Uppruni Vatnsins og Línuleg Hugsun

Mannskepnan er vön því að líta á allt í umhverfi okkar sem háð einskonar línulegri þróun í tíma og rúmi: upphaf og endir, eða í lífríkinu: fæðing -- lífið -- dauði. Þetta er auðvitað mjóg eðlilegt viðhorf, þar sem við erum vitni af slíkri línulegri þróun allt í kringum okkur, hvort sem er meðal ættingja í fjölskyldunni, í jurtaríkinu eða hjá gullfiskunum í fiskabúrinu. Lengi vel var línuleg þróun einnig ríkjandi í hugmyndum fræðimanna um “dauða” hluti, eins og jörðina sjálfa og ýmsa þætti í umhverfi okkar sem eru ekki lífrænir eða lifandi í venjulegum skilningi. En slík hugsun getur verið vægast sagt villandi og réttara sagt bara töluvert hættuleg. Eitt besta dæmið um slíka línulega hugsun kemur fram hjá einum merkasta vísindamanni nítjándu aldarinnar, sjálfum Kelvin lávarði (1824–1907). Kelvin, eða William Thomson, var fremsti eðlisfræðingur breta á nítjándu öldinni. Hann varð meðal annars frægur fyrir að koma fram með hitaskala sem miðast við lægsta hugsanlegan hita og ber nafn hans: Kelvin skalinn, margar uppgötvanir í hitaaflsfræðinni, og einnig fyrir að stýra því að leggja fyrsta símakapalinn á hafsbotni þvert yfir Atlantshafið. Kelvin fékk einn daginn þá snjöllu hugmynd að reikna út aldur jarðarinnar út frá kólnun hennar. Það gat hann gert vegna þess að Joseph Fourier hafði þá nýlega birt kenningu um leiðni hita og aðferð til að reikna út leiðnina. Kelvin byrjar á því að gera ráð fyrir að jörðin hafi verið um 1200oC heit í upphafi, rétt eftir að hún verður til. Hann valdi þetta hitastig vegna þess að heitustu hraun gusu úr eldfjöllum með þennan hita. Þá gerir hann ráð fyrir að meðalhitinn á yfirborði jarðar sé alls staðar núll gráður. Næst tekur hann hitastigul jarðar, eða hvernig hitinn eykst inní jörðinni, með fjarlægð frá yfirborði. Hann var nokkuð þekktur á þeim tíma út frá mælingum á hita í námum og í borholum. Með þessar staðreyndir í hendi var auðvelt fyrir Kelvin að reikna út, samkvæmt formúlum um hitaleiðni í bergi, hvað það tæki langan tíma fyrir jörðina að kólna frá upphaflegum hita og niður í þann hita sem jörðin hefur í dag. Niðurstaðan úr þessu einfalda dæmi var sú, að jörðin væri aðeins á milli 10 milljón og 40 milljón ára gömul að áliti Kelvins. Jarðfræðingar sem voru samtímamenn Kelvins höfðu hins vegar giskað á að jörðin væri nokkur hundruð milljón ára gömul, en sannfæringakraftur eðlisfræðingsins og reikningslistarinnar var sá að margir jarðfræðingar fylgdu Kelvin og meðtóku þennan lága aldur. Hvernig er hægt að þræta við mann sem getur reiknað svona vel? Var þá jörðin að verða kaldari og kaldari, og myndi hún að lokum fjósa öll? Jarðfræðingar virtust sjálfir oft vera á þeirri skoðun á nítjándu öldinni, en þeir héldu því fram, að eldgos hefðu verið miklu tíðari á fyrri skeiðum jarðsögunnar en í dag. Fjölmiðlar komust í málið, og almenningur varð mjög áhyggjufullur yfir því að jörðin myndi kólna stöðugt, og verða óbyggileg vegna kulda innan skamms. Það lá jafnvel við að uppþot og móðursýki næði tökum á fólkinu út af þessu máli. En auðvitað hafði Kelvin rangt fyrir sér. Við vitum