”Om du någonsin tappar dina nycklar i en flod av smält lava, släpp dem, för de är borta.” -Jack Handey
Ta en titt på vår hemplanet, jorden, och en av de saker du kommer att märka är att över 70 procent av ytan är täckt av vatten.
Vi vet förstås alla varför det är så: det beror på att jordens hav flyter ovanpå de stenar och den smuts som utgör det som vi känner till som land.
Detta begrepp om flytning och flytkraft – där de mindre täta föremålen höjer sig över de tätare, som sjunker till botten – gör mycket mer än att bara förklara haven.
Denna samma princip förklarar varför is flyter på vatten, varför en heliumballong stiger genom atmosfären eller varför stenar sjunker till botten av en sjö, där den sista förklaringen är att det mindre täta vattnet stiger runt stenen. Samma princip – flytkraft – förklarar också varför jorden är skiktad som den är.
Den minst täta delen av jorden, atmosfären, flyter ovanpå de vattniga oceanerna, som i sin tur flyter ovanpå jordskorpan, som ligger ovanpå den tätare manteln, som i sin tur inte kan sjunka ner i den tätaste delen av jorden: kärnan.
Det mest stabila tillstånd som jorden skulle kunna tänkas befinna sig i är ett tillstånd som är perfekt skiktat likt en lök, med de tyngsta beståndsdelarna alla mot centrum, med varje yttre skikt som gradvis består av mindre täta beståndsdelar. Faktum är att varje jordbävning som inträffar på jorden i själva verket är att planeten rör sig ett mycket litet steg närmare detta idealtillstånd, eftersom vår rotationshastighet ökar något i efterdyningarna av varje jordbävning.
Och denna bild av vår värld, skiktad efter täthet med mindre täta lager som omger de allt tätare, inre lagren, förklarar strukturen hos inte bara jorden, utan hos alla planeter. Allt vi behöver göra är att komma ihåg var alla dessa grundämnen kom ifrån från början.
När universum var mycket ungt – bara några få minuter gammalt – var de enda grundämnena som existerade praktiskt taget väte och helium. Alla de tyngre ämnena tillverkades i stjärnor, och det var först när dessa stjärnor dog som dessa tunga grundämnen återanvändes tillbaka ut i universum, så att nya generationer av stjärnor kunde bildas.
Men den här gången är det en blandning av alla dessa nya grundämnen – inte bara väte och helium, utan även kol, kväve, syre, kisel, magnesium, svavel, järn med mera – som bildar inte bara nya stjärnor, utan också en protoplanetär skiva runt var och en av dessa stjärnor.
Det yttre trycket från den nybildade stjärnan trycker företrädesvis ut de lättare elementen mot solsystemets yttre delar, medan gravitationen får instabiliteter i skivan att kollapsa och bilda det som kommer att bli planeter.
I vårt solsystems fall är de fyra innersta världarna de fyra tyngsta planeterna i vårt solsystem, där kvicksilver består av de tyngsta elementen. Alla fyra kunde inte gravitationellt hålla fast vid de stora mängder väte och helium som de bildades med, vilket hindrade dem från att bli gasjättar som vårt solsystems fyra andra planeter.
Men de yttre planeterna, som både var mer massiva och befann sig längre bort från solen (och därmed fick mindre strålning), lyckades hänga kvar stora mängder av dessa ultralätta grundämnen och bildade gasjättar.
Varje av dessa världar, ungefär som jorden, har – överlag – de tyngsta grundämnena koncentrerade i kärnan, med lättare grundämnen som bildar progressivt mindre och mindre täta lager runt omkring.
Det borde inte vara någon större överraskning att järn, det mest stabila grundämnet och det tyngsta grundämne som tillverkas i stor mängd utanför supernovor, är det mest förekommande grundämnet i jordens kärna. Men det kanske förvånar dig att veta att mellan den fasta inre kärnan och den fasta manteln ligger ett flytande lager som är mer än 2 000 kilometer tjockt: Jordens yttre kärna.
Likt det äckliga tuggummi som din mormor brukade bära runt på har jorden ett enormt vätskeskikt inuti sig. Det innehåller hela 30 procent av vår planets massa! Sättet vi vet att den yttre kärnan är flytande är ganska briljant: från de seismiska vågorna som produceras vid jordbävningar!
Det finns två olika typer av seismiska vågor som produceras vid jordbävningar: den primära kompressionsvågen, den så kallade P-vågen, som fungerar som en puls genom en sladd,
och den sekundära skjuvvågen, den så kallade S-vågen, som fortplantar sig som vågor på havsytan.
