Si la gravedad en el centro de la Tierra es cero, ¿por qué hay elementos pesados como el hierro allí?

Olvídate de la fuerza. La fuerza es un poco irrelevante aquí. La respuesta a esto La pregunta radica en la energía, la termodinámica, la presión, la temperatura, la química y la física estelar.

La energía potencial y la fuerza van de la mano. La fuerza gravitacional en algún punto dentro de la Tierra es la velocidad a la que cambia la energía potencial gravitacional con respecto a la distancia. La fuerza es el gradiente de energía. La energía potencial gravitacional está en su nivel más bajo en el centro de la Tierra.

Aquí es donde entra en juego la termodinámica. El principio de energía potencial total mínima es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica . Si un sistema no se encuentra en su estado de energía potencial mínima y hay un camino hacia ese estado, el sistema intentará seguir ese camino. Un planeta con hierro y níquel (y otros elementos densos) mezclados igualmente con elementos más ligeros no es la condición mínima de energía potencial. Para minimizar la energía potencial total, el hierro, el níquel y otros elementos densos deben estar en el centro de un planeta, con elementos más livianos fuera del núcleo.

Tiene que existir un camino hacia ese estado de energía potencial mínima, y aquí es donde entran en juego la presión, la temperatura y la química. Estas son las que crean las condiciones que permiten que la segunda ley de la termodinámica diferencie un planeta. Como contraejemplo, el uranio es bastante denso, pero sin embargo, el uranio se agota en el núcleo de la Tierra, se agota ligeramente en el manto de la Tierra y se mejora fuertemente en la corteza terrestre. ¡La química es importante!

El uranio es bastante reactivo químicamente. Tiene una fuerte afinidad para combinarse con otros elementos. El uranio es un litófilo (» amante de las rocas » ) según la clasificación Goldschmidt de elementos. De hecho, el uranio es un » elemento incompatible » , que explica la abundancia relativa de uranio en la corteza terrestre.

Níquel, cobalto, manganeso , y molibdeno, junto con los metales preciosos más raros como el oro, iridio, osmio, paladio, platino, renio, rodio y rutenio, son bastante inertes químicamente, pero se disuelven fácilmente en hierro fundido. Estos (junto con el hierro mismo) son los elementos siderófilos (amantes del hierro). De hecho, el hierro no es tan siderófilo como los metales preciosos. Se oxida (hacer hierro es un poco litofílico) y se combina fácilmente con azufre (lo que hace que el hierro sea un poco calcófilo).

Aquí es donde entran en juego la presión y la temperatura. La presión y la temperatura son extremadamente altas dentro de la Tierra. La alta presión y la alta temperatura obligan al hierro a renunciar a sus enlaces con otros compuestos. Así que ahora tenemos hierro y níquel puros, además de trazas de metales preciosos, y la termodinámica desea mucho que esos elementos densos se asienten hacia el centro. Las condiciones son ahora adecuadas para que eso suceda, y eso es exactamente lo que sucedió poco después de que se formara la Tierra.

Finalmente, existe la física estelar. La Tierra tendría un pequeño núcleo de elementos raros pero densos si el hierro y el níquel fueran tan raros como el oro y el platino. Ese no es el caso. El hierro y el níquel son elementos sorprendentemente abundantes en el universo. Existe una tendencia general a que los elementos más pesados sean menos abundantes. El hierro (y, en menor medida, el níquel) son dos excepciones a esta regla; vea el gráfico a continuación. El hierro y el níquel son donde se detiene el proceso alfa en la física estelar. Todo lo que sea más pesado que el hierro requiere procesos exóticos como el s-process o los que ocurren en una supernova para crearlos. Además, las supernovas, particularmente las supernovas de tipo Ia, son prolíficas productoras de hierro.A pesar de sus masas relativamente pesadas, el hierro y el níquel son elementos bastante abundantes en nuestro universo envejecido.

_{(fuente: virginia.edu )}

Comentarios

• La imagen, al menos comenzando con $ \ mathrm {Sn} $, tiene números atómicos (o nombres de elementos) desordenados.
• Isn ‘ ¿No es solo que lo que está etiquetado como Sn debería ser Cd? Creo que los demás están bien.
• Esa ‘ es una imagen de wikipedia. Obtuve lo que pagué. Estaño (Sn) simplemente debe cambiarse para que ‘ s después del indio (In) en lugar de antes.
• ¿Dónde está esa cifra en Wikipedia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . ‘ voy a reemplazar esa imagen wiki por una más confiable.

Aquí hay un interesante experimento mental.

