Myndun kalsedón

Í þessu stutta myndbandi lýsir höfundur bókarinnar Dean Sessions hvernig, eða öllu betur í hvernig umhverfi, kalsedón myndast.

Vatn í stjörnunum

Alfræðiorðabók á netinu (hlekk sjá hér) segir að vatnssameindir skapa "bjartasta litrófslínu í rafsegulbylgjum alheimsins":

Menn hafa einnig fylgst með meysi-líkar örvandi losun í náttúrunni úr miðgeimnum og er oft kölluð "ofurgeislandi losun" til þess að greina það frá meyserum rannsóknarstofa. Vatnssameindir á stjörnumyndandi svæðum geta gengist undir umhverfingu þýðis og losa út geislun á um það bil 22,0 GHz og skapa þar með bjartasta litrófslínu í rafsegulbylgjum alheimsins.

Þó svo að þessar upplýsingar séu ekki endilega nýjar, þá eru þær ekki almennt þekktar. Það sem er þó verra er að nútíma vísindi hafa ekki lagt saman tvo og tvo til að komast að því hvers vegna vatn hafi svo bjarta litrófslínu og hvers vegna það er svo lítið af vetni og súrefni í miðgeimnum í samanburði við vatnssameindir, einkum þar sem stjörnumyndanir eiga sér stað.

Vatnið kom fyrst, ekki vetni, ekki helín, nitur eða súrefni. Þetta er ástæðan fyrir því að við finnum vatn, hvert sem við lítum, jafnvel í litrófi stjarna:

Heitar vatnssameindir eru mikilvægasta uppspretta innrauðs ógagnsæis litrófs súrefnisríkra seinni-gerða stjarna. Vatn er sérstaklega áberandi í litrófi rauðs risa-breyistjörnu og í öðrum köldum stjörnum af M-gerðinni. (Water on the Sun, L. Wallace og fleiri, Science, Vol. 268, 26. maí 1995, bls. 1155).

Uppgötvun vatns í litrófi stjarna var merkileg uppgötvun en enn merkilegra er hlutverk vatns í stjörnumyndunum. Greinin Water´s Role in Making Stars í tímaritinu Science (nóvember 2000) hefst með þessum orðum:

Vatnssameindin gegnir undirstöðu hlutverki á frumstigum stjörnumyndana.

Þetta er stórmerkilegt! Ekki stendur þetta í kennslubókum um stjörnufræði.

Hvað með sólina okkar, hún er jú stjarna. Ef til vill kemur það ekki á óvart fyrir marga en það er vatn á sólinni! Hvernig getur þetta verið?

Ég ætla ekki að þræða smáatriðin hér en uppi stendur að vatn eigi alls ekki að finnast á sólinni samkvæmt öllum kenningum en mælingar sýna þó annað. Það fannst vatn þar og þarf nú að taka tillit til þess í öllum stjörnulíkönum. Reyndar þurfa allar stjörnufræðikenningar að líta á vatn sem undirstöðuefni í kenningum sínum. Auðkenning og greining mikils magns af vatni í stjörnum þykir ekki lengur vera nýjar fréttir en samt hefur þessi uppgötvun ekki hvatt til rannsókna eða þróun nýs "vatnslíkans" í myndun stjarna og reikistjarna.

Vatn í alheiminum

Jörðin sem vatnspláneta, kom til úr vatni - það sama gildir um reikistjörnurnar, tungl og önnur himintungl. Jafnvel stjörnurnar sjálfar komu til úr vatni. Vegna þess að vatn er til í svo miklu magni í alheiminum, ættum við að búast við að geta séð það alls staðar þar sem við lítum, allt frá öðrum reikistjörnum í okkar sólkerfi í ytra sólkerfið og áfram inn í alheiminn. Hingað til hefur lotukerfið verið forsendan til þess að ætla að vetni sé algengasta frumefni alheimsins. Það hefur verið lagt til að það sé efnið sem öll önnur efni hafa myndast úr. En þökk sé að hluta til nýrrar tækni sem hefur þróast síðustu ár, þá erum við í þann mund að afhjúpa það sem raunverulega er algengasta sameindin í alheiminum og einnig hinn sanna uppruna alls efnis.

