Á yfirborðinu er Hawaii undurfallegt land á að líta með grænum eldfjallahlíðum, ljósbláum lónum og vaggandi pálmatrjám. En undir svörtum klettunum er hins vegar ekki allt lengur sem sýnist.
Ef marka má kennslubækur samanstanda iður jarðar af nokkrum skýrt afmörkuðum lögum. Þessi vitneskja byggir á svonefndum óbeinum sönnunum í líkingu við mælingar á jarðskjálftum, svo og segulsviði jarðar.
Sýni sem tekin hafa verið úr eldfjallinu Kilauea Iki hafa bent þýskum jarðfræðingum við háskólann í Göttingen á alveg einstök efni sem einungis geta átt rætur að rekja til innsta kjarna jarðar.
Vísindamenn þessir, undir stjórn jarðefnafræðingsins Nils Messling, hafa lagt fram áreiðanlegustu vísbendingarnar til þessa, þess eðlis að jörðin sé samsett á allt annan hátt en við höfum haft vitneskju um til þessa.
Jörðin kom vísindamönnum á óvart
Í flestum skólabókum er jörðin sýnd eins og terta, gerð úr þremur aðgreindum lögum: Þunnri skorpunni, þykkum möttlinum og þungum málmkenndum kjarnanum sem er í fljótandi formi yst og föstu innst.
Í þessu tiltekna líkani er hvert lag gætt sinni einstöku efnafræði og hegðar sér líkt og einangrað kerfi. Þessum augum litu vísindamenn jörðina fyrst.
Jörðin skiptist í fjögur lög. Yst er jarðskorpan með meginlöndunum, þar fyrir neðan er hinn þykki möttull og innst eru tveir kjarnar: fyrst hinn fljótandi ytri kjarni og síðan hinn fasta innri kjarni.
Líkanið fór ekki að liðast í sundur fyrr en hugmyndin um jarðskorpuhreyfingarnar fór að láta á sér kræla á árunum upp úr 1960.
Þegar þar var komið sögu fóru vísindamenn að gera sér grein fyrir að jarðskorpan væri á hægri hreyfingu í því sem kallast flekahreyfingar og möttullinn hlýtur fyrir vikið að snúast letilega undir flekunum til þess að þær hreyfist.
Þeir gerðu sér jafnframt grein fyrir að möttullinn geti framleitt kviku og myndað nýja jarðskorpu, t.d. í miðju Atlantshafinu nærri miðjum Atlantshafshryggnum og að skorpa hverfi niður í möttulinn aftur og bráðni í svonefndum sökkulbeltum.
Í endurbætta líkaninu er með öðrum orðum samband á milli tveggja efstu laga jarðarinnar en kjarninn helst hins vegar áfram einangraður.
Hann verður að láta sér nægja að framleiða innri varma jarðar og að framleiða segulsviðið einn og sér.
Jarðefnafræðingurinn Nils Messling og vísindamannateymi hans við háskólann í Göttingen hafa nú fundið nokkuð í eldfjallaklettunum á Hawaii sem getur storkað hefðbundnu líkönunum.
Innan í eldfjallinu Kīlauea Ikis hafa vísindamenn fundið ummerki sem þóttu nánast óhugsandi en með því er átt við mikla þéttni af sjaldséðu frumefnunum rúþemi og volframi.
Í sýnum sem tekin voru úr eldfjallinu Kilauea Iki rákust þeir á tvo sjaldséða málma: rúþem (Ru) og volfram (W). Þegar svo vísindamennirnir báru saman mælingar þungmálmanna tveggja komu þeir auga á nokkuð sem markar tímamót.
Mælingar eru einkar nákvæmar
Rúþem og volfram fyrirfinnast í litlu magni nærri yfirborðinu þar sem efnin eru hluti af hrauntegundinni basalti sem Hawaii samanstendur af.
Langstærstan hluta frumefnanna er að finna í kjarnanum. Ástæða þessa er sú að járn dregur þau til sín og fyrir vikið er um að ræða það sem jarðfræðingar kalla járnsækin frumefni.
Kjarni jarðar inniheldur aðallega járn og nikkel og fyrir bragðið verða járnsæknu frumefnin í sterkri upplausn hér því jörðin var fljótandi reikistjarna og skiptist í lög skömmu eftir myndun hennar.
