Start

Slut

Temperatursvingninger i Jorden!

 

Som minearbejdere har vidst i århundreder, bliver jorden varmere, jo dybere man kommer ned. I nærheden af overfladen er den gennemsnitlige temperaturforøgelse på omkring 3° C pr. 100 m, men i en meget kold kontinentalskorpe kan den være så lav som 1/3 heraf, og i vulkansk aktive områder kan den være meget højere. Hvis denne gennemsnitlige tilvækst fortsatte hele vejen gennem Jorden, ville temperaturen ved centrum være højere end 190.000°. Det, at den indre kerne er massiv, viser, at temperaturerne slet ikke er så høje. Dette må betyde, at temperaturstigningen dybt inde i Jorden er meget lavere end ved overfladen.

Den vigtigste varmekilde i dag synes at være henfald af radioaktive isotoper med lange halveringstider, især uran (U-238 og U-235), thorium (Th-232) og kalium (K-40). Da koncentrationen af disse grundstoffer og deres fordeling i dybden er usikker, er det umuligt at sige, præcis hvor stor en del af den samlede varme der bliver dannet på denne måde. Det kunne være alt fra 50 til næsten 100 %. Men det er næsten sikkert, at noget af den varme, som nu dukker frem ved Jordens overflade, er oprindelig, altså opstået under eller lige efter Jordens tilblivelse. Varme bevæger sig så langsomt gennem Jorden, at det ville tage mange milliarder år, før en varmestrøm fra centrum ville kunne mærkes ved overfladen. Derfor er det sandsynligt, at ikke al den oprindelige varme er trængt igennem i de 4,6 milliarder år, Jorden har eksisteret.

Der er ingen mangel på mulige, oprindelige varmekilder. Efterhånden som Jorden voksede, da små planetare legemer samledes, blev noget af den kinetiske energi fra de kolliderende partikler frigjort som varme. Dertil kommer den kompressionsvarme, som blev frigjort, efterhånden som Jorden voksede og trykket blev højere og højere i de dybere lag. Dernæst må tyngdeenergi være blevet frigjort som varme, da Jorden blev inddelt i skorpe, kappe og kerne. Og endelig fandtes der formodentlig radioaktive grundstoffer med korte halveringstider ved Jordens dannelse. Historien om Jordens varme er derfor baseret på ideen om en kæmpemæssig oprindelig tilførsel af varme fulgt af fortsat varmetilførsel fra nogle få radioaktive isotoper med lange halveringstider. Om 10 milliarder år, når disse isotopers henfald er ovre, vil Jorden afkøles, indtil den er helt massiv, og al pladebevægelse og vulkansk aktivitet vil stoppe. Afkølingen vil få katastrofale følger for alt liv på Jorden.

Den mængde af Jordens indre varme, som nu strømmer ud gennem dens overflade, er stor. På hele Jorden løber den op i 1021 joules om året, hvilket er ca. 10 gange mere end den mængde af energi, som tidevandet bruger på at sinke Jordens rotation og ca. 1000 gange større end den energimængde, som udløses ved jordskælv. På den anden side er den mængde varme, der strømmer gennem 1 m2 af Jordens overflade, meget lille, men dog målelig. I gennemsnit drejer det sig om ca. 0,6 joule/m2 pr. sek. (= 60 milliwatt pr. m2).

Tusindvis af varmestrømningsmålinger er blevet foretaget verden over, og hermed er geofysikerne blevet i stand til at fremstille et konturkort. Det mønster i varmestrømningen, som herved afsløres, stemmer bemærkelsesværdigt nøje overens med de pladetektoniske processer. Varmestrømningen er høj over oceanryggene, hvor varmt materiale fra Jordens indre stiger op og danner ny oceanlithosfære. Den er særlig høj over Den østpacifiske Hævning, hvor spredningen foregår hurtigt, men ikke så høj over Den midtatlantiske og Den indiske Oceanryg, hvor spredningen foregår langsommere. I virkeligheden er varmestrømmen over oceanryggene endnu højere, end kortet angiver. Varmestrømningsmålinger registerer kun den mængde, som ledes igennem den øvre skorpe, men ved oceanryggene fjernes varme også af cirkulerende havvand inde i lithosfæren, som fremkalder »smokerse ved ryggene.