Imagina que tienes un hueco de ascensor al centro de la Tierra que, por alguna extraña razón, no afecta el campo gravitacional de la Tierra y no No inundes con magma.

Bien, ahora en la superficie de la Tierra consigue una botella, medio llena de aceite y medio llena de agua.El agua es más densa que el aceite, por lo que la fuerza de gravedad sobre el agua es mayor que la fuerza de gravedad sobre el aceite … por lo que el agua se hunde hasta el fondo y el aceite flota en la parte superior.

Ahora, baja por el hueco del ascensor. ¿Es la gravedad más débil o más fuerte aquí? Bueno, para nuestra botella de aceite realmente no importa. Cualquiera que sea la gravedad, todavía produce una fuerza mayor sobre el agua que el aceite, por lo que el agua siempre se hundirá.

En términos de materiales flotando o hundiéndose en relación con otros materiales, no importa dónde la gravedad sea fuerte o débil, lo que importa es solo la dirección de la gravedad.

Entonces, ¿por qué la Tierra no es una gran esfera? de materiales estratificados por densidad? Bueno … en gran parte lo es. El hierro (7,870 kg / m ^ 3) es más denso que el magma (~ 2,500 kg / m ^ 3) es más denso que el agua (1000 kg / m ^ 3) es más denso que el nitrógeno (~ 1 kg / m ^ 3) … y ese es el orden en el que generalmente los encuentra.

¿Qué pasa con las excepciones? ¿Por qué hay oro (19,300 kg / m ^ 3) y hierro en la corteza terrestre? Sugiero la publicación de David Hammen.

Intentaré hacer una respuesta muy aproximada para tu madre (según lo solicitado), asumiendo la Tierra esférica, y varias otras aproximaciones. No soy un experto en geofísica o física estelar. y si quieres detalles o una mayor precisión, te sugiero que mires otras respuestas, como la de David Hammen y otros.

Acerca de la gravedad

Primero, con respecto a la gravedad. ¿Hay gravedad en el centro de la Tierra? Y si no, ¿por qué debería atraer algo allí?

Un ejercicio básico al estudiar la gravedad es calcular la fuerza de gravedad dentro de una capa esférica vacía de materia (como la goma de una pelota de baloncesto). La respuesta es: no hay gravedad producida por la cáscara esférica dentro de la cáscara, aunque hay gravedad exterior producida por la cáscara.

Si ahora considera un shere lleno de materia, tendrá un radio de 6371 km ( como la tierra), y un punto a 5000 km del centro, puede descomponerlo en una esfera completa de 5000 km de radio y una capa esférica a su alrededor con 1371 km de espesor. La capa esférica no causa gravedad, por lo tanto, toda la gravedad que debe observarse es la producida por la esfera de 5000 km de radio.

Esto es realmente cierto para cualquier radio, de modo que, en el centro de Tierra, es decir, con un radio de 0 km, no queda nada para producir gravedad ya que toda la materia está en el «caparazón».

Pero eso no importa demasiado ya que, hay algo de gravedad hacia el centro tan pronto como se encuentre a cierta distancia del centro, por débil que sea cuando esté cerca del centro, de modo que con el tiempo, la materia más pesada tenderá a hundirse hacia el fondo, es decir, hacia el centro.

Luego está la cuestión de qué es más pesado.

¿De qué está hecha la Tierra

La materia original en el universo (aunque no se remonta al Big Bang) está compuesta principalmente de elementos muy ligeros, principalmente hidrogeno. Las estrellas se forman por acreción de esta materia bajo las fuerzas gravitacionales y comienzan a fusionarla (reacción nuclear) en elementos más pesados y producen energía que percibimos (en parte) como luz. Suelen producir una gran cantidad de elementos como el hierro (y otros que se encuentran alrededor del «medio» de la tabla de elementos, porque estos tienen el núcleo atómico más estable del cual se puede extraer poca energía, por lo que las estrellas mueren (de diversas formas) cuando han transformado su materia en tales elementos. La explosión final de algunas estrellas (supernovas) produce elementos más pesados, pero no en tan gran cantidad. Esto (muy groseramente) explica por qué el hierro (y algunos otros elementos) tienden a estar disponibles en mayor cantidad .

¿Por qué la materia no está estratificada por densidad?

Una vez más, no soy un experto, hay una variedad de fenómenos que están en funcionamiento. Aquí hay dos ejemplos.

