Jorden vi aldrig har sett
Några kilometer borrhål – och tusentals kilometer av indirekta bevis.
Det djupaste borrhålet når bara en bråkdel av vägen till jordens centrum. Ändå kan forskare skilja en flytande kärna från en fast, följa sjunkande bergmassor och uppskatta trycket där nere. Hemligheten är att jorden själv skickar signaler. Men kartan har fortfarande stora vita fläckar.
På Kolahalvön i nordvästra Ryssland finns ett hål som en gång skulle föra människan längre ner i jordskorpan än någon tidigare hade nått. År 1989 nådde den djupaste grenen av Kolaborrhålet 12 262 meter. Där nere var temperaturen omkring 180 grader, betydligt högre än man hade räknat med. Värmen och de svåra borrförhållandena bidrog till att sätta gränsen.
Till jordens centrum återstod ungefär 6 359 kilometer.
Det är en nyttig proportion att bära med sig när man ser en genomskärning av jordklotet: prydliga färgfält för skorpa, mantel och kärna. Vårt djupaste lodräta borrhål har inte ens passerat genom kontinentens jordskorpa. Ändå anger läroböcker gränsen till kärnan på omkring 2 900 kilometers djup.
Hur kan vi veta det? Svaret är inte att forskarna har ett enda fantastiskt instrument. Det är att flera oberoende slags observationer måste passa ihop. Jordbävningar, gravitation, magnetfält, laboratorieförsök och stenprover begränsar tillsammans vilka jordklot som över huvud taget är möjliga.
Jordbävningen som genomlysning
När en stor jordbävning inträffar sätts hela planeten i svängning. Seismometrar registrerar markens rörelser, ibland på andra sidan jorden. Tidpunkterna då olika vågor anländer ger information om vägen de har färdats.
Två vågtyper är särskilt viktiga. P-vågor pressar ihop och drar isär material i rörelseriktningen, ungefär som tryckpulser genom en fjäder. S-vågor skakar materialet på tvären. Båda kan färdas genom fasta bergarter, men vanliga S-vågor kan inte fortplanta sig genom en vätska: vätskan saknar den skjuvstyvhet som behövs.
Vågorna går inte heller nödvändigtvis rakt. När materialets egenskaper förändras böjs deras banor. Vid skarpa gränser kan vågor reflekteras, brytas eller omvandlas mellan olika vågtyper. Resultatet är ett komplicerat mönster av ankomster och frånvaro.
Just frånvaron blev avgörande. Direkta S-vågor passerar inte genom jordens yttre kärna. P-vågornas banor förändras samtidigt så kraftigt vid kärngränsen att en skuggzon uppstår på jordytan. Tillsammans visar observationerna att det finns ett djupt liggande område med helt andra mekaniska egenskaper än manteln: en flytande yttre kärna.
År 1936 visade den danska seismologen Inge Lehmann att svaga P-vågor som registrerats i skuggzonen kunde förklaras av en inre kärna. Hennes slutsats byggde på hur vågorna kunde brytas och reflekteras, inte på något prov från djupet. Senare observationer har starkt befäst bilden av en fast inre kärna.
Detta är mer än en tilltalande berättelse. Samma modell måste förklara registreringar från många jordbävningar, i olika riktningar och på olika avstånd. En felplacerad gräns ger systematiskt fel ankomsttider.
Vi har inte sett kärnan. Men vi har mätt hur hela planeten reagerar på att den finns.
Också jordens långsamma efterklang hjälper till. Efter riktigt stora jordbävningar svänger planeten i mönster som påminner om tonerna i en klocka. Dessa egensvängningar ger ytterligare begränsningar på hur densitet och elasticitet varierar med djupet.
Flera vittnen, samma planet
Seismiken är det viktigaste verktyget, men den arbetar inte ensam. Jordens massa kan bestämmas genom dess gravitation. Kombinerad med planetens storlek ger den en medeldensitet på ungefär 5,5 gram per kubikcentimeter – betydligt mer än de flesta bergarter vi hittar vid ytan.
