Store opdagelser: Jordens kerne

Den Jord, vi lever på og i dag og kender i så store detaljer, er i det væsentlige begrænset til en tynd jordskorpe.

Det dybeste borehul er blot 12 kilometer, eller knap 0,2 procent af jordradien, af samme størrelsesorden som den største havdybde og højden af Mount Everest.

Langt det meste af den indre Jord er utilgængelig for direkte undersøgelser, et gådefuldt terra incognita, om hvilket man indtil for ret nylig var henvist til spekulationer.

Man vidste ikke meget i starten

Teorier om Jordens indre struktur var populære i 1600-tallet, hvor for eksempel den lærde tysk-italienske jesuit Athanasius Kircher (1602-1680) i 1664 skrev en storslået Mundus subterraneus (Den Underjordiske Verden), hvor han i store detaljer redegjorde for de forekomster af ild og vand i Jordens indre, der efter hans mening var ansvarlige for vulkanudbrud, jordskælv og oversvømmelser.

Også den geniale matematiker og filosof Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) bidrog til denne genre, der som helhed må betegnes som mere fantastisk end videnskabelig.

Newton havde i sin Principia fra 1687 vist, at Jordens gennemsnitlige massefylde var 5-6 g/cm3, omtrent det dobbelte af jordskorpens, og han sluttede sig derfor til, at den indre Jord måtte være kompakt.

Meget andet vidste man ikke, og situationen ændrede sig ikke væsentligt gennem de følgende to århundreder.

Forskerne begyndte at danne realistiske forestillinger om jordens indre

Da den franske forfatter Jules Verne (1828-1905) i 1864 skrev sin roman Rejse til Jordens Indre, var der tale om science fiction uden et reelt videnskabeligt grundlag.

Først med geofysikkens og seismologiens fremkomst i slutningen af 1800-tallet ændredes dette uvidenhedens billede, og forskerne begyndte så småt at kunne danne sig realistiske forestillinger om den indre Jord.

Viden om Jordens indre var – og er stadig – intimt knyttet til de seismografer, der benyttes til at registrere jordskælv og som især blev udviklet af den tyske fysiker Emil Wiechert (1861-1928), professor ved universitetet i Göttingen, der regnes som den vigtigste af seismologiens fædre.

Ligesom astrofysik er næsten utænkelig uden spektroskopet, er den indre Jords geofysik næsten utænkelig uden seismografen.

Jordens indre struktur foreslås ud fra seismiske signaler

Ud fra analyser af seismiske signaler fra jordskælv foreslog Wiechert i 1896 den første kvantitative model for Jordens indre struktur, nemlig en fast central kerne af jern omgivet af et magmatisk stenlag, en kappe på cirka 1.400 kilometer.

Et vigtigt fremskridt blev gjort i 1912, da Wiecherts elev Beno Gutenberg (1889-1960) kunne påvise en diskontinuitet i jordbølgers udbredelse i en dybde af 2.900 kilometer, svarende til grænsen mellem Jordens kappe og dens kerne.

Man vidste på den tid, at de jordskælvsbølger, der går gennem Jorden, kan inddeles i P-bølger og de langsommere S-bølger (P og S står for henholdsvis 'primær' og 'sekundær').

Gutenbergs indsigt var baseret på en brat aftagen af P-bølgernes hastighed i en dybde af 2.900 kilometer.

Hans model nød almindelig anerkendelse, men 1. Verdenskrig satte en stopper for videre udforskning af Jordens indre.

Jordens kerne måtte bestå af flydende jern

I 1920'erne var det fremherskende synspunkt, at både kappe og kerne var faste, men i 1926 blev dette synspunkt udfordret af den engelske matematiker og geofysiker Harold Jeffreys (1891-1989), der argumenterede, at kernen bestod af flydende jern.

Jeffreys konklusion om – eller opdagelse af – den flydende kerne var i starten kontroversiel, da den stred mod Gutenbergs bredt accepterede model.

