Universum – gasernas förunderliga värld

Runt om i universum finns stora moln av gas och stoft – nebulosor. Här föds stjärnorna. Tyngdkraften får gasen och stoftet att samlas till klot som snurrar runt sin egen axel, medan de blir allt tätare. En del av materialet blir kanske till planeter. Så skapades vårt eget solsystem för fem miljarder år sedan.

Låt oss för ett ögonblick skruva tillbaka klockan fyra miljarder år, tillbaka till den tid då jorden var en glödande planet. En glödande planet i omlopp runt en av de få stjärnor som sedan dess har fått ett namn: Solen. Den unga planetens yta har börjat stelna, och runt planeten finns ett tunt skikt av luft eftersom jorden är så tung att dess tyngdkraft kan hålla kvar en atmosfär – alla planeter har inte samma tur.

Extrem renhet

I många laboratorier och i vissa delar av industrin behöver man extremt rena gaser – och en gas kan faktiskt framställas så att det bland en miljon gasmolekyler endast finns en enda “främmande” molekyl. Detta betecknas med ppm = parts per million.

I stort sett var det en ganska speciell planet som föddes i tidernas begynnelse. Exempelvis gav den glödande kärnan av järn jorden ett kraftigt magnetfält, och tack vare detta magnetfält är planetens atmosfär väl skyddad mot det ständiga bombardemanget av elektroner från solen, de så kallade solvindarna. Elektronerna dundrar in mot jordens atmosfär med 1 600 km/sekund, men magnetfältet böjer av solvinden och tvingar ner den mot jordens poler, där bombardemanget övergår till att bli det vackra norrskenet. På planeter utan magnetfält härjar solvindarna fritt. De blåser bort atmosfären från planeten, ut i världsrymden.

Jordens tidigaste atmosfär liknar inte den vi ser idag. Den bestod till 99 % av nitrogen (kväve), medan halten av oxygen (syre) var mindre än en procent. Först när livet uppstod, hände det något. Under miljontals år härskade växterna ensamma på jorden, och växterna producerade syre. Massor av syre. Vid en tidpunkt nådde atmosfärens syrehalt förmodligen ända upp till 35 %, långt högre än nutidens knappa 21 %. Längre fram dök djuren upp, och en ny balans uppstod: Djuren utnyttjade syret, och levererade i gengäld koldioxid till växterna.

Luften vi andas

Den absolut största delen av den luft vi andas består av nitrogen – även kallat kväve. Kvävet fyller närmare bestämt 78,09 % av luftens volym. Därefter kommer oxygen – syre – med 20,95 %. Argon, en så kallad ädelgas, utgör 0,93 %, medan koldioxid endast står för 0,03 %.Dessutom finns det mycket små mängder av andra gaser som neon, helium och krypton i luften.

Hur tjock är jordens atmosfär? Ingen kan ge något exakt svar, eftersom atmosfären bara tunnas ut ju längre bort man kommer från jorden – det finns med andra ord ingen tydlig gräns.

Jordens radie är 6 370 km. I förhållande till den är atmosfären mycket tunn – 99,999 % av luften ligger under 100 kilometers höjd. Om man flyger med ett vanligt passagerarflyg på tio kilometers höjd har man 80 % av atmosfären under sig, och om man frågar astronauter berättar de att jordens atmosfär liknar en förhållandevis tunn hinna. Tunn och vacker.

Vi bor på botten av ett hav – ett hav av livgivande luft
Vi bor på botten av atmosfären, vissa dagar med en blå himmel som utsikt, andra dagar med en grå himmel. För även på denna punkt är jordens atmosfär fantastisk – den är så genomskinlig att massor av livgivande ljus tränger ända ner till botten av lufthavet – ner till oss. I havet försvinner allt ljus på några få hundra meters djup.

Gas

När man talar om gas tänker många på naturgas, stads- eller gasol, som uteslutande är bränslegaser. Ordet “gas” beskriver i själva verket endast ett ämnes tillståndsform, dvs. att ämnet befinner sig i gasfasen.