Enn sem komið er hefur jarðfræðingum reynst ógerlegt að sjá mun á því hvort sýni sem innihalda rúþem og volfram eigi rætur að rekja til takmarkaðrar þéttni í möttlinum eða mikillar þéttni í kjarnanum.
Þessari ráðgátu hefur Nils Messling og teymi hans nú tekist að svara.
Jarðefnafræðingnum Nils Messling við háskólann í Göttingen hefur tekist að beita massagreini til að uppgötva sjaldséð frumefni sem aðeins kunna að stafa frá kjarna jarðar.
Fyrst í stað beittu þeir nýrri aðferð við að formeðhöndla steinasýni í ofurhreinni rannsóknarstofu. Þeir hreinsuðu steinasýnin frá Hawaii í nokkrum þrepum, m.a. með því að leysa þau upp, fella málmana út með efnagreiningu og endurtaka það sérstaka ferli sem fjarlægir leifar af truflandi grunnefnum í líkingu við nikkel og molýbden.
Eftir ýtarlega hreinsunina efnagreindu vísindamennirnir ólík afbrigði af rúþemi og volframi í sýnunum.
Hvert frumefni kemur fyrir í nokkrum kemískum útgáfum sem nefnast samsætur en þær hafa yfir að ráða mismörgum nifteindum í atómkjarnanum og hafa fyrir bragðið enn fremur ólíkan massa.
Samsæturnar í hverju sýni er unnt að rannsaka með aðstoð ofurnákvæms massagreinis sem aðskilur atóm eftir þyngd þeirra og ákvarðar hversu mikið fyrirfinnst af hverri samsætu.
Þessi tímamótaaðferð sem er fólgin í því að notast bæði við nýja hreinsunaraðferð og ofurnákvæmar mælingar, gerði vísindamönnum kleift að skrá frávik í samsætunum upp á örfáa milljónustu hluta.
Það var svo í þessum mælingum sem sérkennilegu auðkennin úr kjarna jarðar gerðu vart við sig í sýnunum.
Skýringuna er að finna í kjarnanum
Þegar vísindamennirnir báru saman samsætumælingarnar greindu þeir mynstur sem ekki var unnt að skýra með því örlitla magni af rúþemi og volframi sem er að finna í möttli jarðar.
Í sýnunum reyndust vera ívið fleiri þungar rúþem-samsætur en venjulega og ívið færri volfram-samsætur.
Hvað rúþem áhrærir var um að ræða ofgnótt af samsætunni ¹⁰⁰Ru en í tilviki volframs var um að ræða samsætuna ¹⁸²W sem var að finna í óvenjulegu magni.
Þessi samsætuskipting þekkist að öðru leyti aðeins frá loftsteinum og þar sem þýsku vísindamennirnir gátu útilokað að sýnin ættu rætur að rekja til geimsins hlutu þau að stafa frá iðrum jarðar.
2.900 kílómetrum undir okkur er að finna skilin að kjarna jarðar.
Í því skyni að ganga úr skugga um hvort samsæturnar geti myndast í miðju jarðar framkvæmdu vísindamennirnir þúsundir af eftirlíkingum í tölvu. Í hvert sinn vantaði hins vegar síðasta innihaldsefnið til þess að reikningsdæmið gæti gengið upp.
Vísindamennirnir gerðu því skóna að sá hluti möttulsins sem sér eldfjallinu á Hawaii fyrir hraunkviku feli í sér allt að 0,3% af efni úr kjarnanum.
Þetta táknar að við getum ekki lengur gert ráð fyrir að kjarni jarðar sé fullkomlega einangraður.
Nýjar uppgötvanir breyta skilningi okkar á iðrum jarðar
Í hefðbundnum kennslubókum eru lög jarðar sögð vera algerlega aðskilin og nánast hreyfingarlaus. Nú gefa nýjar mælingar til kynna langtum meira lifandi mynd, þar sem lögin eru sýnd skiptast á efni hvert frá öðru.
Kenning 1: Jörðin er óhagganleg og hreyfingarlaus
Áratugum saman hefur jörðin verið álitin samanstanda úr hverju laginu ofan á öðru: skorpu, möttli og kjarna sem aðskilin voru með þéttum skilum. Flekar meginlandsskorpunnar sukku niður í möttulinn og staðnæmdust á 660 km dýpi en kjarninn var hins vegar talinn vera hitagjafi sem væri án snertingar við aðra hluta plánetunnar. Niðurstaðan var óhagganleg mynd, þar sem djúp ferli í iðrum jarðar höfðu ekki sýnileg áhrif á yfirborð hennar.