I løbet af nogle få år blev den dog anerkendt og indgik i geofysikernes standardmodel for Jordens struktur.

Standardmodellen var forkert

Den todelte standardmodel og dens antagelse om en homogen og flydende kerne skulle imidlertid vise sig at være forkert.

Ændringen fra en todelt til en tredelt model af Jorden skyldtes især den danske geodæt og geofysiker Inge Lehmann (1888-1993), der oprindeligt var uddannet som matematiker, men omkring 1925 skiftede til geodæsien, læren om Jordens form og struktur.

Hun studerede en tid under Gutenberg i Tyskland, hvorefter hun blev leder af den seismiske afdeling ved Geodætisk Institut i København.

P'-bølger passerer Jordens kerne og kappe

I starten af 1930'erne var det kendt, at der i seismogrammer kunne optræde en komponent af P-bølger, der dengang blev betegnet P', men som i dag bærer betegnelsen PKP.

Disse bølger passerer Jordens kerne såvel som dens kappe, og de var vanskelige at forklare ud fra antagelsen om en flydende eller blød kerne med ensartet struktur.

Deres afvigende opførsel blev normalt tilskrevet afbøjnings- eller spredningseffekter, hvorved man kunne bibeholde antagelsen, om end med noget besvær.

Jordens kerne måtte reflektere eller afbøje P'-bølger

Ifølge Lehmann var denne forklaring dog utilstrækkelig eller direkte forkert.

Især ud fra analyse af seismogrammer fra et stort jordskælv, der fandt sted i New Zealand i 1929, foreslog hun en hypotese, »der synes at have nogen sandsynlighed, om end den ikke kan bevises med eksisterende data«, som hun forsigtigt skrev.

Hendes hypotese om en tredelt indre Jord indebar, at der i jordkernen fandtes en indre kerne, der reflekterede eller stærkt afbøjede de problematiske P'-bølger.

P'-bølgernes hastighed havde ændret sig omkring centrum

Artiklen med denne fortolkning blev publiceret i det internationale seismologiske centralbureaus tidsskrift i 1936 med den summariske titel »P'«.

Formentlig den korteste titel, man kan finde i den videnskabelige litteratur overhovedet – men en artikel af stor værdi.

Hvad Lehmann meddelte i sin artikel var, at P'-bølgernes hastighed under jordskælvet i New Zealand havde ændret sig brat ved en afstand på cirka 1.400 kilometer fra centret.

Hun undlod at udtale sig om kernens tilstandsform

Det måtte derfor være radius af den indre kerne. Hun var meget forsigtig i sine konklusioner og helt klar over hypotesens tentative karakter:

»Det kan ikke hævdes«, skrev hun, »at den her givne forklaring er korrekt, da data er utilstrækkelige … Ikke desto mindre synes fortolkningen mulig, og i det mindste modsiges den ikke af observationerne.«

Desuden argumenterede hun, at denne mulige hypotese var den simpleste forklaring på de målte seismiske data.

Da disse data ikke tillod slutninger om den indre kernes tilstandsform eller fysiske parametre, undlod hun at udtale sig herom.  

Hypotesen blev anerkendt året efter

Lehmanns næsten selvudslettende artikel fra 1936 vakte ikke stor opmærksomhed, men var dog kendt i det lille geofysiske forskningsmiljø.

Allerede i 1937 gjorde Jeffreys sig til talsmand for, hvad der senere skulle blive kendt som Lehmann-diskontinuiteten eller -zonen.

Året efter blev hypotesen også anerkendt af den indflydelsesrige Gutenberg og den amerikanske geofysiker Charles Richter (1900-1985), der især er kendt for den richterskala for jordskælv, der er opkaldt efter ham og som stammer fra 1935.

I deres artikel fra 1938 undgik Gutenberg og Richter dog at nævne Lehmann overhovedet.

Der var kun tale om hypoteser

Som nævnt var Lehmann klar over, at der dog kun var tale om en hypotese, og det tog lang tid, før der var tilstrækkelig seismisk evidens til at ændre dens status fra interessant hypotese til anerkendt kendsgerning.