Den allerlaveste varmestrømningsværdi kommer fra gravene i oceanerne, hvor den nu afkølede lithosfære begynder at gå ned i Jordens indre. Dog stiger varmestrømningen til højere værdier igen på landsiden af graven. Dette skyldes, at gnidning ved lithosfæreblokkens øverste kant udvikler varme og magma, som stiger op og fremkalder vulkansk aktivitet langs den kontinentale rand eller i øbuer. I kontinentale områder er mønstrene mere varierede, fordi den kontinentale skorpe både er ældre og mere sammensat end oceanskorpen. Ikke desto mindre er det generelt ligesom ved oceanbundene tilfældet, at jo ældre terrænet er, jo lavere er varme-strømningen fra det. Derfor er varmestrømningen højere i unge, vulkansk aktive zoner end i prækambriske skjoldområder. På den anden side er faldet i varmestrømningen med bjergartsalderen meget lavere for kontinenterne end for oceanbundene. Dette skyldes delvis, at kontinenterne er tykkere og derfor afkøles langsommere, og delvis, at der er en høj koncentration af radioaktive isotoper.

Den gennemsnitlige varmestrømning gennem kontinenterne er ikke særlig forskellig fra den, som foregår gennem oceanbunden, men dette er et uheldigt sammentræf, som ledte geofysikerne på vildspor i mange år. Oceanskorpen indeholder kun få varmeproducerende, radioaktive isotoper; ca. 90 % af den oceaniske varme-strømning kommer fra kappen. I modsætning hertil er den kontinentale skorpe rig på radioaktive isotoper, og kun 5 % af den kontinentale varmestrømning kommer fra kappen. Dette antyder, at temperaturen i kappen umiddelbart under den kontinentale skorpe skulle være noget lavere end under oceanskorpen, og at de to dele af kappen formentlig ikke har helt ens sammensætning.

Temperaturmålinger og følgeslutninger!
Man ved egentlig meget lidt om temperatursvingningerne gennem Jorden, for direkte målinger kan kun foretages nær planetens overflade. På den anden side kan geofysikerne og geokemikerne drage slutninger om forholdene i Jordens indre i forskellige niveauer. Herved er det muligt for dem at afgrænse de sandsynlige temperaturer, og på denne måde kan de bevare i hvert fald noget af forbindelsen til virkeligheden, når de anslår forholdet mellem dybde og temperatur.

Fx må astenosfærens temperatur, da den jo er delvis smeltet, ligge tæt på kappematerialets smeltepunkt. Ved de herskende tryk ligger temperaturen derfor sandsynligvis mellem 1100 og 1200° C på dybder af 100-200 km. Det bekræftes af den lava, som stiger op gennem vulkaner i havet. Den har omtrent samme temperatur og menes at stamme fra astenosfæren.

Under astenosfæren ligger kappen, som er massiv, og hvis temperatur derfor må være under smeltepunktet. Et mere præcist »fikspunkt« kommer i en dybde af 400 km, hvor der er et mindre, men bemærkelsesværdigt spring i den seismiske hastighed. Den faseændring, som man mener, er ansvarlig for dette spring, er blevet efterlignet under højt tryk i laboratorier, hvor man fandt frem til, at den finder sted ved ca. 1500°C. Der er også et seismisk spring omkring 650 km nede. Den faseændring, som geofysikerne mener, er ansvarlig herfor, er endnu ikke blevet undersøgt, men teoretiske beregninger antyder, at den skulle finde sted ved omkring 1900° C.

