Kaflinn í sögu jarðar sem næstum engar síður hafa varðveist úr

Kaflinn í sögu jarðar sem næstum engar síður hafa varðveist úr

Jörðin er eina reikistjarnan sem við þekkjum með meginlöndum — flotsterku, kísilríku landi sem við búum á. Samt er það eitt elsta óleysta vandamál jarðfræðinnar hvernig meginlöndin urðu fyrst til, og ástæðan er óvægin: sönnunargögnin eru næstum öll horfin.

Fyrsta jarðsöguöldin, Hadean, nær frá myndun jarðar til um 4,03 milljarða ára (Ga) fyrir nútímann. Frá þessum fyrstu um hálfa milljarði ára hefur nær ekkert varðveist. Elstu heilu felsísku bergin — berg af meginlandsgerð — eru um 4,03 Ga gömul. Örfá sjaldgæf basaltberg ná til um 4,2 Ga. Elsta efnið af nokkru tagi er dreifing sirkonkristalla, frægust frá Jack Hills í Vestur-Ástralíu, sem hafa verið aldursgreindir til 4,4 Ga. Þetta er nánast allt skjalasafn bernsku jarðar: örfáir staðir og steindir á stærð við sandkorn.

Þessi rannsókn bætir ekki nýju bergi við safnið. Hún gerir annað: byggir eðlisfræðilegt líkan af því hvernig jarðskorpan á Hadean hefði átt að líta út samkvæmt þeirri eðlisfræði og spyr spurningar sem mörg líkön af frumjörðinni sleppa. Hvað gerist ef við hættum að hunsa þá staðreynd að jörðin var undir stöðugu loftsteinahríði?

Niðurstaða höfundanna er sláandi. Mestan hluta Hadean hefði varmi frá árekstrum yfirgnæft allan innri varma jarðar og haldið skorpunni þunnri og hálfbráðinni — of veikri, að þeirra mati, fyrir nokkuð sem líkist nútíma flekareki. Þetta er líkan, ekki minning. En í þetta sinn er það líkan sem reynir að taka ofbeldi tímabilsins alvarlega.

Hvað gerðu höfundarnir?

Teymið sameinaði þrjá þætti sem oft eru meðhöndlaðir sitt í hvoru lagi.

Í fyrsta lagi slembið líkan af árekstrarflæði — flæði smástirna og stærri hnatta sem slógu innra sólkerfið á Hadean og snemma á Archean. Mikilvægt er að þetta er ekki gamla hugmyndin um einn skyndilegan topp, svokallað „Late Heavy Bombardment“. Flæðið er mjög hátt snemma og minnkar með tíma, en stórir árekstrar koma af handahófi frekar en samkvæmt reglulegri dagskrá. Líkanið er kvarðað út frá árekstratölfræði tunglsins og innra sólkerfisins og valið þannig að það samræmist aldursdreifingu sirkona og þeim fornsegulgögnum sem til eru.

Í öðru lagi jarðeðlisfræðilegar hermir á varmaflutningi í skorpu og efri möttli. Höfundarnir notuðu prófaðan lattice-Boltzmann kóða, Planet_LB, bæði fyrir einfaldar einvíðar hitastigs-dýptarútreikninga og full tvívíð sýnishorn af möttulstraumum við 4,1 Ga. Hermarnir innihalda venjulega innri varmagjafa — geislavirkt hrörnun og varma úr kjarnanum — og, sem skiptir hér miklu, kvikuvarmaflutning: varma sem rís upp með bráðinni kviku og er oft sleppt úr varmalíkönum skorpunnar.

Í þriðja lagi fasajafnvægislíkan fyrir raunhæfa frumskorpu — vatnsríkt Hadean-metabasalt frá Nuvvuagittuq-grænsteinsbeltinu — til að reikna við hvaða hita og dýpi slíkt berg byrjar að bráðna.

Ein aðferðafræðileg ákvörðun skiptir máli fyrir alla túlkun greinarinnar: höfundarnir völdu forsendur sem gera þeirra eigin niðurstöðu erfiðari að fá. Þeir gerðu ráð fyrir „ó-kondrítískum“ möttli með minna af geislavirkum hitaefnum og minna en helmingi innri varmamyndunar staðallíkans, notuðu varfærin varmaflæði og slepptu sjávarfallahitun frá unga, nálæga tunglinu. Reiknuðu hitastigin eru því lágmarksgildi. Ef eitthvað er var raunverulegt Hadean heitara en líkanið.

Hvað fundu þeir?