Charles Townes var með í að finna upp hinn svokallaða meysir, eða örbylgjuleysir. Enska orðið maser er búið til úr örbylgju (e. microwave) og leysir (e. laser) og á svipaðan hátt varð hið íslenska heiti til. Þetta tæki er notað til að safna útslög á örbylgjutíðni. Townes var einnig upphafsmaður litrófsfræðinnar sem notar örbylgjur og var hann frumkvöðull í rannskóknum á gasskýjum í vetrarbrautum og í kringum stjörnur. Rannsóknir hans leiddi til uppgötvana á stjarneðlisfræðilegum meysi, eða náttúrulegum uppruna af örbylgjuorku í geimnum.

Joseph von Frauenhofer var fyrstur manna til að kortleggja róf sólarinnar snemma á 19. öld. Í litrófinu komu fram svartar línur, eða liti sem vantaði inn á milli. Hann merkti þessar svörtu línur með bókstöfum og kallaði þær gleypnilínur en þær svara til bylgjulengda sem eru "gleyptar" af mismunandi efnum. Auðvelt var að koma auga á vetni sem gleypti mest og þar af leiddi að það efni var til í meira magni en annað. Þessi athugun leiddi til þess að vísindamenn trúðu því að vetni væri algengasta frumefni alheimsins. Í dag er þessi falskenning kennd sem hún væri staðreynd í öllum kennslubókum.

Þegar nú Townes uppgötvaði hina náttúrulegu meysi, gaf það honum þann kost að greina efni í alheiminum, sem hann og gerði. Ef vetni væri algengasta frumefnið, þá ætti hann að geta greint það auðveldlega með meysirnum sínum. Þetta er það sem hann fann:

Hvaða sameindir ættum við að leita eftir næst? Það voru engin augljós og auðveld viðfangsefni... Vatn hafði litrófslínu mjög nálægt því ammoníaki sem við höfðum fundið, en örvun vatnsorkustigsins sem framkallaði þessa bylgjulengd myndi taka verulega hærri þéttni og hærri hitastig en það sem þótti líklegt í gasskýi, jafnvel eftir nýju niðurstöðurnar frá ammoníaki. Engu að síður hugsaði hópurinn minn... við gætum allt eins leitað að vatni. Hver veit hvað meira óvænt gæti gerst. Og það gerðist - vatnslínan kom upp. Við fundum fyrsta vatnið okkar í Sagittaríus B2, á sama stað og við fundum fyrst ammoníak.

Eftir að vatn kom upp í Sagittaríus B2, vildum við auðvitað leita að öðrum stöðum til að sjá hvort vatn væri algengt. (How the Laser Happened - Adventures of a Scientist: Charles H. Townes, Oxford Universtiy Press, 1999).

Townes lýsti viðbrögðum vinnufélags síns á þennan hátt:

Það hlýtur að rigna á Óríon! Hún hefur mjög sterka vatnslínu. Hann hafði fundið vatn, fullt af því. Óríon vatnslínan var 20 sinnum sterkari en sú fyrri, miklu hærri en við áttum von á.

Rannsakendum kom þetta svo mikið á óvart að þeir endurtóku tilraunina með stærra 26 m löngu loftneti til þess að sannfæra sig, en þeir fundu bara ennþá meira vatn.

Samkvæmt miklahvells-falskenningunni ættu vetni og helín að vera til í miklu meira magni en vatn, en svo er ekki.

Hvaða frumefni er algengast í alheiminum, byggt á útslagi geimgeislunar? - Vatn!

Ekki örvænta þó ég kalli vatn frumefni. Það er frumefni í þeim skilningi að það er byggingarefni á öllu öðru. Þó að vatnssameindin sé byggð úr vetni og súrefni, þá er ekki hægt að búa til vatn úr þeim tveimur efnum. Hver hefur verið í efnafræðikennslu þar sem kennarinn blandar saman súrefni og vetni saman og úr verður vatn? Einmitt. Enginn.

Skilningur okkar á því magni vatns í alheiminum mun breyta hugsunarhætti okkar um uppbyggingu okkar eigin jarðar.

Kúlulaga hnettir

Við öll þekkjum að jörðin er skipt í fleka og að þeir séu að reka. Á Íslandi tölum við um að flekaskilin sem fara beint þvert í gegnum landið opnist eða með öðrum orðum að flekarnir tveir sem eiga í hlut reka frá hvorum öðrum árlega um 2 cm. Kennt er í skólum að þeir fljóti á heitri kviku.