De hecho, dado que al menos una parte del planeta es algo fluido, se podría esperar que los componentes pesados se hundieran. Pero hay mucho calor producido dentro del planeta, debido en particular a la radiactividad, y este calor produce convección (y por lo tanto continental deriva). Convección significa movimiento, mover la materia. Eso es más un dy aspecto námico.

Otro fenómeno es que los elementos químicos rara vez son puros. Se combinan física o químicamente para hacer compuestos que tienen diferentes propiedades físicas. Un compuesto formado por un elemento pesado y uno liviano puede ser bastante liviano y hacer flotar el componente pesado hacia la superficie del planeta, desempeñando la parte más liviana el papel de una boya. Entonces, aunque el uranio es mucho más pesado que el hierro, se pueden encontrar compuestos de uranio con elementos más ligeros en la superficie del planeta, o muy cerca de él. El fenómeno depende mucho de la capacidad de los diferentes tipos de elementos más pesados para combinarse con los más ligeros.

También debe tener en cuenta que la Tierra tardó mucho en formarse y la importancia de los diferentes fenómenos puede haber cambiado a lo largo del tiempo. curso de su formación.

Coge un vaso de agua y dos bolitas del mismo tamaño, una de hierro y otra de aluminio. Ambos llegarán al fondo finalmente, pero debido a la flotabilidad, el hierro se asentará primero.

La Tierra se descubrió que tenía un núcleo interno sólido distinto de su núcleo externo líquido en 1936,

…..

Se cree que consiste principalmente en una aleación de hierro y níquel y tiene aproximadamente la misma temperatura que la superficie del Sol: aproximadamente 5700 K (5400 ° C).

….

Se cree que el núcleo interno de la Tierra Estar creciendo lentamente el núcleo externo líquido en el límite con el núcleo interno se enfría y solidifica debido al enfriamiento gradual del interior de la Tierra (alrededor de 100 grados Celsius por mil millones de años). Muchos científicos habían esperado inicialmente que, debido a que el núcleo interno sólido se formó originalmente mediante un enfriamiento gradual de material fundido y continúa creciendo como resultado de ese mismo proceso, el núcleo interno resultaría homogéneo. Incluso se sugirió que el núcleo interno de la Tierra podría ser un solo cristal de hierro. Sin embargo, esta predicción fue refutada por observaciones que indican que, de hecho, hay un grado de desorden dentro del núcleo interno. Los sismólogos han descubierto que el núcleo interno no es completamente uniforme, pero en cambio contiene estructuras a gran escala, de modo que las ondas sísmicas pasan más rápidamente a través de algunas partes del núcleo interno que a través de otras. Además, las propiedades de la superficie del núcleo interno varían de un lugar a otro en distancias tan pequeñas como 1 km. Esta variación es sorprendente, ya que se sabe que las variaciones laterales de temperatura a lo largo del límite interno del núcleo son extremadamente pequeñas (esta conclusión está fuertemente limitada por las observaciones del campo magnético). Descubrimientos recientes sugieren que el núcleo interior sólido en sí está compuesto por capas, separadas por una zona de transición de aproximadamente 250 a 400 km de espesor. Si el núcleo interno crece por pequeños sedimentos congelados que caen sobre su superficie, entonces algo de líquido también puede quedar atrapado en los espacios porosos y algo de este líquido residual aún puede persistir hasta cierto punto en gran parte de su interior.

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La Tierra «El núcleo interno es una bola de hierro sólido del tamaño de nuestra luna. Esta bola está rodeada por un núcleo externo altamente dinámico de una aleación líquida de hierro y níquel (y algunos otros elementos más ligeros), una sustancia altamente viscosa manto y una corteza sólida que forma la superficie donde vivimos.

Durante miles de millones de años, la Tierra se ha enfriado de adentro hacia afuera, lo que hace que el núcleo de hierro fundido se congele y solidifique parcialmente. Posteriormente, el núcleo interno se ha creciendo a una velocidad de alrededor de 1 mm por año a medida que los cristales de hierro se congelan y forman una masa sólida.

El calor que se desprende cuando el núcleo se enfría fluye desde el núcleo hasta el manto y la corteza terrestre a través de un proceso conocido como convecto ion. Como una olla de agua hirviendo en una estufa, las corrientes de convección mueven el manto cálido a la superficie y envían el manto frío de regreso al núcleo. Este calor que escapa alimenta la geodinamo y, junto con el giro de la Tierra, genera el campo magnético.

Entonces, a partir de esto, vemos que el núcleo interno sólido se construyó lentamente. desde el núcleo externo líquido . Es en el núcleo externo donde las composiciones diferencian los elementos más pesados que precipitan del líquido en el campo gravitacional, que surge del núcleo interno.