Dette skete først i 1960'erne, blandt andet ud fra analyser af det store chilenske jordskælv, der i 1960 dræbte 5.700 mennesker.

I og med at hypotesen har opnået almindelig anerkendelse, er det rimeligt at sige, at Lehmann i 1936 opdagede Jordens indre kerne, ligesom Jeffreys ti år tidligere opdagede den flydende kerne.

Den inderste kerne er fast

Derimod kan opdagelsen af den indre kernes faste struktur ikke tilskrives Lehmann, da hun i 1936 ikke forholdt sig til dens tilstandsform. Det første forslag om, at 'Lehmann-zonen' består af fast jern, kom i 1940, og seks år senere underbyggede den newzealandske seismolog Keith Edward Bullen (1906-1976) forslaget med videnskabelige data.

I dag er det bredt anerkendt, at der inde i Jordens kerne, i en dybde af 5.120 kilometer, findes en diskontinuitet, og at det inderste af kernen er fast.

Den faste kerne af jern og nikkel har en temperatur på omkring 6.500 °C – omtrent det samme som Solens overflade, hvilket dog er et tilfælde.

Dens radius er 1.225 kilometer, hvilken værdi kun afviger 14 % fra den værdi, Lehmann nåede frem til i 1936.

Det tog tid at fremskaffe de data, der var nødvendige

Den fulde anerkendelse af Inge Lehmanns vigtige indsats kom sent og først mange år efter, hun i 1953 var gået på pension fra sin stilling ved Geodætisk Institut.

Hun blev i 1964 tildelt graden som æresdoktor ved Columbia University i New York og modtog samme år den fornemme Wiechert-medalje fra det tyske Geofysiske Selskab.

Den stærkt forsinkede anerkendelse skyldtes dog hverken, at hun var kvinde eller kom fra et lille land.

Der var ikke tale om en grim ælling, der efter mange genvordigheder endelig blev erkendt at være en hvid svane, men blot at det tog tid at fremskaffe de data, der var nødvendige for at bekræfte hypotesen om den indre kerne.

Data fra jordskælv kan ikke fremskaffes efter behov. Man må pænt vente på, at naturen leverer dem.

Kernen er en gigantisk dynamo

Den forståelse af Jordens indre struktur, som Lehmann og hendes kolleger nåede frem til, har også resulteret i en bedre forståelse af årsagen til jordmagnetismen, der i lang tid var henvist til spekulationer.

I dag er det anerkendt, at kernen er en gigantisk dynamo, hvor der dannes elektriske strømme i den ydre del af den flydende jernkerne.

Fra den indre kerne stiger varmt materiale op og afkøles, hvorefter det synker ned igen. Ved denne cykliske proces skabes der elektriske strømme, der igen skaber et kraftigt magnetfelt.

Jordens indre er ikke kun én enkelt opdagelse

Ideen om en geodynamo af denne art skyldes især den tysk-amerikanske fysiker Walter Elsasser (1904-1991), der udviklede den i 1946, men det er først senere, den har opnået bred anerkendelse og er blevet bekræftet af computersimulationer.

Historien om Jordens indre er ikke en historie om en enkelt genial opdagelse, men en historie om, hvordan et pålideligt billede møjsommeligt blev stykket sammen gennem flere gennembrud.

Wiechert og Gutenberg i Tyskland var pionerer på området, og deres arbejder blev forbedret af Jeffreys i England. 

Moderne naturvidenskab er af international karakter

Den væsentlige indsigt om en indre kerne blev opnået af Lehmann i Danmark, og hendes hypotese blev kompletteret af Bullen fra New Zealand.

Udviklingen af vores forståelse af den indre Jord i det 20. århundrede er et eksempel på den kumulative karakter, der er et vigtigt træk i mange videnskabelige fremskridt.

Den er også et eksempel på, hvordan moderne naturvidenskab er af international karakter.