Kenning 2: Nýtt líkan leiðir í ljós lifandi jörð
Nýjar rannsóknir gefa til kynna að jarðflekarnir sökkvi alla leið inn að kjarnanum og leysi úr læðingi gífurlegt uppstreymi. Efni frá kjarnanum þröngvar sér leið yfir í gríðarstóra kvikustróka neðst í möttlinum áður en efninu er lyft mörg þúsund kílómetra upp frá botni hans og upp á yfirborðið, t.d. á Hawaii. Iður jarðar eru ekki óhagganleg heldur er nánast um að ræða hreyfanlegt vélarúm sem tengir saman kjarnann og yfirborðið.
Þess í stað virðist nú sem efni seytli hægt og rólega yfir í möttulinn. Hvernig slíkur leki getur átt sér stað fræðilega séð, er nokkuð sem annað teymi vísindamanna hefur rannsakað gaumgæfilega.
Í rannsókn sem gerð var árið 2024 undir stjórn japanska vísindamannsins Katsutoshi Kawano kom í ljós að þrýstingurinn er það hár og hitastigið svo mikið í kjarna jarðar að járn getur hvarfast við vatn og súrefni.
Ferli þetta leiðir af sér sérleg járnoxíð sem dregið geta aðra málma með sér, t.d. rúþem og volfram og stigið upp frá kjarnanum.
Um er að ræða örlítið magn en þó nægilega mikið til að það skilji eftir sig greinanleg ummerki í hraunkvikunni sem berst upp á yfirborðið.
Ef japönsku vísindamennirnir hafa rétt fyrir sér er hraunið á Hawaii í orðsins fyllstu merkingu hliðið að innstu iðrum jarðar.
Þetta kann jafnframt að skýra hvernig tveir fjarlægustu punktar jarðar tengjast hvor öðrum, þ.e. í gegnum svonefnda möttulstróka.
Vísindamennirnir lentu á gullæð
Árið 1971 kynnti jarðeðlisfræðingurinn William Jason Morgan fyrstur allra til sögunnar kenninguna um möttulstróka. Ef marka má vísindamennina eru möttulstrókar gríðarstórar loftbólur úr sérlega heitu efni sem stíga upp frá botni möttulsins, líkt og litað vax í svokölluðum hraunlömpum.
Slík loftbóla gegnir þá hlutverki eins konar náttúrulegrar lyftu sem getur dregið alla leið frá kjarnanum efnin rúþem og volfram sem hefðu lekið og síðan flutt þau alla leið upp undir Hawaii.
Neðanjarðargöng flytja kjarnaefni upp á yfirborðið
Í storknuðu hrauni á Hawaii er að finna sérstök efnafræðileg ummerki. Örlítil frávik í samsætum frumefnanna tveggja gefa til kynna að efni úr iðrum jarðar hafi lyfst upp með aðstoð svokallaðs möttulstróks.
1. Hraun kemur upp um frávik í efnum
Í hraunsýnum sem tekin voru á Hawaii hafa vísindamenn rekist á óvanalega skiptingu milli ólíkra afbrigða, svokölluðum samsætum, af frumefnunum rúþemi og volfram. Samsetning þessi er svo óvanaleg að efnin geta einvörðungu átt rætur að rekja til kjarna jarðarinnar.
2. Möttulstrókur lyfti efni upp á yfirborðið
Ef marka má vísindamenn getur þessi samsetning frumefnanna einungis hafa komist upp á yfirborð jarðar með einu móti, þ.e. með svokölluðum möttulstrók en um er að ræða sjóðheita loftbólu í möttli jarðar sem lyftir efnunum hartnær 3.000 km upp.
3. Sérstakt auðkenni hrekur vel þekkt líkan
Þegar vísindamenn fylgja efnafræðilegu auðkennunum í hraunsýnunum niður á við, er engu líkara en að þau eigi sér rætur í skilunum á milli kjarna jarðar og möttuls hennar. Þannig hlýtur lítill hluti efnisins úr kjarnanum að leka yfir í möttulinn áður en möttulstrókurinn flytur það upp á við.