Extrapolando de Observaciones del enfriamiento del núcleo interno, se estima que el núcleo interno sólido actual se formó hace aproximadamente 2 a 4 mil millones de años a partir de lo que originalmente era un núcleo completamente fundido. Si es cierto, esto significaría que el núcleo interno sólido de la Tierra no es una característica primordial que estuvo presente durante la formación del planeta, sino una característica más joven que la Tierra (la Tierra tiene aproximadamente 4.500 millones de años).

Veamos entonces el período en el que el núcleo interno y externo eran líquidos. Cuanto más cerca del centro del campo gravitacional, menos fuerza gravitacional, pero aún así, el volumen a masa * jugaría el mismo papel en el líquido, concentrando el más pesado en el centro, formando las primeras semillas para el núcleo a medida que el sistema se enfría.

¿Por qué el núcleo no está dominado por los elementos más pesados (elementos más pesados que el hierro)?

Ahora, la razón por la que el núcleo es hierro / níquel se debe a la curva de energía de enlace de los elementos.

Energía de enlace por nucleón de isótopos comunes

La acumulación de elementos más pesados en los procesos de fusión nuclear en las estrellas se limita a los elementos por debajo del hierro, ya que la fusión del hierro restaría energía en lugar de proporcionarla. El hierro-56 es abundante en los procesos estelares y, con una energía de unión por nucleón de 8,8 MeV, es el tercero más unido de los nucleidos. Su energía de unión promedio por nucleón se excede solo en 58Fe y 62Ni, siendo el isótopo de níquel el más unido de los nucleidos.

Ahí es donde se detiene la fusión siendo energéticamente favorable. En el modelo Big Bang donde una sopa primordial termina en las creaciones por fusión de núcleos, el modelo se detiene en la parte superior de la curva.

Síntesis nuclear para elementos pesados procede de explosiones de supernovas:

Los elementos por encima del hierro en la tabla periódica no pueden formarse en los procesos normales de fusión nuclear en las estrellas. Hasta el hierro, la fusión produce energía y, por lo tanto, puede continuar. Pero dado que el » grupo de hierro » está en el pico de la curva de energía de enlace, la fusión de elementos por encima del hierro absorbe energía de manera espectacular. (El núclido 62Ni es el núclido más unido, pero no es tan abundante como el 56Fe en los núcleos estelares, por lo que la discusión astrofísica generalmente se centra en el hierro). En realidad, 52Fe puede capturar un 4He para producir 56Ni, pero ese es el último. paso en la cadena de captura de helio.

Dado un flujo de neutrones en una estrella masiva, se pueden producir isótopos más pesados por captura de neutrones. …

En conclusión:

Las capas que contienen los elementos pesados pueden ser volados por la explosión de supernova y proporcionar la materia prima de elementos pesados en las distantes nubes de hidrógeno que se condensan para formar nuevas estrellas.

Porque el los elementos más pesados son mucho más raros y provienen de un paso secundario como la explosión de una estrella, las condiciones específicas de la formación de nuestra estrella, el sol y las creaciones de los planetas a su alrededor muestran que la tierra tiene elementos más pesados que el hierro acumulados en un segundo nivel a la materia original que se fusionó hasta su núcleo. Las abundancias son muy pequeñas

los elementos naturalmente radiactivos más pesados , torio y uranio, constituyen 8,5 partes por millón y 1,7 partes por millón, respectivamente. Algunos de los elementos más raros son también los más densos; estos son los metales del grupo del platino, incluido el osmio a 50 partes por billón, el platino a 400 partes por billón y el iridio a 50 partes por billón.

y no ser detectable con los métodos sismográficos que estudian el núcleo interno y externo.

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• se puede ver el volumen a la masa de todos los elementos aquí

La ley de Newton establece que el centro de la cáscara esférica siente gravedad cero. Por lo tanto, el minúsculo centro de la Tierra (en realidad el mismo punto) se siente gravedad cero (desde la tierra misma). Piénselo de esta manera, en todas las direcciones en las que mires hay la misma masa tirando radialmente de distancia: la fuerza de la gravedad se equilibra a cero. Ahora muévete 100 millas en cualquier dirección desde el centro. Ahora tienes cientos de millas de materia que ya no están en el caparazón ejerciendo un tirón desequilibrado: la gravedad hace efecto y la separación de las cosas comienza a tomar lugar wi El material más denso cae hacia adentro y el material más ligero flota hacia arriba. Cuanto más se aleja del centro, mayor es la fuerza de gravedad desequilibrada y más rápido se produce la separación. Tenga en cuenta que tener una fuerza gravitacional cero en el centro no significa presión cero. La presión de todas las fuerzas desequilibradas se suma a pesar de las variaciones en la atracción gravitacional. Así que el centro de la Tierra no siente atracción gravitacional, pero siente la mayor presión, todo debido a la simetría esférica.