Árekstrar, ekki innri varmi, réðu orkubúskap Hadean. Þegar árekstrarvarmi er samþættur yfir tíma verður hann miklu stærri en innri framlagið — að minnsta kosti um stærðargráðu mestan hluta Hadean. Í þessari mynd er árekstrarhitun, ekki geislavirkt hrörnun, helsti drifkraftur snemmbúinnar jarðvirkni og verður aðeins aukaatriði eftir um 3,9 Ga.

Varminn hélt skorpunni þunnri og bráðinni grunnt. Án árekstra og kvikuvarmaflutnings gefur líkanið skorpu sem er aðeins hálfbráðin neðan um 10–15 km. Þegar árekstrarvarminn er tekinn með færist bráðnunarsvæðið mjög upp: skorpan verður að hluta bráðin aðeins nokkrum kílómetrum niður — undir um 2–5 km. Við um 5 km dýpi spá líkönin meira en 30% bráðnun, ástandi þar sem berg er of veikt til að halda saman sem stífur fleki. Á 5–10 km dýpi þýðir hitastig um 1000–1100 °C að skorpan er mikið bráðin næstum óháð samsetningu. Sú fasta skorpa sem eftir stendur væri innan við um 5 km þykk.

Hálfbráðin skorpa eyðir eigin ummerkjum. Mikil bráðnun gerir þéttu, járn- og magnesíumríku efni kleift að sökkva og skiljast frá, á meðan léttari, kísilrík bráð rís. Með tíma færist meðalsamsetning skorpunnar í átt að þróaðri og kísilríkari efni — og myndar felsíska bráð sem getur kristallað sirkon. Næstum öll þessi þunna skorpa hefði síðan endurunnist niður í iðandi möttulinn, sem passar við efnfræðilega, einkum samsætuleikja, skrána. Í þessu líkani er næstum algjört skortur á Hadean-bergi ekki gat í heimildunum heldur spá. Berg frá 4,2 Ga og sirkon frá 4,4 Ga eru sjaldgæfir eftirlifendur skorpunnar sem eyddist næstum jafnhratt og hún myndaðist.

Lok mikilla árekstra falla saman við fyrstu varanlegu meginlöndin. Þegar hríðin dvínaði um umbreytinguna 4,0–3,9 Ga gat skorpan loks þykknað og varðveist. Elstu varðveittu meginlandsbergin birtast um sama tíma. Höfundarnir orða þetta varlega: að varanleg meginlandsskorpa komi fram þá sé „líklega ekki tilviljun“.

Meginályktun þeirra er því: við þessar aðstæður — þunn skorpa sem er bráðin örfáum kílómetrum niður — er flekarek á Hadean ólíklegt.

Þeir sýna líka af hverju eldri rannsóknir komust að annarri niðurstöðu. Fyrri rannsóknir á slembnum árekstrum fundu aðeins lítil áhrif, með minna en 2,5% skorpunnar bráðna á hverjum tíma. Þar vantaði tvo þætti sem þessi rannsókn tekur með: hnattræn áhrif stórra árekstra á djúpa bráðnun í möttli og flutning þess varma upp með rísandi kviku. Þegar þeir þættir eru settir aftur inn breytist hitamyndin verulega.

Af hverju líkan er ekki minning

Allt hér að ofan kemur úr hermum, ekki mælingum á Hadean-bergi — því slíkt berg er nær alveg horfið. Það gerir niðurstöðuna ekki gagnslausa, en það skilgreinir hvers konar niðurstaða þetta er.

Keðjan er þessi: líkan af árekstrarflæði fóðrar líkan af varmaflæði í möttli og skorpu, sem er svo borið saman við líkan af því hvernig ákveðin berggerð bráðnar. Hver hlekkur byggir á eðlisfræði og er, þar sem hægt er, prófaður gegn þekktum viðmiðum. En heildin er samhangandi röksemd um hvernig Hadean hlýtur líklega að hafa litið út samkvæmt trúverðugri eðlisfræði — ekki bein mæling á því hvernig það var.

Þess vegna skipta varfærnu forsendurnar meira máli en virðist í fyrstu. Þar sem höfundarnir nota lágmarksvarma og fá samt víða grunnbráðna skorpu er eigindlega niðurstaðan — heit og veik Hadean-skorpa — nokkuð traust gagnvart vali þeirra. Það sem þetta festir ekki nákvæmlega eru tölurnar sjálfar: nákvæmt hitafall, nákvæmt bráðnunarhlutfall og nákvæm þykkt skorpunnar. Lesa ætti stefnu niðurstöðunnar sem sterka, en aukastafina sem bráðabirgða.

