Stærsti kristall jarðar

 

Kristall eða steind myndast þegar frumefni raða sér þétt saman á mjög reglubundinn hátt, þannig að úr verður steind eða hart efni með ákveðnar útlínur og form.  Flestir kristallar eru nokkrir millimetrar á stærð.  Stærstu kristallar, sem vitað er um í jarðskorpunni finnast í námu í Mexíkó.  Naica náman í norður hluta Mexíkó hefur verði rekin síðan árið 1794 og þar hafa menn grafið blý, silfur og sínk úr jörðu.  Náman er í  kalksteini frá Krítartíma, en fjöldi af berggöngum úr líparíti hafa skotist inn í kalkið. Af þeim sökum er hitastig nokkuð hátt hér í jarðskorpunni.  Árið 2000 sprengdu námumenn sig inn í stórt holrými eða helli, sem var fullur af um 58 stiga heitu vatni.  Síðan var hellirinn tæmdur, en jarðvatni er dælt uppúr námunni, sem samsvarar um 60 þúsund lítrum á mínutu.  Vatnið er reyndar saltur vökvi eða pækill, sem inniheldur ýmis efni í upplausn.  Þegar hellirinn var tæmdur af vatni, þá komu í ljós undurfagrir og risastórir kristallar, sem hafa vaxið úr gólfi og veggjum hans.  Þetta eru mest kristallar af gifsi, eða kalsíum súlfati, CaSO4.   Rannsóknir sýna að kristallarnir hafa verið að vaxa hér í meir en 200 þúsund ár.  Á þessum tíma hafa gefist kjöraðstæður fyrir kristalvöxt: stöðugur hiti, jöfn efnsamsetning pækilsins og algjör friður fyrir kristallana að ná risastærð. Sumir eru allt að 15 metrar á lengd og yfir meter í þvermál.  Til að komast í hellinni þaf að fara 300 metra niður í jarðskorpuna.  Þegar farið er inn í hellinn er nauðsynlegt að klæðast sérstökum búning, sem hefur innbyggt kælikerfi til að verjast 58 stiga hitanum og 100% raka.  Yfirleitt helst enginn þar við meir en 30 mínútur.  Nýlega fór vinur minn Carsten Peter niður í hellinn og tók þá þessa mynd.  Hér í dýpinu er ótrúleg fegurð, þar sem risavaxnir kristallar vaxa þvers og kruss um hellinn og dreifa ljósinu á töfrandi hátt.

Sennilega eru þetta stærstu kristallar sem finnast í jarðskorpunni, en þó ekki endilega stærstu kristallar í jörðinni  -- þeir finnast miklu dýpra.  Sumir jarðvísindamenn telja, að stærstu kristalla jarðar  sé að finna í innri kjarnanum.  Það var Inge Lehmann sem uppgötvaði innri kjarna jarðar árið 1936 út frá dreifingu jarðskjálftabylgna. Síðan var sýnt fram á að hann er heill, óbráðinn, ólíkt ytri kjarnanum, sem er fljótandi járn.  Kjarninn í heild er mjög heitur, eða um 6000 stig, en þegar þrýstingurinn eykst með dýpinu, þá storknar járnið í kristalla og myndar þannig innri kjarnann, með þvermál um 2440 km.  Innri kjarninn vex stöðugt, þegar járnbráðin úr fljótandi ytri kjarnanum kristallast utanum innri kjarnann.  Talið er að innri kjarninn stækki um það bil  0,5 mm á ári vegna mjög hægfara kólnunar jarðar. 

