Hvis tyngdekraften i midten af jorden er nul, hvorfor er der tunge elementer som jern der?

Glem alt om kraft. Kraft er lidt meget irrelevant her. Svaret på dette spørgsmålet ligger i energi, termodynamik, tryk, temperatur, kemi og stjernefysik.

Potentiel energi og kraft går hånd i hånd. Gravitationskraften på et eller andet tidspunkt inden i Jorden er den hastighed, hvormed gravitationspotentialenergi ændres med hensyn til afstand. Kraft er gradient af energi. Gravitationspotentiel energi er som lavest i midten af jorden.

Det er her termodynamik spiller ind. -princippet om minimal total potentiel energi er en konsekvens af anden lov om termodynamik . Hvis et system ikke er i sin minimale potentielle energitilstand, og der er en vej til denne tilstand, systemet vil forsøge at følge denne vej. En planet med jern og nikkel (og andre tætte elementer), der er lige blandet med lettere elementer, er ikke den mindste potentielle energitilstand. For at minimere den samlede potentielle energi skal jern, nikkel og andre tætte elementer være i centrum af en planet med lettere elementer uden for kernen.

En vej skal eksistere til den minimale potentielle energitilstand, og det er her tryk, temperatur og kemi spiller ind. Det er disse, der skaber de betingelser, der tillader termodynamikens anden lov at differentiere en planet. Som et modeksempel er uran ret tæt, men alligevel tømmes uran i Jordens kerne, let udtømt i Jordens kappe og stærkt forbedret i Jordens skorpe. Kemi er vigtig!

Uran er ret reaktivt kemisk. Det har en stærk affinitet at kombinere med andre grundstoffer. Uran er en lithofil (” rockelskende ” ) element pr. Goldschmidt klassificering af elementer. Faktisk er uran et ” inkompatibelt element ” , som forklarer den relative overflod af uran i jordskorpen.

Nikkel, kobolt, mangan og molybdæn sammen med de mest ekstremt sjældne og ædle metaller såsom guld, iridium, osmium, palladium, platin, rhenium, rhodium og ruthenium er ret inaktive kemisk, men de opløses let i smeltet jern. Disse er (sammen med selve jernet) siderofile (jernelskende) elementer. Faktisk er jern ikke nær så siderofilt som ædle metaller. Det ruster (at gøre jern er lidt lithofilt), og det kombineres let med svovl (gør jern lidt chalkofilt).

Det er her tryk og temperatur spiller ind. Tryk og temperatur er ekstremt høj inde i Jorden. Højtryk og høj temperatur tvinger jern til at give afkald på sine bindinger med andre forbindelser. Så nu har vi rent jern og nikkel plus spormængder af ædle metaller, og termodynamik vil meget gerne have, at disse tætte elementer lægger sig mod midten. Betingelserne er nu rette for at dette kan ske, og det er præcis, hvad der skete kort efter, at Jorden var dannet.

Endelig er der stjernefysik. Jorden ville have en lille lille kerne af sjældne, men tætte elementer, hvis jern og nikkel var så sjældne som guld og platin. Det er ikke tilfældet. Jern og nikkel er overraskende rigelige elementer i universet. Der er en generel tendens til, at tungere elementer er mindre rigelige. Jern (og i mindre grad nikkel) er to undtagelser fra denne regel; se grafen nedenfor. Jern og nikkel er, hvor alfa-processen i stjernefysik stopper. Alt, der er tungere end jern, kræver eksotiske processer som s-processen eller dem, der forekommer i en supernova for at oprette dem. Desuden er supernovaer, især type Ia-supernovaer, produktive producenter af jern.På trods af deres relativt tunge masser er jern og nikkel ganske rigelige elementer i vores aldrende univers.

_{(kilde: virginia.edu )}

Kommentarer

• Billedet, i det mindste startende med $ \ mathrm {Sn} $, har atomnumre (eller elementnavne) ødelagt.
• Isn ‘ t det bare, at hvad der er mærket Sn, skal være Cd? Jeg synes, de andre er ok.
• At ‘ er et wikipedia-billede. Jeg fik hvad jeg betalte for. Tin (Sn) skal simpelthen flyttes, så det ‘ s efter indium (In) snarere end før det.
• Hvor er denne figur på Wikipedia?
• @PeterMortensen – da.wikipedia.org/wiki/Fil:SolarSystemAbundances.png . Jeg ‘ skal erstatte dette wiki-billede med et mere pålideligt.

Her er et interessant tankeeksperiment.

