Hvordan opstod Jordens kerne? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Geofysik > Hvordan opstod Jordens...

19. november 2013

Hvordan opstod Jordens kerne?

Hej Spørg om Fysik
Jeg interesserer mig rigtigt meget for fysik, kemi og Jordens indre struktur. Jeg har søgt og søgt for at finde ud af, hvordan Jordens indre kerne opstod, men jeg kan ikke finde noget. Vil i hjælpe mig?

Med venlig hilsen
PR, jeg går i 7. klasse

I denne forbindelse bør en berømt videnskabskvinde fra Danmark omtales. Inge Lehmann (DK, 13. maj 1888 – 21. februar 1993).

Inge Lehmann

Hun var seismolog (f.eks. jordskælvbølger er seismiske bølger) og opdagede i 1936, at jordens kerne ikke bare er flydende, men at der også er en fast indre kerne, hvilket var en fuldstændig nyhed.

For at forstå jordens opbygning skal vi tilbage til dannelsen. Jorden er dannet i det tidlige solsystem for 4,567 milliarder år siden. Der var et område med en masse jern/nikkelstykker, og stenstykker, plus store områder, "oceaner" af støv, gasmolekyler og enkeltatomer.

Ude i denne tåge dannedes større klumper af materiale. Den største klump endte som solen, og af det spredte øvrige materiale dannedes indenfor relativt kort tid de klumper, som i dag er planeter; herunder også jorden. De tiltrak så ved massetiltrækning (det man også kunne kalde tyngdekraft) flere stumper og de mange sammenstød plus den potentielle energi opvarmede klumperne, så de smeltede sammen.

Snit af jordens opbygning

Jordens indre kerne er stort set nikkel samt krom, jern og svovl

Det antages, at jordens dannelse [lidt afhængig af, hvordan man definerer denne] ligger omtrent 10 millioner år efter solens dannelse. Sammenstødenes varme, og kompressionen ved sammentrækningen plus koncentrationen af radioaktive grundstoffer i blandingen betød at sten/metalklumpen blev smeltet, og de tunge dele søgte ind imod midten på grund af tyngdekraften. Så metaller, især jern og nikkel, blev en kugle midt i jorden, og den udgør således jordens kerne. Det vi har på overfladen er resterne, eller det er kommet senere som meteoritter eller interplanetarisk støv fra rummet.

Nedfald fra rummet drejer sig i dag om i størrelsesorden 15.000 tons pr. år af både støv og meteorer. Har det været konstant, er det indtil nu i alt ca. 7*1016 kg, og det kan godt have været mere i det tidlige solsystem, så det er ikke ubetydeligt. De lette rester som siliciumforbindelser (sten) gasser, kalium, natrium, litium, calcium, magnesium og bariumforbindelser mener man lagde sig på overfladen, lidt ligesom skrællen på et æble.

Astroidebæltet imellem Mars og Jupiter

Jordens massefylde

Indre/ydre kerne: Gennemsnitsdensiteten af den indre kerne menes at være 13.500 kg/m3, tryk ca. 3,3*1011 N/m2, temperatur ca. 5400 ºC, smeltet dog delvist fast på grund af trykket, radius ca. 1250 km.

Udenom den indre kerne ligger et jernlag med en ydre radius på ca. 3470 km og (gennemsnitsdensitet 10.000 til 12.000 kg/m3, tryk imellem 1,4*1011 og 3,2*1011 N/m2, temperatur 4400 – 6100 ºC, smeltet ).

Kappen: Derfra og næsten helt ud, radius 6330 km, ligger kappen, som stort set består af stenarter med gennemsnitsdensitet 4000 kg/m3,  tryk imellem 1,4*1011 og 0,019*1011 N/m2, temperatur 500 – 900 ºC. Den er derfor delvist smeltet.

Skorpen: Og endeligt helt yderst ligger skorpen, som i gennemsnit er ca. 40 km tyk, og som har en gennemsnitsdensitet omkring 3000 kg/m3.

Kuiperbæltet udenfor Neptuns bane

Masse fra rummet

Noget af den masse, der løbende kommer ind fra rummet, er en masse løst materiale, som blev "til overs" da solen og planeterne dannedes. Noget af dette stammer fra Kuiperbæltet, som er et område med sten, småplaneter etc. udenfor Neptuns bane.

Det vurderes, at der her er over 100.000 klippestykker større end 100 km. Desuden er der et bælte af sten mm. som kaldes Asteroidebæltet, som ligger imellem Mars og Jupiter. I asteroidebætet er der mindst 3 legemer på ca. 400 km i diameter, og en på 950 km (de er tæt på).

Den samlede masse vurderes til omkring 3*1021 kg (Jordens masse er ca. 6*1024 kg). Når legemerne støder sammen i Asteroidebæltet, kan nogle vildfarne fragmenter fra disse sammenstød ende som meteoritter her på jorden. I Kuiperbæltet menes der at være 20 – 200 gange større masse samlet. 

Supernova, stumperne bevæger sig udad i tusindevis af år med over 1000 km/s

Tunge grundstoffer er fra Supernova

Alle stoffer, til og med jern, kan dannes i almindelige og mindre stjerner ligesom solen. Der er 26 stoffer fra jern og nedefter. Stoffer over jern i det periodiske system er altså forholdsvis sjældne stoffer. 

Både i disse bælter, og også her på jorden, findes der altså rester af tidlige supernovaer, selvom disse stoffer er yderst sjældne. Alle stoffer i det periodiske system, der har et højere atomnummer end jern, kan kun dannes i supernovaeksplosioner. De er alle rester fra en supernova, hvor supernovaen taber f.eks. 10 % eller mere af sin masse, som så sprænges ud i rummet, da supernovaeksplosionen kom.

For Jordens vedkommende altså rester af en eksplosion, som fandt sted her i nærheden for ca. 4,6 milliarder af år siden. som f.eks. guld, sølv, bly, uran, radium, kviksølv, platin, wolfram og kobber (der er ca. 66 af vore grundstoffer, som er tungere end jern og derfor forholdsvis sjældne og dermed også dyre, hvis de er teknisk anvendelige, eller hvis de er blevet anvendt som betalingsmidler som guld, sølv og kobber). En forholdsvis stor del af de radioaktive stoffer kommer fra supernovaeksplosionen, og som set ovenfor, er de medvirkende til jordens sidste smeltning, hvor kernen skabtes.

Med venlig hilsen
Morten Bo Madsen
Malte Olsen