Tveir megin þættir í þessu eru hárréttir. Annars vegar að flekar hreyfast í mismunandi stefnu enda er það mælanlegt. Hins vegar að flekarnir, það er að segja jarðskorpan, fljóti á vökva. Það hefur einnig verið sýnt með jarðskjálftamælingum. Það er rétt, jarðskorpan er á floti! Þetta leiðir okkur að eftirfarandi grundvallar spurningar:

Á hverju fljóta flekar jarðarinnar?

Ég kem að þessari spurningu síðar en snúum okkur að spurningunni um vatn jarðarinnar - stór spurning í nútíma vísindum er hvaðan það kom. Lagt hefur verið til að það hafi komið með halastjörnum en í raun hafa menn ekki hugmynd um það. Ég myndi hins vegar snúa spurningunni við og spyrja: Hvaðan kemur bergið sem sumir hnettir hafa?

Titill þessarar færslu er "Kúlulaga hnettir". Hvers vegna eru allar reikistjörnur og flest tungl kúlulaga? Ég held að allir séu sammála um að svarið liggi í því að í árdaga hnattarins hafi hann verið í fljótandi formi. Vökvi. Vísindi tala um aðsóp loftsteina (hvaðan komu þeir, úr gamalli sól?) sem hafa myndað heitan og fljótandi hnött sem hafi síðan kólnað en jörðin þó ekki að innan, jafnvel eftir 4,5 milljarða ára!

Þetta stenst alls ekki en hins vegar er það rétt að jörðin hafi í árdaga verið í fljótandi formi. Eftirfarandi stuttmynd sýnir vatnskúlu í þyngdarleysi.

Í fyrstu andrá virðist hugmyndin um "vatnsplánetu" eða að pláneta mynduð úr vatni vera fjarstæðukennd. Á hinn bóginn þarf bara stutta ígrundun til að sjá að það er enginn annar kostur, alveg sama hversu fjarstæðukennt það megi virðast fyrst. Hugmynd Kópernikusar og stuðningur Galíleós um að jörðin snúist um sólina var einu sinni talið fjarstæðukennt, jafnvel guðlast þegar fyrst var talað um það. Vissulega kemur kúlulögun jarðarinnar vegna vökvaforms og innviðir jarðarinnar eru einnig fullir af vökva. Við höfum séð að það er enginn vísindaleg sönnun fyrir tilvist kviku. Það gefur okkur ekki marga kosti.

Næstu færslur munu smám saman sýna sannanir fyrir Vatnplánetulíkaninu.

Úr kvikuplánetu í vatnsplánetu

Allsstaðar þar sem við horfum í kringum okkur er vegsummerki um vatn. Svipað er að sjá á öðrum plánetum og tunglum í sólkerfinu okkar og menn hafa eytt töluverða fjármuni og tíma í að reyna að uppgötva vatn í alheiminum. Reyndar var ástæðan fyrir slíkri fyrirhöfn sú að uppgötva mögulegt líf en ekki til að skilja betur hvernig berg og plánetur voru gerðar.

Á vísindaráðstefnu í La Jolla, Kaliforníu í febrúar 2004 var m.a. rætt um innviði jarðarinnar. David Stevenson skrifaði eftirfarandi í þá umræðu í Nature tímaritinu (apríl 2004):

Sagan um hvernig innviðir jarðarinnar þróuðust og hvernig hún útskýrir marga þætti um eðli jarðarinnar er áfram óþekkt. Að taka vatn með í reikninginn gæti vel hjálpað til við að útskýra miklu meira.

Stevenson dregur þessa ályktun:

Frá kynningunum og umræðunum sem fylgdu meðal áhanganda bergplánetu að dæma, þá er augljóst að við þurfum betri þekkingu á ferlum sem stjórna jarðarsögu í dýpi hennar og efnisbreytur þær sem stjórna þeim ferlum áður en nokkurs konar "hefðbundið líkan" er smíðað...

Hann heldur áfram að segja:

Við þekkjum ekki heildarmagn vatns í möttlinum (þó svo að það sé að minnsta kosti sambærilegt við höf jarðarinnar) eða þann hraða sem þetta birgðarhólf er fyllt og endurnýjað. Engu að síður sýnir tilkoma ögrandi hugmynda um viðfangsefnið vaxandi vilja til að takast á við helstu spurningar um hið gríðalega mikla vatn innan í jörðinni.