  Jarðskjálftabylgjur berast í gegnum innri kjarnann, en þær fara töluvert hraðar í norður-suður átt, en austur-vestur átt.  Jarðskjálftabylgjan fer um fjórum sekúndum hraðar milli pólanna en þvert í gegnum jörðina við miðbaug.  Þetta er um 3% hraðamunur.  Hvað veldur því að bylgjur berast hraðar frá norðri til suðurs en í austur-vestur átt?  Yfirleitt er talið að slíkt fyrirbæri sé vegna þess, að kristallar hafa vissa stefnu í jörðinni, en jarðskjálftabylgjur berast hraðar um einn ás kristalla en í aðrar áttir.   Það eru nokkrar gerðir af járn kristöllum sem koma til greina í innri kjarnanum.  Myndin sýnir innri gerð  þeirra, eða röðun atóma í kristalgerðinni.  Það er í járni með kristalgerðina hcp, sem jarðskjálftabylgjur berast hraðast í eina áttina.   Er þetta kristatltegundin, sem myndar innri kjarnann?  Lars Stixrude og Ronald Cohen hafa rannsakað þetta manna mest og telja að hægt sé að útskýra hraðamuninn á jarðskjálfatbylgjum í gegnum innri kjarnann aðeins með því að gera ráð fyrir að hann sé gerður úr einum stórum kristal eða mjög fáum samhliða kristöllum.  Þarna er þá ef til vill að finna stærsta kristal jarðar – í innri kjarnanum.

Járnsteinn úr Kjarnanum

Í pistli hér fyrir neðan fjallaði ég um járnsteininn mikla sem féll á Thulesvæðinu á Grænlandi endur fyrir löngu. Fyrir Inúíta var steinninn dýrmæt náma af járni sem féll að himni. En fyrir vísindin er það mikilvægasta í sambandi við slíka steina að túlka þær upplýsingar, sem þeir gefa okkur um kjarna á plánetum, eins og jörðinni okkar. Myndun þeirra tengist því hvernig efni plánetunnar skiljast að eftir eðlisþyngd. Járnsteinn er að sjálfsögðu að mestu leyti gerður úr járni, en hann inniheldur einnig um 8% nikkel og dálítið kobalt. Þungu málmarnir eins og járn, nikkel og kóbalt, með eðlisþyngd um 7 til 8 grömm á rúmsentimeter, sökkva niður að miðju plánetunnar strax í upphafi. Fyrsta myndin gefur hugmynd um hvernig hinir þungu málmar skiljast að samkvæmt eðlisþyngd og aðdrátarafli og leita niður í kjarnann, en létt efni, eins og kísill, verða eftir nær yfirborði og mynda möttul og skorpu. Nú, kannske ekki alveg strax, en innan við þrjátíu milljón ára eftir að plánetan okkar myndaðist fyrir um 4,5 milljörðum ára. Innri gerð járnsteinsins segir líka sína sögu. Þegar sneið er skorin af járnsteininum og hún slípuð, þá kemur í ljós merkilegt munstur í járninu, eins og myndin sýnir. Munstrið kemur fram þegar járnið kólnar og kristallast, en þá myndast textúr sem við nefnum Widmanstätten. Það eru kristallar af járn og nikkel blöndu, sem nefnast kamacite (lítið nikkel) og taenite (hátt nikkel). Þetta er eitt af höfuðeinkennum járnsteina, eins og þeirra sem finnast á Thulesvæðinu.