Hvad kernen angår, er der nok mindre enighed om temperaturen. Den ydre kerne er flydende, og derfor må dens temperatur være højere end kernens smeltepunkt. Men hvad består kernen af? Hvis den var af rent jern, måtte temperaturen i den ydre kerne nødvendigvis være over 3900° C i toppen og 4400°C i bunden. Dog må kernen også indeholde en mindre del af et let grundstof som fx svovl, og nogle geofysikere mener, at dette kunne nedsætte smeltepunktet i kernen med så meget som 2000°C.

Den indre kerne er fast. Det betyder, at dens temperatur formodentlig ligger omkring 4400°C, selv om de mere forsigtige geofysikere måske ville nøjes med at sige, at temperaturen i Jordens centrum nok ligger et sted mellem 4000°C og 5000° C.

Det fremgår af grafen over temperatur og dybde, at temperaturgradienten (temperaturens ændringstakt i forhold til dybden) formindskes, jo dybere man kommer ned. Derfor er temperaturen i Jordens centrum ikke i nærheden af 190.000° C. Lige over kernen er der et lille område, hvor temperaturgradienten er en smule højere end ventet. Dette skyldes formodentlig afgivelse af varme fra den flydende ydre kerne til den faste kappe.

Konvektion i kappen? De første ideer!
Et af de store, gamle stridspunkter i geofysikken er, hvorvidt de store mængder varme i Jorden fremkalder konvektionsstrømme i kappen og i bekræftende fald i hvilke dele af den. Da man i begyndelsen af 1960'erne begyndte at tage kontinentalvandring alvorligt, opfattede man kappekonvektion som den mekanisme, der frembragte den. Ideen var, at den bevægelige kappe ville udøve et vandret træk i det underste af kontinenterne og således trække dem af sted. Dengang troede man, at konvektionsstrømme fandtes i hele kappen. Da det noget senere blev klart, at der er et delvis smeltet lag (astenosfæren) i den øvre kappe, foreslog nogle geofysikere, at konvektion kun fandt sted der.

Da kontinentalvandring og oceanbundsspredning var blevet kombineret til pladetektonik, var den almindelige opfattelse, at den kraft, som styrer pladebevægelser, er frembragt af trækket fra den tunge blok af ocean-lithosfære, som synker ned ved subduktionszonerne. Bevægelse i astenosfæren blev derfor fremkaldt af bevægelserne i lithosfæren ovenover. Selv om denne strømning stadig noget løseligt kaldes »varmekonvektion«, er det ikke varmekonvektion i ordets egentlige betydning, selv om den formodentlig ville transportere varme ligesom enhver anden form for konvektion.

Den aktuelle debat!
Debatten om konvektionsstrømme i kappen fik ny næring, da pladetektonikken blev almindelig anerkendt, og den vil utvivlsomt fortsætte i mange år. Der er nu tre modstridende hypoteser.

Ifølge den første hypotese begrænser konvektion sig til astenosfæren. Dog gør dens fortalere det ikke altid klart, hvorvidt det drejer sig om varme-fremkaldt konvektion eller den »tilbagestrømnings-bevægelse«, som fremkaldes af bevægelser i lithosfæren ovenover.

Den anden hypotese siger, at konvektion finder sted i et enkelt system af konvektionsceller gennem så at sige hele kappen. Med andre ord finder konvektion sted i astenosfæren og mesosfæren, men ikke i det lag af kappen, som danner den nedre del af lithosfæren.

Ifølge den tredje hypotese finder konvektion også sted i så at sige hele kappen, men der er to uafhængige konvektionssystemer - et, der ligger i den øvre kappe (astenosfæren plus overgangszonen) og et i den nedre kappe (mesosfæren minus overgangszonen).

Der kan argumenteres for og imod alle disse tre synspunkter, men det ser ikke ud til, at der findes en nem måde at løse problemet på. Ingen bestrider, at den faste del af kappen i princippet kan flyde. Uenigheden drejer sig især om, hvilke dele af kappen der har en tilstrækkelig lav viskositet, til at konvektion faktisk kan finde sted.