Forestil dig, at du har en elevatorskakt til midten af jorden, som af en eller anden underlig grund ikke påvirker jordens tyngdefelt og ikke “t oversvømmes med magma.

OK, nu på jordens overflade får du en flaske, halvfuld med olie og halvfuld med vand.Vandet er tættere end olien, så tyngdekraften på vandet er større end tyngdekraften på olien … så vandet synker til bunden og olien flyder på toppen.

Gå nu ned ad din elevatoraksel. Er tyngdekraften svagere eller stærkere her? Nå, for vores flaske olie betyder det ikke noget. Uanset tyngdekraften producerer den stadig en større kraft på vandet end den gør olien, så vandet vil altid synke.

Med hensyn til af materialer, der flyder eller synker i forhold til andre materialer, betyder det ikke noget, hvor tyngdekraften er stærk eller svag, hvad der betyder, er kun tyngdekraftsretningen.

Så hvorfor er ikke Jorden en stor sfære af materialer lagdelt efter densitet? Nå … stort set er det. Jern (7.870 kg / m ^ 3) er tættere end magma (~ 2.500 kg / m ^ 3) er tættere end vand (1000 kg / m ^ 3) er tættere end kvælstof (~ 1 kg / m ^ 3) … og det er den rækkefølge, du generelt finder dem i.

Hvad med undtagelserne? Hvorfor er der guld (19.300 kg / m ^ 3) og jern i Jordens skorpe … Jeg foreslår David Hammens indlæg.

Tag et glas vand og to små kugler i samme størrelse, en af jern og en af aluminium. Begge når endelig bunden, men på grund af opdrift vil jernet lægge sig først.

Jorden blev opdaget for at have en fast indre kerne, der adskiller sig fra dens flydende ydre kerne i 1936,

…..

Det menes primært at bestå af en jern-nikkel-legering og være omtrent den samme temperatur som Solens overflade: ca. 5700 K (5400 ° C).

….

Jordens indre kerne menes at vokser langsomt den flydende ydre kerne ved grænsen med den indre kerne afkøles og størkner på grund af den gradvise afkøling af jordens indre (ca. 100 grader Celsius pr. milliard år). Mange forskere havde oprindeligt forventet, at fordi den faste indre kerne oprindeligt blev dannet af en gradvis afkøling af smeltet materiale og fortsætter med at vokse som et resultat af den samme proces, ville den indre kerne blive fundet at være homogen. Det blev endda antydet, at Jordens indre kerne kunne være en enkelt krystal af jern. Denne forudsigelse blev imidlertid modbevist ved observationer, der tyder på, at der faktisk er en grad af uorden i den indre kerne. Seismologer har fundet ud af, at den indre kerne ikke er helt ensartet, men i stedet indeholder strukturer i stor skala, således at seismiske bølger passerer hurtigere gennem nogle dele af den indre kerne end gennem andre. Derudover varierer egenskaberne på den indre kerneoverflade fra sted til sted over afstande så små som 1 km. Denne variation er overraskende, da laterale temperaturvariationer langs den indre kernegrænse vides at være ekstremt små (denne konklusion er fortroligt begrænset af magnetfeltobservationer). Nylige opdagelser antyder, at selve den faste indre kerne består af lag, adskilt af en overgangszone, der er cirka 250 til 400 km tyk. Hvis den indre kerne vokser af små frosne sedimenter, der falder ned på overfladen, kan der også fanges noget væske i porerne, og noget af denne resterende væske kan stadig vedblive i en lille grad i meget af dets indre.

….

Jorden “s indre kerne er en kugle af solidt jern omtrent på størrelse med vores måne. Denne kugle er omgivet af en meget dynamisk ydre kerne af en flydende jern-nikkel-legering (og nogle andre, lettere elementer), en meget tyktflydende kappe og en solid skorpe, der danner overfladen, hvor vi bor.

I løbet af milliarder af år har jorden afkølet indefra og ud, hvilket får den smeltede jernkerne til delvis at fryse og størkne. Den indre kerne har efterfølgende været vokser med en hastighed på omkring 1 mm om året, når jernkrystaller fryser og danner en solid masse.

Varmen, der afgives, når kernen køler ned, strømmer fra kernen til kappen til jordskorpen gennem en proces kendt som konvekt ion. Ligesom en vandpande, der koger på et komfur, flytter konvektionsstrømme varm kappe til overfladen og sender kølig kappe tilbage til kernen. Denne undslippende varme driver geodynamo og kombineret med jordens spinding genererer magnetfeltet.