Creo que una respuesta simple es que la fuerza boyante es principalmente responsable de que los elementos pesados se hundan en el centro de la tierra. Por ejemplo, un portaaviones flota en el agua porque el barco tiene mucho espacio en su interior. Por lo tanto, si llena este espacio con agua y luego lo pesa, encontrará que el peso del barco sin el agua es menor que la cantidad de agua que desplaza o el peso del agua. Esto lo hace más liviano que el agua y flota. Los elementos pesados tienen más átomos en una cantidad determinada de espacio que los elementos más livianos, por lo que los elementos pesados se hunden mientras que los más livianos flotan en la parte superior y así sucesivamente.Una forma fácil de pensar en el centro de la tierra es que si te encontraras allí, todas las direcciones desde el centro están hacia arriba y la fuerza sería la misma en todas las direcciones, por lo que se cancelarían dejándote ingrávido.

Solo tengo 14 años y trataré de responder la pregunta según mi comprensión.

Primero de Todo, la gravedad, siendo una fuerza y, por lo tanto, un vector, se cancelaría en el núcleo, ya que no solo depende de la magnitud de la fuerza relativa sino también de la dirección de la misma, es decir, un vector que va hacia arriba se cancelaría con un vector que va hacia abajo. , y así sucesivamente. Pero …..

Si tuviéramos que tallarnos un caparazón en el centro de la tierra (consulte el teorema de la capa), experimentaríamos ingravidez dentro de la capa en él. Eso sería experimentar gravedad cero. Según su pregunta, si el núcleo estuviera hecho de elementos más pesados, solo afectaría la fuerza gravitacional que experimentamos fuera t shell.

Entonces, no importaría si el núcleo estuviera hecho de hierro o tungsteno. El núcleo está formado por lo que es y esa naturaleza. Debes estar familiarizado con la historia de la tierra, cómo se formó. La gravedad no estaría en ningún efecto con lo que nuestro núcleo estaba compuesto.

Pero el verdadero problema sería el campo magnético. El hierro es un magnífico imán (cuando se magnetiza o se encuentra como un imán). Fue y es el único partidario de nuestro campo magnético. No sé acerca de muchos otros elementos, pero un elemento más pesado ciertamente no podría sostener nuestro campo magnético. Si pudiera, sería demasiado fuerte o demasiado débil para contener la «radiación cósmica» del sol. Si fuera demasiado débiles, las radiaciones nos diezmarían. Si son demasiado fuertes, pasaría lo mismo.

Una ley fundamental de la física declarada por Newton es que todas las partículas se atraen entre sí, sin embargo es muy pequeña (La constante gravitacional) que solo podemos ver la fuerza de la gravedad para los cuerpos celestes (los planetas y las estrellas, etc.). Entonces, en el núcleo, experimentaríamos la gravedad, pero no en la capa que crearíamos, donde se aplicaría el teorema de la capa.

En resumen, la naturaleza ha hecho nuestro núcleo y no podemos cambiarlo. Nunca hemos experimentado (y espero que nunca lo hagamos) un cambio en la composición del núcleo. En cuanto a la pregunta, creo No habría ningún efecto sobre la gravedad en el núcleo si los elementos que lo componen fueran diferentes. Pero ciertamente podría hacer que la atracción gravitacional que experimentamos sea diferente. Incluso podría hacer que nuestro planeta sea habitable.

Espero que esto ayude.

Comentarios

• Su respuesta parece reducirse a la declaración » Por lo tanto, no ‘ importaría si el núcleo estuviera hecho de hierro o tungsteno. El núcleo se compone de lo que es y de esa ‘ s naturaleza. » que es una completa evasión y no ‘ t abordar la pregunta real en absoluto.
• @BrandonEnright No, esta respuesta no es tan superficial. El razonamiento es como » sin hierro en el núcleo = > sin campo magnético = > sin vida = > contradicción; por lo tanto, debe haber hierro en el núcleo «. Sin embargo, de acuerdo con la teoría del dínamo , no se requiere hierro; cualquier líquido conductor de electricidad serviría. Esto incluye tungsteno, agua y hidrógeno metálico .