Hvor stammer grundstofferne på Jorden fra?

19. november 2013

Kære Spørg om Fysik
Jeg er meget interesseret i fysik, kemi og Jordens indre struktur. Jeg har forsøgt at finde ud af, hvordan Jordens indre kerne blev til, men jeg kan ikke finde noget information. Kan I hjælpe mig med det?

Med venlig hilsen
PR, jeg går i 7. klasse

I den forbindelse bør en fremtrædende dansk videnskabsperson nævnes. Inge Lehmann (DK, 13. maj 1888 - 21. februar 1993).

Hun var seismolog (eksempelvis er jordskælvsbølger seismiske bølger), og hun opdagede i 1936, at Jordens kerne ikke kun er flydende, men at der også findes en fast indre kerne, hvilket var en stor overraskelse.

For at forstå Jordens sammensætning skal vi se på, hvordan den blev dannet. Jorden blev dannet i det tidlige solsystem for 4,567 milliarder år siden. Der var et område fyldt med jern/nikkelstykker og stenstykker samt store områder, "oceaner" af støv, gasmolekyler og enkeltstående atomer.

I denne tåge blev der dannet større klumper af materiale. Den største klump blev til solen, og det resterende materiale blev til planeterne, inklusiv Jorden. De tiltrak yderligere stumper ved hjælp af massetiltrækning (også kendt som tyngdekraft), og de mange kollisioner samt den potentielle energi opvarmede klumperne, så de smeltede sammen.

Jordens indre kerne består primært af nikkel, krom, jern og svovl

Det formodes, at Jordens dannelse (afhængigt af definitionen) fandt sted cirka 10 millioner år efter solens dannelse. Sammenstødenes varme og kompressionen ved sammentrækningen samt koncentrationen af radioaktive grundstoffer i blandingen medførte, at sten/metalklumpen smeltede, og de tunge dele bevægede sig ind mod midten på grund af tyngdekraften. Så metaller, især jern og nikkel, dannede en kugle i midten af Jorden, og det udgør Jordens kerne. Det, vi finder på overfladen, er resterne, eller det er kommet senere i form af meteoritter eller interplanetarisk støv fra rummet.

Rummet bidrager i dag med omkring 15.000 tons støv og meteorer om året. Hvis det har været konstant, svarer det til cirka 710¹⁶ kg indtil nu, og det kan have været mere i det tidlige solsystem, så det er ikke uden betydning. De lette rester, såsom siliciumforbindelser (sten), gasser, kalium, natrium, litium, calcium, magnesium og bariumforbindelser, menes at have lagt sig på overfladen, ligesom skrællen på et æble.

Jordens densitet

Indre/ydre kerne: Gennemsnitsdensiteten af den indre kerne menes at være 13.500 kg/m³, tryk cirka 3,310¹¹ N/m², temperaturen er omkring 5400 ºC, men den er delvist fast på grund af trykket, radius er cirka 1250 km.

Uden om den indre kerne findes et jernlag med en ydre radius på omkring 3470 km og en gennemsnitsdensitet på 10.000 til 12.000 kg/m³, et tryk mellem 1,410¹¹ og 3,210¹¹ N/m² og en temperatur på 4400 - 6100 ºC (smeltet).

Kappen: Herfra og næsten helt ud, radius 6330 km, findes kappen, som primært består af stenarter med en gennemsnitsdensitet på 4000 kg/m³, et tryk mellem 1,410¹¹ og 0,01910¹¹ N/m² og en temperatur på 500 - 900 ºC. Den er derfor delvist smeltet.

Skorpen: Og yderst findes skorpen, som i gennemsnit er omkring 40 km tyk og har en gennemsnitsdensitet på cirka 3000 kg/m³.

Masse fra rummet

En del af den masse, som løbende kommer fra rummet, er overskydende materiale fra dannelsen af solen og planeterne. Noget af dette stammer fra Kuiperbæltet, som er et område med sten og småplaneter uden for Neptuns bane.

Det antages, at der er mere end 100.000 klippestykker større end 100 km. Derudover er der et bælte af sten og lignende, kaldet Asteroidebæltet, mellem Mars og Jupiter. I asteroidebæltet er der mindst 3 objekter på omkring 400 km i diameter og et på 950 km (de er tæt på).

Den samlede masse skønnes at være omkring 310²¹ kg (Jordens masse er cirka 610²⁴ kg). Når objekterne kolliderer i Asteroidebæltet, kan nogle fragmenter fra disse kollisioner ende som meteoritter på Jorden. Massen i Kuiperbæltet menes at være 20 - 200 gange større.

Tunge grundstoffer kommer fra Supernovaer

Alle grundstoffer op til jern kan dannes i almindelige og mindre stjerner som solen. Der er 26 grundstoffer fra jern og ned. Grundstoffer tungere end jern i det periodiske system er relativt sjældne.

I både disse bælter og her på Jorden findes der rester af tidlige supernovaer, selvom disse stoffer er meget sjældne. Alle grundstoffer i det periodiske system med et højere atomnummer end jern kan kun dannes i supernovaeksplosioner. De er alle rester fra en supernova, hvor supernovaen mister for eksempel 10 % eller mere af sin masse, som sprænges ud i rummet, når supernovaeksplosionen finder sted.

For Jordens tilfælde er det rester af en eksplosion, der fandt sted i nærheden for omkring 4,6 milliarder år siden, for eksempel guld, sølv, bly, uran, radium, kviksølv, platin, wolfram og kobber (der er cirka 66 af vores grundstoffer, som er tungere end jern og derfor relativt sjældne og dermed også dyre, hvis de er teknisk anvendelige, eller hvis de er blevet anvendt som betalingsmidler som guld, sølv og kobber). En stor del af de radioaktive stoffer stammer fra supernovaeksplosionen, og som nævnt ovenfor, er de medvirkende til Jordens sidste smeltning, hvor kernen blev dannet.

Med venlig hilsen
Morten Bo Madsen
Malte Olsen