Så ud fra dette ser vi, at den faste indre kerne langsomt bygges op fra den ydre kerne væske . Det er i den ydre kerne, at sammensætningerne skelner mellem de tungere elementer, der udfældes fra væsken i tyngdefeltet, der opstår fra den indre kerne.

Ekstrapolering fra observationer af afkøling af den indre kerne, anslås det, at den nuværende faste indre kerne dannedes for ca. 2 til 4 milliarder år siden ud fra, hvad der oprindeligt var en helt smeltet kerne. Hvis det er sandt, vil det betyde, at Jordens faste indre kerne ikke er et oprindeligt træk, der var til stede under planetens dannelse, men et træk, der er yngre end Jorden (Jorden er cirka 4,5 milliarder år gammel).

Lad os se på den periode, hvor den indre og ydre kerne var flydende. Jo tættere på tyngdefeltets centrum, jo mindre tyngdekraft, men stadig ville volumen til masse * spille den samme rolle i væsken og koncentrere den tungere til midten og danne de første frø til kernen, da systemet afkøledes. / p>

hvorfor er kernen ikke domineret af de tungeste elementer (grundstoffer tungere end jern)?

Nu skyldes grunden, at kernen er jern / nikkel, at elementerne bindende energikurve .

Bindende energi pr. nukleon af almindelige isotoper

Opbygningen af tungere grundstoffer i kernefusionsprocesserne i stjerner er begrænset til elementer under jern, da sammensmeltningen af jern ville trække energi i stedet for at tilvejebringe den. Jern-56 er rigeligt i stjerneprocesser, og med en bindingsenergi pr. Nukleon på 8,8 MeV er det den tredje mest tætte bundet af nukliderne. Dens gennemsnitlige bindingsenergi pr. Nukleon overskrides kun med 58Fe og 62Ni, idet nikkelisotopen er den mest tætte bundet af nukliderne.

Det er her fusion stopper at være energisk gunstig. I Big Bang-modellen, hvor en primersuppe ender i kreationer ved fusion af kerner, stopper modellen øverst i kurven.

Nuklear syntese for tunge elementer fortsætter i supernovaeksplosioner:

Elementer over jern i det periodiske system kan ikke dannes i de normale kernefusionsprocesser i stjerner. Op til jern giver fusion energi og kan således fortsætte. Men da ” jerngruppen ” er på toppen af den bindende energikurve, absorberer fusion af elementer over jern dramatisk energi. (Nuklidet 62Ni er det mest tætbundne nuklid, men det er ikke nær så rigeligt som 56Fe i stjernekerne, så astrofysisk diskussion handler generelt om jernet.) Faktisk kan 52Fe fange en 4He for at producere 56Ni, men det er den sidste trin i heliumfangstkæden.

Givet en neutronstrøm i en massiv stjerne, kan der produceres tungere isotoper ved neutronindfangning. …

Afslutningsvis:

Lagene, der indeholder de tunge elementer kan blive sprængt af supernovaeksplosionen og tilvejebringe råmaterialet fra tunge grundstoffer i de fjerne brintskyer, der kondenserer til at danne nye stjerner.

Fordi tungere elementer er meget sjældnere og kommer fra et sekundært trin som en eksplosion af en stjerne, de specifikke forhold for dannelsen af vores stjerne, solen og skabelserne af planeterne omkring den viser, at jorden har tungere end jernelementer, der er akkumuleret ved en andet niveau til det oprindelige stof, der kom sammen til sin kerne. Overflod er meget lille

de tungeste naturligt radioaktive grundstoffer , thorium og uran, udgør henholdsvis 8,5 dele pr. million og 1,7 dele pr. million. Nogle af de sjældneste elementer er også de tætteste; disse er platinagruppens metaller, herunder osmium med 50 dele pr. billioner, platin med 400 dele pr. billioner og iridium ved 50 dele pr. billioner.

og ville kan ikke detekteres med de seismografiske metoder, der studerer den indre og ydre kerne.

 ----- 

• volumen til masse for alle elementer kan ses her

Newtons lov siger, at midten af sfærisk skal føler nul tyngdekraft. Så det meget minimale (faktisk det meget punkt) centrum af jorden føler nul tyngdekraft (fra selve jorden). Tænk på det på denne måde, hver retning du ser der er den samme masse, der trækker radialt væk – tyngdekraften balancerer alle til nul. Bevæg dig nu 100 miles i enhver retning fra centrum. Du har nu hundrede miles stof ikke længere i skallen, der udøver et ubalanceret træk – tyngdekraften træder i kraft og adskillelse af ting begynder at tage sted wi det tættere materiale falder indad og lettere materiale flyder opad. Jo længere du bevæger dig fra midten, jo højere bliver tyngdekraftens ubalancerede kraft, og jo hurtigere finder adskillelsen sted. Bemærk at at have nul tyngdekraft i midten ikke betyder nul tryk. Trykket fra alle de ubalancerede kræfter tilføjes på trods af variationerne i tyngdekraftens tiltrækning. Så midt på jorden føles intet gravitationelt træk, men føles det største pres, alt sammen på grund af sfærisk symmetri.