Járnsteinninn frá Thule

Hér hef ég áður fjallað um kjarna jarðarinnar, og bent á að hann er að mestu gerður úr járni. Við getum aldrei haldið á steini sem er kominn úr kjarna jarðar okkar. Hins vegar getum við skoðað og greint steina sem hafa komið úr kjarna fjarlægra pláneta, sem hafa sundrast og borist til jarðar. Það er sú tegund af loftsteinum, sem við nefnum járnsteina. Nyrsta þorpið á Grænlandi er Qaanaaq, en þar rakst ég á merkan loftstein nýlega, sem fyrsta myndin sýnir. Hér gafst mér þá loks tækifæri til að halda á járnsteini, en hann var þungur, þessi. Qaanaaq er fyrir norðan Thule, en þorpið er tiltölulega nýtt. Það var árið 1953 að danir gáfu bandaríkjamönnum leyfi til að reisa einn stærsta herflugvöll á norðurslóðum á Thulesvæðinu. Til að gera þetta kleift voru íbúar svæðisins þvingaðir til að flytja mun norðar, á auða og yfirgefna klettaströnd, þar sem nú er þorpið Qaanaaq í dag. Járnsteinninn í litla Thulesafninu í Qaanaaq er eitt lítið brot af risastórum járnsteini, sem barst utan úr geimnum og til jarðar fyrir um tíu þúsund árum. Á leið sinni í gegnum lofthjúp jarðar var viðnámið svo mikið að yfirborð járnsteinsins varð glóandi heitt. Yfirborðið bráðnaði og tapaði um 2 mm á sekúndu þar til steinninn skall til jarðar. Hann splundraðist í þúsund mola í andrúmsloftinu fyrir ofan Thulesvæðið. Hér dreifðust brotin yfir stórt svæði og eru enn að finnast ný. Sagan um hvernig brotin úr þessum risasteini hafa fundist er merkileg og hefur þetta járn haft mikil áhrif á þróun og líf Inuit íbuanna á Thulesvæðinu. Járnsteinninn, sem splundraðist yfir norður Grænlandi dreifði stykkjum yfir stórt sæði í grennd við Yorkhöfða (Cape York) og einkum þar sem þorpið Savissivik eða Savigsvik stendur nú. Kortið til hliðar sýnir fundarstað sex stærstu breotanna af járnsteininum. Stærsta stykkið heitir Ahnighito og er um 31 tonn á þyngd. Það fanns á eynni sem nú kallast Meteoritöen eða Loftsteinseyja, Annað stórt stykki er Agpalilik (20 tonn, nú á safni í Kaupmannahöfn) og svo mörg minni, þar á meðal stykkið sem ég skoðaði í þorpinu Qaanaaq, nyrst á Grænlandi. Evrópubúar fengu fyrst vitnesku um járnsteinana þegar bretinn John Ross kom á þessar slóðir á leið sinni í leit að norðvestur siglingaleiðinni árið 1818. Þá kom fyrst í ljós, að Inuitar hafa fengið sér járn úr þessum steinum í alda raðir og búið til frábæra járnodda á hvalskutla sína og einnig beitta hnífa. Þannig voru Inuítar á Thulesvæðinu komnir inn á járnöldina, þegar allir aðrir Inuítar á Grænlandsslóðum voru enn á steinöld. Það er engin tilviljun að Savissivik þýðir staðurinn þar sem maður finnur járn á máli Inuíta. Hingað hafa þeir leitað í aldaraðir til að sækja hinn verðmæta málm í vopn sín og verkfæri. John Ross fann aldrei járnstreinan, enda vildu Inuítar ekki sýna neinum vestrænum mönnum þessar gersemar, sem þeir kölluðu járnfjallið. Árið 1897 kom bandaríski sjóliðsforinginn og landkönnuðurinn Robert E. Peary til Thule og fékk Inuíta til að sýna sér járnsteinana og síðan eignar Peary sér þá stærstu. Næsta mynd sýnir þegar Peary og hanns menn komu stærsta járnsteininum, 31 tonna Ahnighito, um borð í skip þeirra, sem var mikið afrek. Síðan var siglt með járnsteinana til New York, og þar eru þeir stærstu nú til sýnis í náttúrugripasafni borgarinnar. þessi risasteinn er einn allra stærsti loftsteinn sem fundist hefur og þurfti safnið í New York að útbúa sérstakar undirstöður, sem ná niður í gegnum gólfið og alveg niður í fornan og traustan berggrunn Manhattan eyjar.

Hver uppgötvaði Kjarnann?