Hvað sýnir þetta ekki?

• Rannsóknin sér ekki Hadean-skorpuna beint. Nánast ekkert berg frá þessu tímabili er til; þetta er niðurstaða úr líkönum um hvað eðlisfræðin gefur til kynna.
• Hún byggir ekki á „Late Heavy Bombardment“. Árekstrarflæðið er minnkandi og slembið, ekki einn skyndilegur toppur.
• Hún leysir ekki deiluna um upphaf flekareks. „Ólíklegt“ er hér sterk, eðlisfræðilega studd ályktun í þágu heitrar jarðar með stöðnuðu eða mjúku loki, en jarðvirkni Hadean er enn raunverulega umdeild.
• Hún sannar ekki að árekstrar hafi orsakað myndun varanlegra meginlanda um 4,0–3,9 Ga. Tímasamsvörunin er sterk tengsl sem höfundarnir kalla „líklega ekki tilviljun“ — það er varfærin orðnotkun um sannfærandi fylgni, ekki sannað orsakasamband.
• Sirkonin frá Jack Hills eru ekki varðveitt meginlönd. Þau eru sjaldgæf korn sem sýna að felsískt efni og vatn voru til snemma; kjarnahugmynd líkansins er einmitt að skorpan sem myndaði þau hafi að mestu verið endurunnin.
• Rannsóknin endurbyggir ekki alla sögu frumjarðar. Hermarnir eru einfaldaðir — einvíðir sniðreikningar og tvívíð miðbaugsþversnið, með árekstrum nálægt miðbaug, teknir sem ákveðin augnablik — ekki full fjórvíð endurgerð plánetunnar.

Hversu sterk eru gögnin?

Fyrir meginfullyrðinguna — að árekstrarhitun hafi verið fyrsta stigs stjórnandi á Hadean-skorpuna og haldið henni þunnri og grunnlega bráðinni — er röksemdin samhangandi og að mikilvægu leyti varfærin. Hún notar prófaðan jarðeðlisfræðikóða, eðlisfræðilega sanngjarnar forsendur og lágmarksvarma, og tekur með varmagjafa sem mörg eldri líkön hunsuðu. Hún fær líka aukinn trúverðugleika af því að skýra tvær þrálátar staðreyndir í einu: hvers vegna næstum ekkert berg eldra en um 4 Ga lifir af, og hvers vegna varanleg skorpa birtist rétt þegar árekstrarhríðin dvína.

Takmarkanirnar eru jafn skýrar og fylgja öllum djúptímalíkönum: þetta eru líkön byggð á líkönum, fest við afar strjála bergskrá, og mest tilvitnaða niðurstaðan — „flekarek er ólíklegt“ — er ályktun, ekki athugun. Rétta afstaðan er að líta á þetta sem sterka og vel rökstudda tilgátu sem endurrammar Hadean og býður öðrum að prófa forsendurnar, sérstaklega valið á árekstrarflæðislíkani, en ekki sem lokað mál.

Gagnlegasta samantektin er hvorki „svona var Hadean“ né „þetta er bara hermun“. Hún er: með trúverðugri og varfærinni eðlisfræði hefði frumjörð undir mikilli árekstrarhríð haft þunna, hálfbráðna og sjálf-endurvinnandi skorpu — og sú eina hugmynd skýrir óvenjumikið af því litla sem við getum raunverulega séð.

Af hverju skiptir þetta máli?

Vinsæl mynd af frumjörðinni sveiflast oft milli tveggja öfga: friðsæls vatnsheims með flekareki svipuðum nútímanum og helvítis hraunplánetu. Þessi rannsókn dregur upp ákveðnari, eðlisfræðilega rökstudda millimynd: þunna skorpu sem bráðnaði aftur og aftur frá örfáum kílómetrum niður, eyddist og myndaðist á ný, meðan árekstrar — ekki aðeins innri varmi — settu skilyrðin.

Sú endurrömmun vinnur raunverulegt verk. Hún gefur eitt mögulegt ferli sem skýrir tvær stærstu staðreyndir um bernsku jarðar — næstum algert skort á bergskrá og tímasetningu fyrstu varanlegu meginlandanna — og setur oft vanrækt ferli, árekstrarhitun, í miðju sögunnar. Ef hugmyndin stenst frekari próf breytir hún því hvernig við hugsum um hvenær jörðin varð pláneta með stöðug meginlönd og hefur einnig þýðingu fyrir aðra bergreikistjörnur sem mynduðust undir eigin árekstrarhríðum.