 

Men även om luften verkar vara osynlig, är den i hög grad närvarande och nästan alltid i rörelse. Och den väger en hel del – mycket mer än de flesta föreställer sig. En kubikmeter luft väger ca. 1,2 kg, och därmed finns det omkring 60 kg luft i ett vanligt vardagsrum.

Ordet luft är det ord vi använder till vardags. Teknikerna vill ha det annorlunda: För dem består luften av en rad olika gaser. Begreppet gaser används främst om ämnen som uppträder i gasform vid de förhållanden som råder på jordens yta – alla ämnen har tre tillstånd: de kan vara fasta, vätskeformiga eller gasformiga. Tänk t.ex. på vatten som ju finns både som is, som vätska och som (osynlig) vattenånga i atmosfären.

Många tycker att det är rena trolleriet att helt vanlig luft kan bli till vätska. Men genom att listigt utnyttja de fysiska lagar som gäller för gaser kan man kyla ner luften så mycket att den blir flytande – mer än så faktiskt: Luften kan separeras i de gaser som den består av eftersom de blir flytande vid olika temperaturer. Och på just det sättet, hämtat från den blå luften, framställs gaser som oxygen (syre), nitrogen (kväve) och argon.

Stjärnorna – galaxens “gasfabriker”
Tvärtemot vad man skulle kunna tro utgörs merparten av universums massa inte av stjärnor och planeter, utan av gaser i rymden mellan stjärnorna och galaxerna. 80 % av universums massa utgjordes ursprungligen av hydrogen (väte), c:a 18 % helium. De tyngre grundämnen vi känner till här på jorden utgjorde endast knappa 2 %. Det betyder i praktiken att varje gång man samlar ihop tio genomsnittliga atomer i rymden, kommer nio att bestå av väte, som därför fått titeln “universums byggstenar”.

 

Det finns vätemoln överallt på himlen och de är en naturlig del av stjärnornas liv. Mindre stjärnor kan leva i upp till tio miljarder år, medan stora stjärnor brinner upp snabbare och endast lever några få miljoner år. Eftersom universum är omkring 15 miljarder år gammalt kan man därför tro att stjärnorna skulle ha brunnit upp för länge sedan och himlen vara kolsvart. Men lyckligtvis föds och dör stjärnor hela tiden, och gasmolnen mellan stjärnorna är en del av denna process.

Stjärnorna föds ur gasmoln som faller ihop av sin egen tyngdkraft. Då bildas det lokala gasklumpar, som blir allt tätare och därmed också allt varmare. När de har blivit tillräckligt varma i mitten (> 1 milj.oC) tänds kärnprocesserna i en fusionsprocess, i vilken hydrogen och hydrogen blir till helium, på samma sätt som i en vätebomb.

De våldsamma processerna hotar givetvis att splittra gasmolnet, men gasmolnets tyngdkraft håller ihop det. Om det börjar falla ihop mer, stiger temperaturen i kärnan och kärnprocesserna tilltar. Detta får stjärnan att växa, så att temperaturen sjunker och kärnprocesserna avtar igen.

Längre fram i stjärnans liv kommer kärntemperaturen att vara tillräckligt hög för att fusionera helium och helium till järn. På motsvarande sätt bildas även oxygen och nitrogen i supernovor. Och varje gång stjärnan byter fas – och till sist dör – sprids dessa gaser ut i rymden, där de kommer att ingå i nya stjärnfödslar.

På det viset är stjärnorna faktiskt galaxens “gasfabriker” som skapar de tyngre grundämnen som utgör grunden för fasta planeter och liv, som här på jorden. I nästa stjärnpopulation kommer det därmed att finnas fler tunga grundämnen, som under stjärnbildningen blir “centrifugerade” ut från stjärnan – som t.ex. solen, där de bildade de inre planeterna (Merkurius, Venus, jorden och Mars) då solsystemet blev till för fem miljarder år sedan.

Text: Henrik Rosenørn
Foto: AGA och Astronomibladet (DK)