Neðanjarðargöng flytja kjarnaefni upp á yfirborðið
Í storknuðu hrauni á Hawaii er að finna sérstök efnafræðileg ummerki. Örlítil frávik í samsætum frumefnanna tveggja gefa til kynna að efni úr iðrum jarðar hafi lyfst upp með aðstoð svokallaðs möttulstróks.
1. Hraun kemur upp um frávik í efnum
Í hraunsýnum sem tekin voru á Havaí hafa vísindamenn rekist á óvanalega skiptingu milli ólíkra afbrigða, svokölluðum samsætum, af frumefnunum rúþemi og volfram. Samsetning þessi er svo óvanaleg að efnin geta einvörðungu átt rætur að rekja til kjarna jarðarinnar.
2. Möttulstrókur lyfti efni upp á yfirborðið
Ef marka má vísindamenn getur þessi samsetning frumefnanna einungis hafa komist upp á yfirborð jarðar með einu móti, þ.e. með svokölluðum möttulstrók en um er að ræða sjóðheita loftbólu í möttli jarðar sem lyftir efnunum hartnær 3.000 km upp.
3. Sérstakt auðkenni hrekur vel þekkt líkan
Þegar vísindamenn fylgja efnafræðilegu auðkennunum í hraunsýnunum niður á við, er engu líkara en að þau eigi sér rætur í skilunum á milli kjarna jarðar og möttuls hennar. Þannig hlýtur lítill hluti efnisins úr kjarnanum að leka yfir í möttulinn áður en möttulstrókurinn flytur það upp á við.
Þar sem möttulstrókurinn nær upp að jarðskorpunni myndast svonefndir „heitir reitir“ en um er að ræða sérstaklega heitt svæði í efsta hluta möttulsins.
Heiti reiturinn er óhagganlegur en jarðskorpan yfir honum hreyfist. Niðurstaðan er keðja eldfjalla sem í dag liggja frá Hawaii og í norðvesturátt.
Eyjaklasi leiddi í ljós hreyfifræði djúphafsins
Hawaiieyjar marka annan enda 5.800 km langrar keðju eyja og neðansjávarfjalla. Keðjan hefur myndast sökum þess að Kyrrahafsplatan færist yfir sérlega heitt og bergkvikuríkt svæði í möttli jarðar sem kallast heitur reitur. Rannsóknir á okkar dögum hafa leitt í ljós að heiti reiturinn hefur myndast úr heitri loftbólu, svokölluðum möttulstrók sem stígur upp frá iðrum jarðar og flytur með sér efni úr kjarnanum upp á yfirborðið.
Samsætusannanirnar í sýnunum frá Hawaii sem studdar eru af möttulstrókakenningunni, færa vísindamönnunum áreiðanlegustu sannanirnar fyrir því að innstu iður jarðar séu á miklu meiri hreyfingu en áður var talið.
Nýja rannsóknin hefur raunar að sama skapi leitt í ljós niðurstöðu sem hefur í för með sér ótvíræðan og efnahagslegan ávinning.
Þegar efni seytlar úr kjarnanum upp í möttulinn eru það nefnilega ekki einvörðungu efnin rúþem og volfram sem fylgja með. Sömu sögu er nefnilega að segja af eðalmálmum í líkingu við gull og platínu.
Ríflega 99,999 prósent af gulli og öðrum eðalmálmum jarðar er nefnilega að finna í kjarnanum. Nú hefur vísindamönnum svo tekist að sýna fram á að málmar þessir geti losnað úr læðingi í örlitlu magni og komist upp gegnum möttulinn.
Þetta færir okkur ekki einvörðungu nýja innsýn í innri efnasamsetningu jarðar heldur gefur það okkur að sama skapi hugmynd um hvernig hugsanlega geti orðið ráðlegt að leita að eðalmálmum í framtíðinni, þ.e. á þeim öðrum stöðum á jörðinni sem jarðfræðingar hafa grun um að fyrirfinnist möttulstrókar.
Þetta gæti m.a. verið á Íslandi, á Eifel-svæðinu í Þýskalandi og í Afar-þríhyrningnum í Afríku.
Þrátt fyrir að Nils Messling og starfsbræður hans hafi fundið gullæð, í orðsins fyllstu merkingu, er helsta uppgötvun þeirra engu að síður sú að jörðin sé lifandi og á hreyfingu, allt frá hinum ægifögru Hawaii-eyjum og alveg inn að kjarnanum.