Det måste alltså finnas tätare material längre ner. Jordens tröghetsmoment, som beskriver hur massan är fördelad i förhållande till rotationsaxeln, visar dessutom att massan är koncentrerad mot centrum. En likformig stenkula skulle bete sig annorlunda.
Magnetfältet tillför en annan pusselbit. Den etablerade förklaringen är en dynamo: rörelser i elektriskt ledande vätska i den yttre kärnan upprätthåller fältet. Fältet ensamt avslöjar inte kärnans sammansättning, men det passar med den flytande metallkärna som andra observationer kräver.
Sedan kommer kemin. Meteoriter ger ledtrådar till det material som byggde upp de steniga planeterna. De är inga exakta kopior av jordens ursprungsmaterial, men visar bland annat att järn är ett rimligt och rikligt förekommande kärnmaterial. Tillsammans med densitet och experiment pekar underlaget mot en kärna dominerad av järn, med nickel och lättare grundämnen.
Det avgörande är samspelet. En föreslagen sammansättning måste vara tillräckligt tät, leda elektricitet och ge rimliga seismiska våghastigheter under enorma tryck. Det finns utrymme för flera blandningar, men inte för vilken blandning som helst.
En ofta använd referensmodell, PREM, publicerades 1981. Den beskriver hur bland annat densitet och våghastigheter varierar genom en idealiserad, huvudsakligen sfäriskt symmetrisk jord. Den är fortfarande användbar som utgångspunkt, inte därför att forskningen stannat, utan därför att planetens grova lagerbyggnad är robust fastställd.
Skillnaden mellan referensmodellen och verkligheten är samtidigt central. Jorden har kontinenter, oceaner, sjunkande plattor och stora variationer i manteln. En genomsnittlig jordmodell är ett skelett, inte ett fullständigt porträtt.
Att återskapa djupet på ett bord
För att tolka vågorna måste forskarna veta hur material beter sig under tryck. Därför finns en del av jordens inre, i experimentell mening, mellan två små diamanter.
I en diamantstädcell pressas ett mikroskopiskt prov mellan diamantspetsar. Lasrar kan hetta upp det. Röntgenstrålning kan avslöja hur atomerna ordnar sig när trycket förändras. Andra experiment använder kortvariga stötvågor för att nå extrema tillstånd.
Försöken visar varför vanlig intuition sviker. Ett mineral kan få en ny kristallstruktur utan att dess grundämnen byts ut. Atomerna packas tätare, vilket förändrar både densitet och våghastighet. Seismiska gränser behöver därför inte betyda att man går från ett kemiskt lager till ett annat.
Det gäller bland annat övergångarna omkring 410 och 660 kilometers djup. De förklaras till stor del av tryckdrivna mineralomvandlingar. När experimentens omvandlingar sammanfaller med seismikens gränser stärks tolkningen från två håll.
Manteln är alltså huvudsakligen fast berg, inte ett hav av magma. Ändå rör den sig. På kort tid svarar den elastiskt och släpper igenom S-vågor. Under miljontals år kan den deformeras och strömma genom långsam krypning. Fast och orörlig är inte samma sak.
Även riktiga stenar kommer upp. Vulkaner kan transportera med sig mantelfragment, så kallade xenoliter. Diamanter kan kapsla in små mineralinneslutningar som bevarar information om stora djup. Sådana prover ger värdefulla kemiska kontroller, men de representerar särskilda platser och processer – inte ett jämnt stickprov av planeten.
Experimenten har också begränsningar. Proverna är små, temperaturer svårmätta och extrema förhållanden ibland mycket kortlivade. Datormodeller behövs för att knyta ihop resultaten. Därför kan forskare vara överens om vilket slags material som finns på ett visst djup och ändå ange olika värden för dess temperatur eller sammansättning.