Ef til vill hitti Stevenson áafvitandi naglann á höfuðið með því að skilja að án þess að hafa "betri þekkingu á ferlum sem stjórna jarðarsögu í dýpi" jarðarinnar getur ekkert "hefðbundið líkan" verið smíðað.

Kvika er botngata og teikn eru á lofti að sumir séu að efast um sannleiksgildi hennar. Í grein frá 2002 í tímaritinu Geology undir heitinu A cool early Earth draga jafnvel vísindamenn tilvist um höf af kviku í efa:

Eðli og tímasetning og jafnvel tilvist hafa af kviku er óviss.

Við getum búist við meiri og meiri viðhorf sem þessi, þegar hið sanna eðli jarðarinnar kemur æ meira í ljós. Í tilfærslunni frá gömlu hugmyndafræðinni um kvikuplánetu í plánetu byggða á vatni, mun vatnsplánetulíkanið fela í sér að kasta burt gamla kreddu til að gera pláss fyrir nýjan sannleik. Kreddan um kviku, eða kreddukvikan eins og ég ætla að kalla hana, er langvarandi kenning og hugmyndafræði um hefð jarðfræðinnar byggða á kviku. Þessi kreddukvika hefur verið ábyrg fyrir hömlun á jarðfræðilegum uppgötvunum í rúma öld.

Kreddukvika: kreddan um kviku.

Stuttu fyrir hina umræddu vísindaráðstefnu í Kaliforníu, hittust þátttakendur frá 12 löndum í Hveragerði sumarið 2003 á Penrose ráðstefnu til að ræða um hvers vegna kvikulíkanið sé ekki að virka:

Rúmlega 60 jarðfræðingar, jarðeðlisfræðingar og jarðefnafræðingar frá 12 löndum komu saman til að ræða þá grundvallar sönnun sem heftir uppruna eldgosa... Þessi fundur var mikilvægasta samkoma sem nokkru sinni hefur verið haldin af vísindamönnum sem vinna að öðru gangverki um óeðlilegar eldstöðvar. (Plume IV: Beyond the Plume Hypothesis, Tests of the plume paradigm and alternatives, Gillian R. Foulger, James H. Natland og Don L. Anderson, Scientific report: GSA Today, Penrose Conference, 14, 2004).

Því var haldið fram að þetta hafi verið í fyrsta skipti sem stór hópur af jarðvísindamönnum kom saman til að reyna að skilja uppruna eldstöðva. Þeir gerðu sér grein fyrir vandamál hinna heitu reita og þeirrar forsenda að þeir fengu hita sinn úr möttli jarðarinnar. Ræðumenn fundarins sögðu að "mælingar á varmastreymi gæfu engar vísbendingar" fyrir þessu og raunverulega sönnuðu það vera rangar forsendur:

Því er almennt haldið fram að "heitir reitir" séu heitir. Þeir eru heitir í þeim skilningi að eldsumbrot eiga sér stað á yfirborðinu, en mikilvægur punktur er hið afstæða mögulega hitastig í möttlinum fyrir neðan. Þrír fundir einblíntu á þessi tvísýnu efnisatriði. Mælingar á varmastreymi í sjó gefa varla vísbendingar um hækkað varmaflæði við "heita reiti". Tvö stórkostleg dæmi um þetta eru Havaí og Ísland þar sem mælingar á varmastreymi gefa enga vísbendingu um hækkað hitastig neðar í jarðskorpunni. Slíkar niðurstöður eru algengar á "heitum reitum".

Frá þessari mikilvægu samkomu vísindamanna, hver og einn að vinna að annarri úrlausn til að styðja kvikulíkanið, kom eftirfarandi mikilvægi nýi skilningur í ljós:

Ýmsir þættir eldvirkni í Kyrrahafi virðast þurfa ný líkön.