Båda vågorna färdas i ett sfäriskt skal utåt från sin utgångspunkt på jorden och slår och krusar genom inte bara ytan nära sitt epicentrum, utan över hela världen! Seismiska övervakningsstationer över hela världen är utrustade för att fånga upp både P- och S-vågor, men S-vågorna färdas inte genom vätska (de dämpas dock), medan P-vågorna inte bara färdas genom vätska, de bryts också!
Som ett resultat av detta kan vi lära oss att jorden har en yttre vätskeformig kärna, en fast mantel utanför den och en fast kärna inuti den! Så det är så det kommer sig att jorden har de tyngsta och tyngsta elementen i sin kärna, och hur vi vet att dess yttre kärna är ett flytande lager.
Men varför är den yttre kärnan flytande? Liksom alla grundämnen beror det både på järnets tryck och temperatur om järn är fast, flytande, gas eller ”annat”.
Järn är dock mycket mer komplicerat än många grundämnen du kanske är van vid. Visst kan det anta en mängd olika kristallina fasta faser, som visas ovan, men vi är inte intresserade av dessa normala tryck, som visas i diagrammen ovan. Vi går hela vägen ner i jordens kärna, där trycket inte bara är några gånger (eller till och med några hundra gånger) det atmosfäriska tryck som vi är vana vid, utan snarare miljontals gånger högre än vad det är på havsnivå. Hur ser fasdiagrammet ut vid sådana överdrivna tryck?
Det underbara med vetenskapen är att även om du inte vet svaret direkt, så är det troligt att någon har forskat där du kan hitta svaret! I det här fallet har Ahrens, Collins och Chen, 2001 svaret vi söker!
Men även om detta diagram visar enorma tryck – upp till 120 GigaPascal – är det viktigt att komma ihåg att vår atmosfär bara har 0,0001 GigaPascal, medan den inre kärnan upplever tryck på uppskattningsvis 330-360 Gpa! Den översta heldragna linjen representerar gränsen mellan smält järn (över linjen) och fast järn (under linjen). Men lägg märke till hur den tar en skarp sväng uppåt precis vid kanten av den heldragna linjen?
Med 330 GigaPascal krävs det en enorm temperatur, något som kan jämföras med den som finns på solens yta, för att smälta järn. Samma temperaturer, vid lägre tryck, kommer dock lätt att hålla järn i sin flytande fas, medan järn vid högre tryck kommer att bilda ett fast ämne. Vad betyder detta för jordens kärna?
Den högsta temperaturen – i jordens centrum – som vår planet uppnår är strax under 6 000 Kelvin, medan smälttemperaturen för järn vid gränsen mellan inre kärna och yttre kärna nyligen beräknades ligga runt det värdet också.
Men här kommer det bästa: jorden svalnar med tiden, eftersom dess värme strålar ut i yttre rymden snabbare än vad den genererar sin egen värme från radioaktivt sönderfall. Inuti jorden sjunker dess inre temperatur, medan trycket förblir konstant.
Med andra ord, när jorden först bildades var den varmare; det är mycket troligt att hela kärnan en gång var flytande, och när den fortsätter att svalna fortsätter den inre kärnan att växa! Och när detta sker, eftersom fast järn har en högre densitet än flytande järn, kommer jorden att dra ihop sig något, vilket nödvändiggör vad?
Mer jordbävningar!
Så jordens kärna är flytande eftersom den är tillräckligt varm för att smälta järn, men bara på platser där trycket är tillräckligt lågt. När jorden fortsätter att åldras och svalna blir mer och mer av kärnan fast, och när det sker krymper jorden lite!
Om vi vill se långt in i framtiden kan vi förvänta oss att så småningom få drag som de stora ärren som finns på Merkurius!
Eftersom den är så liten har Merkurius redan svalnat och dragit ihop sig enormt mycket, och har hundra mil långa sprickor i sig där den tvingades dra ihop sig på grund av denna nedkylning!
Så, i slutändan, varför har jorden en flytande kärna? För att den inte har slutat svalna ännu! Och varje jordbävning som du känner är jorden som kommer bara en liten bit närmare sitt slutliga, avkylda, fasta-allt-igenom-tillstånd!
(Oroa dig dock inte, solen kommer att explodera och du och alla du känner kommer att vara döda under en väldigt lång tid innan det någonsin händer!)