En karta med ojämn skärpa
Modern seismisk tomografi bygger tredimensionella bilder av jordens inre. Principen liknar medicinsk datortomografi: många signalvägar används för att rekonstruera variationer inuti ett föremål. Men jordforskarna kan inte placera sina signalkällor där de vill. Jordbävningarna uppstår främst längs plattgränser, och mätstationerna är ojämnt fördelade, särskilt över haven.
Bildernas upplösning varierar därför kraftigt. Stora strukturer kan framträda tydligt medan mindre detaljer suddas ut. Beräkningarna behöver dessutom antaganden som hindrar dåligt undersökta områden från att fyllas med orimliga variationer.
I tomografiska kartor syns bland annat långsträckta områden där vågor går snabbare än i omgivningen. Många tolkas som kalla rester av oceanplattor som sjunkit ner i manteln. Kopplingen är särskilt övertygande när strukturerna kan följas från kända subduktionszoner.
Nära mantelns botten finns också två mycket stora områden med relativt låga S-vågshastigheter, under Afrika respektive Stilla havet. Att de finns är väl belagt. Vad de består av är mindre säkert. Högre temperatur, annorlunda kemi eller kombinationer av dessa kan bidra.
Här ligger en grundläggande svårighet: samma uppmätta våghastighet kan ha flera orsaker. En färgad fläck på en karta är först och främst en rekonstruktion av en fysikalisk egenskap. Den är inte automatiskt ett fotografi av en viss bergart eller en bestämd temperatur.
Vad är säkert – och vad är öppet?
Kunskapen har olika skärpa på olika nivåer. Att jorden har skorpa, en huvudsakligen fast mantel, flytande yttre kärna och fast inre kärna hör till det mycket säkra. Detsamma gäller de stora gränsernas ungefärliga djup. Den inre kärnans radie är omkring 1 220 kilometer.
Temperaturerna är osäkrare. Uppskattningar nära jordens centrum ligger ofta kring 5 000–6 000 grader, men detta är ingen termometeravläsning. Värdena härleds bland annat från järnlegeringars smältförhållanden under högt tryck, och påverkas av vilka lättare ämnen kärnan innehåller.
Just kärnans lättare grundämnen är en öppen fråga. Syre, kisel, svavel, kol och väte diskuteras i olika kombinationer. Det råder inte motsvarande osäkerhet om järnets dominerande roll.
Även den inre kärnans ålder, detaljerna i dess kristallstruktur och hur dess rörelse förändras diskuteras. Små skillnader mellan jordbävningssignaler kan bära viktig information, men påverkas också av vågornas väg genom resten av planeten.
Vi vet alltså varken ”det mesta” eller nästan ingenting. Vi känner den stora arkitekturen mycket bättre än rummens innehåll och historia. Ett nytt rekordborrhål skulle ge ovärderlig lokal kunskap, men fortfarande inte nå kärnan. För den djupa jorden är vägen framåt i stället fler mätningar, bättre experiment och hårdare prövning av konkurrerande förklaringar. Det avgörande är inte hur självklar en genomskärningsbild ser ut, utan hur många oberoende observationer den klarar.
Källor
- Ye. A. Kozlovsky (red.), The Superdeep Well of the Kola Peninsula (1987)
- W. Jacquelyne Kious och Robert I. Tilling, USGS, This Dynamic Earth: The Story of Plate Tectonics (1996)
- Inge Lehmann, P′ (1936)
- Adam M. Dziewonski och Don L. Anderson, Preliminary reference Earth model (1981)
- Kei Hirose, Stéphane Labrosse och John Hernlund, Composition and State of the Core (2013)
- Rob D. van der Hilst, Sri Widiyantoro och E. Robert Engdahl, Evidence for deep mantle circulation from global tomography (1997)
Ställ frågor om "Jorden vi aldrig har sett". Svaren bygger på tidningens egna artiklar.