Ekkert af þessu krefst þess að líkanið sé síðasta orðið. Það þarf aðeins að vera nógu góð tilgáta til að prófa — og með tengingu sinni við sirkon- og samsætuskrána sem lifði af er hún það. „Falda Hadean“ í titlinum er einmitt kjarninn: tímabil sem við náum að mestu aðeins til með líkönum, vegna þess að tímabilið eyddi eigin sönnunargögnum.

Í stuttu máli

Fyrsta jarðsöguöld jarðar, Hadean (fyrir um 4,03 Ga), skildi eftir sig nánast enga bergskrá. Þessi líkanrannsókn spyr hvernig skorpan hefði verið þegar varmagjafi sem oft er sleppt er tekinn með: árekstrar. Með slembnu, minnkandi árekstrarflæði og prófuðum 1D- og 2D-hermum af varmaflæði í skorpu og möttli — þar með talið varma sem rís með kviku — komast höfundarnir að því að samþættur árekstrarvarmi hefði verið að minnsta kosti um stærðargráðu meiri en allur innri varmi jarðar mestan hluta Hadean. Afleiðingin er þunn skorpa, undir um 5 km, sem er að hluta bráðin aðeins nokkrum kílómetrum niður og meira en 30% bráðin um 5 km dýpi — of veik, að mati höfundanna, til að styðja flekarek. Slík skorpa hefði að mestu endurunnist niður í möttul og gæti þannig skýrt hvers vegna svo lítið Hadean-efni lifir af. Þegar árekstrum fækkaði um 4,0–3,9 Ga gat varanleg meginlandsskorpa myndast, um sama tíma og elstu varðveittu felsísku bergin birtast — „líklega ekki tilviljun“. Þar sem höfundarnir notuðu viljandi varfærnar lágmarksvarmaforsendur er eigindlega niðurstaðan nokkuð traust, þótt nákvæmu tölurnar séu ekki festar. Þetta er sterkt, samhangandi líkan af bernsku jarðar — ekki bein athugun á henni.

Raunhæf yfirferð

Hvað sýnir greinin? Í eðlisfræðilega studdum hermum sem taka bæði árekstrarhitun og kvikuvarmaflutning með verður Hadean-skorpan þunn og hálfbráðin örfáum kílómetrum niður, árekstrarvarmi ræður frekar en innri varmi, skorpan endurvinnst að mestu niður í möttulinn og — samkvæmt líkaninu — getur ekki stutt flekarek.

Hvað er trúverðugt en ósannað? Að árekstrar séu ástæðan fyrir því að varanleg meginlönd birtast um 3,9 Ga; að Hadean hafi verið heimur með stöðnuðu eða mjúku loki fremur en snemma flekareki; og að skortur á Hadean-bergi stafi sérstaklega af endurvinnslu hálfbráðinnar skorpu.

Hvað sýnir greinin ekki? Beina mælingu á Hadean-skorpunnni; lokað svar um upphaf flekareks; sannað orsakasamband milli dvínandi árekstrarhríðar og fyrstu meginlanda; að Jack Hills-sirkonin séu varðveitt meginlönd; eða fullkomið líkan af allri frumjörðinni.

Helstu takmarkanir: Bergskrá Hadean er nánast engin, svo niðurstaðan er líkan bundið við mjög lítil gögn; hún staflar líkönum saman — árekstrarflæði → jarðeðlisfræði → fasajafnvægi; árekstrarflæðið sjálft er dæmigert en óvíst val; og hermarnir eru einfaldaðir 1D- og 2D-skurðir og augnablik, ekki full plánetuhermun. Varfærnar lágmarksforsendur styrkja eigindlega niðurstöðu en gera ekki nákvæm hitasnið sjálfkrafa rétt.

Hversu mikið traust ætti almennur lesandi að leggja á niðurstöðuna? Mikið traust á að frumjörð undir mikilli árekstrarhríð hefði verið með heita, þunna og grunnlega bráðna skorpu samkvæmt trúverðugri eðlisfræði. Miðlungs traust á að það geri Hadean-flekarek ólíklegt og skýri skortinn á bergskrá. Lítið traust á fullyrðingu um að þetta sanni hvernig meginlöndin urðu til eða nákvæmlega hvenær — þetta er sterkt, varfærið líkan sem endurrammar Hadean, ekki bein sýn inn í það.