Jeg tror, at et simpelt svar er, at den drengende kraft for det meste er ansvarlig for, at tunge elementer synker ned til midten af jorden. For eksempel flyder et hangarskib på vand, fordi skibet har meget plads inde i det. Hvis du således fyldte dette rum med vand og derefter vejede det, ville du opdage, at skibets vægt uden vand er mindre end den mængde vand, det fortrænger, eller vandvægt. Dette gør det lettere end vandet, og det flyder. Tunge elementer har flere atomer i en given mængde plads end lettere elementer, så tunge elementer synker, mens lettere flyder ovenpå og så videre.En nem måde at tænke på jordens centrum er, at hvis du befinder dig der, er alle retninger fra midten op, og kraften ville være den samme fra alle retninger, så de ville annullere og efterlade dig vægtløs.

Jeg er bare 14, og jeg vil prøve at besvare spørgsmålet ud fra min forståelse.

Første af alt tyngdekraft, der er en kraft og dermed en vektor, vil annullere i kernen, da det ikke kun afhænger af størrelsen af den relative kraft, men også retningen af den, dvs. en vektor, der går opad, vil annullere med en vektor, der går nedad , og så videre. Men …..

Hvis vi skulle skære en skal til os selv midt på jorden (Se shell-sætningen), ville vi opleve vægtløshed inde i skallen, indtil vi er i det. Det ville opleve nul tyngdekraft. Ifølge dit spørgsmål, hvis kernen var lavet af tungere elementer, ville det kun påvirke tyngdekraften, vi oplever uden for t shell.

Så det ville ikke have noget at sige, om kernen var lavet af jern eller wolfram. Kernen består af, hvad den er, og dennes natur. Du skal være bekendt med jordens historie, hvordan den blev dannet. Tyngdekraften ville ikke have nogen effekt med, hvad vores kerne bestod af.

Men det virkelige problem er magnetfeltet. Jern er en fremragende magnet (når den magnetiseres eller findes som en magnet). Det var og er den eneste tilhænger af vores magnetfelt. Jeg kender ikke mange andre elementer, men et tungere element ville bestemt ikke være i stand til at opretholde vores magnetfelt. Hvis det kunne, ville det enten være for stærkt eller for svagt til at holde “kosmisk stråling” fra solen. Hvis også svag, ville strålingen decimere os. Hvis for stærk, ville det samme ske.

En grundlæggende fysiklov, der er angivet af Newton, er, at alle partikler tiltrækker hinanden, men den er så lille (Gravitationskonstanten) at vi kun kan se tyngdekraften for himmellegemer (planeterne og stjernerne osv.) Så i kernen ville vi opleve tyngdekraften, men ikke i skallen, vi ville skabe, hvor skal sætningen ville gælde. / p>

Så kort sagt, naturen har skabt vores kerne, og vi kan ikke ændre den. Vi har aldrig oplevet (og jeg håber, vi aldrig gør) en ændring i kernens sammensætning. Hvad angår spørgsmålet, tror jeg der ville ikke have nogen indvirkning på tyngdekraften i kernen, hvis elementerne, der komponerer den, var forskellige. Men det kunne helt sikkert gøre tyngdekraften, vi oplever, anderledes. Det kan endda gøre vores planet beboelig.

Håber det hjælper.

Kommentarer

• Dit svar ser ud til at koge ned til udsagn ” Så det ville ikke ‘ betyder noget, om kernen var lavet af jern eller wolfram. Kernen består af, hvad det er, og at ‘ s natur. ” som er en komplet cop-out og ikke ‘ t adresser det aktuelle spørgsmål overhovedet.
• @BrandonEnright Nej, dette svar er ikke så lavt. Ræsonnementet er som ” intet jern i kernen = > intet magnetfelt = > intet liv = > modsigelse; derfor skal der være jern i kernen “. I henhold til Dynamo teori er jern ikke påkrævet; enhver elektrisk ledende væske ville gøre. Dette inkluderer wolfram, vand og metalbrint .