að jörðin er um 4.6 miljarðar ára að aldri, eða um eitt hundrað sinnum eldri en Kelvin hafði reiknað. Af hverju skeikaði honum svona mikið? Skekkjan orsakast af eðlislegu fyrirbæri sem hann – og reyndar enginn lifandi maður – hafði nokkra hugmynd um á þeim tíma. Hann hafði ekki tekið með í reikninginn að hitaorka sem kemur frá geislavirkum efnum inni í jörðinni heldur henni heitri. Honum er vorkun, því geislavirkni var ekki enn uppgötvuð þegar Kelvin var að reikna (Rutherford uppgötvar hitann frá geislavirkni um 1896). Skoðun Kelvins um upprunalega mjög heita jörð, sem kólnar stöðugt og verður að lokum óbyggileg, er einmitt ágætt dæmi um línulega hugsun, sem setti vísindin á ranga braut. Annað og miklu eldra dæmi um línulegt hugarfar er tengt fornum hugmyndum manna um grundvallar atriði eins og uppruna vatnsins. Hvaðan kemur vatnið? Jú, það kemur úr fjöllunum með ánum, en hvernig berst það í árnar? Ef við skoðum til dæmis íslensk og erlend landakort frá sextándu og sautjándu öld, þá er mjög athyglisvert að við upptök flestra stórfljóta eru sýndir kyrfilega hlaðnir brunnar á kortunum. Skoðum til dæmis Íslandskortið eftir frakkann Hieronymus Gourmont frá 1548 hér fyrir ofan. Ég sýni bara suðurland, en hér sjáið þið vel alla brunnana eða lindirnar sem árnar koma úr. Hér er brunnur örugglega teiknaður á kortið til að tákna uppsprettu eða lind, en hugsunin á bakvið kemur vel fram: vatnið á upptök sín í uppsprettum, sem mynda árnar og renna til sjávar; annað ágætt dæmi um línulegt hugarfar: vatnið á uppruna sinn í uppsprettum, og endar í sjónum. Sama kemur fram til dæmis á Íslandskorti ítalans Giovanni Camocio frá 1571, en hluti þess er sýndur hér fyrir neðan. Allt fram á sautjándu öldina var það allment álitið að úrkoma væri ekki nægileg til að mynda allt vatnið sem kemur fram í ám og vötnum, og að mikill hluti vantsins kæmi beint upp úr jörðinni. Það er þessi hugsun sem kemur fram á eldri landakortum af Íslandi. Ferill vantsins var sem sagt lína, sem byrjar í lindum beint uppúr jörðinni, fer í gegnum árnar, og endar í sjónum. En það er auðvitað rangt, og í stað línu, þá er ferill vatnsins í hring, og reyndar í marga og meira að segja óteljandi hringi. Það er ekkert upphaf eða endir, en við getum gripið inn í hringinn í sjónum. Hér gufar vatn upp og safnast fyrir í andrúmsloftinu, þar til það þéttist og fellur til jarðar sem úrkoma. Úrkoman rennur á yfirborði jarðar og myndar árnar, sem falla til sjávar til að loka hringnum, og svo framvegis. Á vesturlöndum kemur fram skilningur á hringrás vatnsins eða vatnafarshringnum sennilega fyrst hjá rómverjanum Markúsi Vitruviusi á fyrstu öld fyrir Krist, en Leonardo da Vinci (1452-1519) og Bernard Palissy (1510 -1589) settu báðir fram ágæta lýsingu á vatnafarshringnum, og bentu á að úrkoma væri lykillinn. Reyndar höfðu kínverjar komist að sömu niðurstöðu í kringum 400 fyrir Krist. Kínverjar voru langt á undan evrópubúum á þessu sviði eins og í svo mörgum öðrum. Já, en hvernig kemst vatnið inn í vatnafarshringinn, og hver er raunverulegur uppruni vatnsins á jörðu? Um það verður fjallað í síðari pistli.