Þetta gæti hafa orðið augnablik innblásturs, þar sem skorað væri á gamla hugmyndafræði og henni hent út og ný innsýn kæmi fram til að takast á við gömul vandamál. Vísindamenn að vinna saman að því að skilja eðli og uppruna eldstöðva segja:

Þessi Penrose ráðstefna sameinaði í fyrsta sinn vísindamenn sem enn keppast við að skilja grundvallar uppruna eldstöðva. Hin fulla vídd umliggjandi hugmynda á þessu sviði sem enn er á frumstigi var lögð fram, rædd, gagnrýnd og ögruð. Einblínt var á vandamál, þarfir og verkefni sem framundan eru. Við erum í upphafi langs og spennandi ferðalags.

Vatnsplánetulíkanið er hið nýja líkan, en vísindamennirnir sem leituðust við að skilja grundvallar uppruna eldstöðva jarðarinnar voru of kaffærðir í kreddukvikunni til þess að geta gert þetta stökk. Fyrir alla þá sem þora að líta framhjá kreddukvikunni til að læra um hina sanna innviða jarðarinnar, þá ætti þetta Alhliða líkan að vera "upphaf langs og spennandi ferðalags"!

Vatnsplánetulíkanið

Á 18. öld voru uppi vísindastjörnur á borð við Newton, Hooke og Halley og aðrir miklir vísindamenn voru í þann mund að rísa. Nýjar uppgötvanir voru algengar en nokkrar hugmyndir eins og þekkingin um að aðeins fimm hnettir voru á braut um sólina var algeng meðal fólks. Á þeim tíma var það staðreynd meðal almennings og enginn bjóst við að sú hugmynd yrði nokkurn tímann endurskoðuð. En þann 13. mars 1781 gerði Sir William Herschel merkilega uppgötvun á reikistjörnunni Úranusi.

Oft er það svipað með okkur í dag þegar við í góðri trú notum sjálfsörugg orðin "við vitum nú" svo mikið um náttúruna að við tökum ekki eftir hinu augljósa. Vísindarithöfundurinn Bob Berman skrifaði:

... til að endurspegla uppgötvun Úranusar fyrir okkar tíma, þá þyrftum við að rekast á eitthvað sem myndi hrekja fasta og langvarandi trú okkar um eitthvað sem við höfum vanist og sem samstundis myndi opinbera að við höfðum alrangt fyrir okkur um eitthvern almennt viðurkenndan raunveruleika. En þar sem vísindum og tækni fara fram með veldisvaxandi hraða, þá minnkar geta okkar til undrunar í nærri núll. (Strange Universe, 2003).

Við höfum rangt öryggisskyn vegna þess að við ruglum saman vísindum og tækni. Ef nútíma vísindum fer fram með "veldisvaxandi hraða" eða á miklum hraða í ranga átt, þá skiptir ekki máli að geta okkar til undrunar minnki í "nærri núll". Nútíma jarðfræði hefur klárlega sést yfir eitthvað enn mikilvægara en uppgötvun nýrrar plánetu, nefnilega þá staðreynd að jörðin er ekki kvikupláneta.

Hugmyndin um heita og bráðna jörð er eldgömul hugmynd en var fyrst íhuguð af alvöru fyrir rúmlega 200 árum síðan af James Hutton. Síðan þá hefur hún orðið að megin burðarsúlu sem öll nútíma vísindi eru byggð á. Í dag hefur þessi kredda fengið slíka fótfestu og slíka viðurkenningu að enginn nútíma vísindamaður dregur í efa hina dýrkaða grundvallarreglu um kvikuplánetuna og enginn lítur á þá hrúgu af vísbendingum sem sýna annað.

Getur það verið að slík vel þekkt kenning sé röng? Mary Hill, yfirjarðfræðingur hjá California Division of Mines and Geology sagði eftirfarandi í bók sinni Geology of the Sierra Nevada (1975):

Sum þeirra kenninga sem eru við lýði í dag gætu virst fáránlegar á morgun eins og hugmyndin um að jarðskjálftar hafi orsakast af stórri skjaldböku sem hristi jörðina á bakinu sínu. Slík hugmynd um jörðina var almenn trú meðal milljóna fólks. Við nefnum það frumstætt en þó gætu kenningar í dag verið alveg jafn langt frá sannleikanum.

Höldum huganum opnum þegar við lærum nýjar hugmyndir um jörðina okkar.

Kynning á ensku

Algeng spurning er Hvað er Universal Model? Þessi kynningarfundur frá síðasta vetri svarar þessari spurningu, a.m.k. á einhvern hátt.