffer, du måske er vant til. Selvfølgelig kan det antage en række forskellige krystallinske faste faser, som vist ovenfor, men vi er ikke interesseret i disse normale tryk, der er vist i diagrammerne ovenfor. Vi går helt ned i Jordens kerne, hvor trykket ikke blot er et par gange (eller endda et par hundrede gange) det atmosfæriske tryk, som vi er vant til, men derimod millioner af gange det tryk, som det er på havniveau. Hvordan ser fasediagrammet ud ved et sådant overtryk?
Det vidunderlige ved videnskab er, at selv når man ikke kender svaret uden videre, er der sandsynligvis nogen, der har forsket i det, hvor man kan finde svaret! I dette tilfælde har Ahrens, Collins og Chen, 2001 det svar, vi leder efter!
Mens dette diagram viser enorme tryk – op til 120 GigaPascal – er det vigtigt at huske, at vores atmosfære kun har 0,0001 GigaPascal, mens den indre kerne oplever et tryk på anslået 330-360 Gpa! Den øverste faste linje repræsenterer grænsen mellem smeltet jern (over linjen) og fast jern (under den). Men læg mærke til, hvordan den lige ved kanten af den faste linje tager et skarpt sving opad?
Til 330 GigaPascal skal der en enorm temperatur til, noget, der kan sammenlignes med den temperatur, der findes på Solens overflade, for at smelte jern. De samme temperaturer vil imidlertid ved lavere tryk let holde jern i flydende fase, mens jern ved højere tryk vil danne fast stof. Hvad betyder dette for Jordens kerne?
Den højeste temperatur – i Jordens centrum – som vores planet opnår er lidt under 6.000 Kelvin, mens smeltetemperaturen for jern ved grænsen mellem den indre kerne og den ydre kerne senest er anslået til også at ligge lige omkring denne værdi.
Men her er det smarte: Jorden afkøles med tiden, da dens varme udstråles til det ydre rum hurtigere, end den selv genererer sin egen varme fra radioaktivt henfald. Inde i Jorden falder dens indre temperatur, mens dens tryk forbliver konstant.
Med andre ord, da Jorden først blev dannet, var den varmere; det er meget sandsynligt, at hele kernen engang var flydende, og efterhånden som den fortsat afkøles, vokser den indre kerne fortsat! Og mens dette sker, vil Jorden, fordi fast jern har en højere massefylde end flydende jern, trække sig lidt sammen, hvilket nødvendiggør hvad?
Mere jordskælv!
Så Jordens kerne er flydende, fordi den er varm nok til at smelte jern, men kun på steder, hvor trykket er lavt nok. Efterhånden som Jorden bliver ældre og køler af, bliver mere og mere af kernen fast, og når det sker, krymper Jorden en smule!
Hvis vi vil se langt ud i fremtiden, kan vi forvente, at vi med tiden får træk som de store ar, der findes på Merkur!
Da Merkur er så lille, er den allerede afkølet og trukket sig enormt meget sammen, og den har hundrede mil lange revner i sig, hvorfra den blev tvunget til at trække sig sammen på grund af denne afkøling!
Så i sidste ende, hvorfor har Jorden en flydende kerne? Fordi den ikke er færdig med at køle ned endnu! Og hvert jordskælv, du mærker, er, at Jorden kommer bare en lille smule tættere på sin endelige, afkølede, faste-alle-ved-at-gå-om-tilstand!
(Men bare rolig, Solen vil eksplodere, og du og alle, du kender, vil være døde i rigtig lang tid, før det nogensinde sker!)