Ef til vill er ykkur farið eins og mér, þegar þið drekkið kaffibollann á morgnana, að þið veltið fyrir ykkur hver uppgötvaði kjarna jarðarinnar. Nú vitum við að kjarninn er engin smásmíð, því hann er um 30% af þyngd jarðar. Sagan um uppgötvun hans hefst reyndar í Egyptalandi fyrir Krists burð. Þar var það gríski fræðimaðurinn Eratosþenes (276 til 195 f.Kr.) sem reiknaði út ummál og þar með stærð jarðarinnar. Hann fékk út töluna 39690 km, sem skeikar aðeins um 1% frá réttri tölu, sem er 40075 km. Næst kemur við sögu enski lávarðurinn Henry Cavendish (1731–1810), en hann vigtaði jörðina. Vigtin sem við hann er kennd er reyndar dingull, sem mælir aðdráttarafl jarðar og út frá því má reikna þyngd plánetunnar, þar sem rúmmálið er þekkt frá mælingu Eratosþenesar. Cavendish fékk þá niðurstöðu, að eðlisþyngd allrar jarðarinnar væri 5.48 sinnum meiri en eðlisþyngd vatns, en niðurstaða hans er mjög nærri réttu (5.53). Nú er eðlisþyngd bergtegunda á yfirborði jarðar oftast um 2.75, og það var því strax ljóst að miklu þéttara og mun eðlisþyngra berg leyndist djupt í jörðu, sennilega í einhverskonar kjarna. Nú líður og bíður þar til árið 1906, þegar framfarir í jarðskjálftafræði gera kleift að kanna innri gerð jarðar. Þeir Emil Wiechert og Richard Dixon Oldham komast að raun um það að hraði jarðskjálftabylgna breytist mikið á um 2900 km dýpi, og að S bylgjur komast ekki í gegnum jarðlögin þar fyrir neðan og þar hlyti því að vera efni í kjarnanum í fljótandi ástandi: sem sagt bráðinn kjarni. Wiechert hafði stungið upp á því árið 1896 að innst í jörðinni væri kjarni úr járni. Einn af nemendum Wiecherts var Beno Gutenberg, sem kannaði frekar ytri mörk kjarnans árið 1914. Það kom eiginlega ekkert annað efni til greina, sem hefur þessa eðlisþyngd og væri bráðið við þennan þrýsting. Til þess að vera bráðinn á þessu dýpi og undir miklum þrýstingi og gerður úr járni, þá hlaut hitinn í kjarnanum að vera að minnsta kosti fimm þúsund stig! Önnur myndin sýnir hitaferil inni í jörðinni. En undir enn meiri þrýstingi þá kristallast járn, jafnvel undir þessum hita, og svo kom í ljós, árið 1936 að jarðskjálftabylgjur endurköstuðust af einhverju kristölluðu yfirborði á um 5100 km dýpi. Það var danski jarðeðlisfræðingurin Inge Lehman sem uppgötvaði innri kjarnann. Nú vitum við að kristalliseraður innri kjarninn snýst dálítið hraðar en fljótandi ytri kjarninn, sem kann að hafa áhrif á segulsvið jarðar, en ytri kjarninn er svo þunnfljótandi við þetta hitastig að hann líkist helst vatni. Hitinn í kjarnanum er um það bil sá sami og á yfirborði sólarinnar, en þar er hitinn um 5500 oC. Eins og önnur myndin sýnir, þá eru ofsaleg hitaskil á milli heita kjarnans og kaldari möttulsins fyrir ofan. Þarna breytist hitinn um þrjú þúsund stig á nokkrum kílómetrum! Mikið af hita kjarnans er arfleifð frá myndun jarðar og frá árekstrum af stórum loftsteinum snemma í sögu jarðar. Einnig er nú talið að eitthvað sé enn af geislavirkum efnum í kjarnanum, sem gefa frá sér hita, og auk þess er dálítill (1 til 3%) kísill og brennisteinn í kjarnanum. En hvað gerist þá á þessum miklu hitaskilum á um 2900 km dýpi? Þriðja myndin sýnir að það er um 100 til 200 km þykkt lag, sem jarðskjálftafræðingar kalla D” lagið, utan um kjarnann og á botni möttulsins. Hér viðrist vera mikið um að vera. Hér rísa heil fjöll upp í möttulinn, og ef til vill myndast straumar af heitu bergi hér, sem rísa hátt upp, jafnvel alla leið að yfirborði jarðar. Sumir jarðfræðingar halda því fram, að hér í D” laginu sé að finna uppruna á möttulstrókum, eins og þeim sem kann að hafa myndað Hawaii og jafnvel þeim möttulstrók sem sumir telja að rísi undir Íslandi. Alla vega er kjarninn og einkum ytri mörk hans eitt mest spennandi vandamál jarðvísindanna.