Si la gravité au centre de la Terre est nulle, pourquoi y a-t-il des éléments lourds comme le fer?

Oubliez la force. La force est un peu hors de propos ici. La réponse à cette question La question réside dans lénergie, la thermodynamique, la pression, la température, la chimie et la physique stellaire.

Lénergie potentielle et la force vont de pair. La force gravitationnelle à un certain point à lintérieur de la Terre est la vitesse à laquelle lénergie potentielle gravitationnelle change en fonction de la distance. La force est le gradient dénergie. Lénergie potentielle gravitationnelle est à son niveau le plus bas au centre de la Terre.

Cest là que la thermodynamique entre en jeu. Le principe dénergie potentielle totale minimale est une conséquence de la deuxième loi de la thermodynamique . Si un système n’est pas dans son état d’énergie potentielle minimale et qu’il existe un chemin vers cet état, le système essaiera de suivre cette voie. Une planète avec du fer et du nickel (et dautres éléments denses) également mélangés à des éléments plus légers nest pas la condition dénergie potentielle minimale. Pour minimiser lénergie potentielle totale, le fer, le nickel et les autres éléments denses doivent être au centre dune planète, avec des éléments plus légers à lextérieur du noyau.

Une voie doit exister vers cet état dénergie potentielle minimum, et cest là que la pression, la température et la chimie entrent en jeu. Ce sont eux qui créent les conditions qui permettent à la deuxième loi de la thermodynamique de différencier une planète. En guise de contre-exemple, luranium est plutôt dense, mais pourtant luranium est appauvri dans le noyau de la Terre, légèrement appauvri dans le manteau terrestre et fortement amélioré dans la croûte terrestre. La chimie est importante!

Luranium est assez réactif chimiquement. Il a une forte affinité pour se combiner avec dautres éléments. Luranium est un lithophile ( » amoureux des roches  » ) selon la classification Goldschmidt des éléments. En fait, luranium est un  » élément incompatible  » , ce qui explique labondance relative de luranium dans la croûte terrestre.

Nickel, cobalt, manganèse et le molybdène, ainsi que les métaux les plus extrêmement rares et précieux tels que lor, liridium, losmium, le palladium, le platine, le rhénium, le rhodium et le ruthénium, sont plutôt inertes chimiquement, mais ils se dissolvent facilement dans le fer fondu. Ceux-ci (avec le fer lui-même) sont les éléments sidérophiles (aimant le fer). En fait, le fer nest pas aussi sidérophile que les métaux précieux. Il rouille (faire du fer est un peu lithophile) et il se combine facilement avec le soufre (rendant le fer un peu chalcophile).

Cest là que la pression et la température entrent en jeu. La pression et la température sont extrêmement élevées à lintérieur de la Terre. La haute pression et la haute température obligent le fer à renoncer à ses liens avec dautres composés. Nous avons donc maintenant du fer et du nickel purs, ainsi que des traces de métaux précieux, et la thermodynamique veut beaucoup que ces éléments denses se déposent vers le centre. Les conditions sont maintenant réunies pour que cela se produise, et cest exactement ce qui sest passé peu de temps après la formation de la Terre.

Enfin, il y a la physique stellaire. La Terre aurait un tout petit noyau déléments rares mais denses si le fer et le nickel étaient aussi rares que lor et le platine. Ce nest pas le cas. Le fer et le nickel sont des éléments étonnamment abondants dans lunivers. Il y a une tendance générale pour les éléments plus lourds à être moins abondants. Le fer (et dans une moindre mesure, le nickel) sont deux exceptions à cette règle; voir le graphique ci-dessous. Le fer et le nickel sont là où sarrête le processus alpha de la physique stellaire. Tout ce qui est plus lourd que le fer nécessite des processus exotiques tels que le s-process ou ceux qui se produisent dans une supernova pour les créer. De plus, les supernovae, en particulier les supernovae de type Ia, sont des producteurs prolifiques de fer.Malgré leurs masses relativement lourdes, le fer et le nickel sont des éléments assez abondants dans notre univers vieillissant.

_{(source: virginia.edu )}

Commentaires

• Limage, commençant au moins par $ \ mathrm {Sn} $, a des numéros atomiques (ou des noms délément) foirés.
• Isn ‘ Est-ce que ce qui est étiqueté Sn devrait être Cd? Je pense que les autres sont ok.
• Cette ‘ est une image wikipedia. Jai eu ce que jai payé. Létain (Sn) doit simplement être déplacé pour quil ‘ se place après lindium (In) plutôt quavant.
• Où est ce chiffre sur Wikipédia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . Je ‘ vais remplacer cette image wiki par une image plus fiable.

Il y a ici deux grandeurs différentes à distinguer: la force gravitationnelle et le puits gravitationnel. Au centre de la Terre, la force gravitationnelle est nulle, mais le puits gravitationnel est à son plus profond. Les éléments lourds ont tendance à migrer vers le point le plus bas du puits gravitationnel, donc ils sont au centre, même si la force y est nulle.

Si je laisse tomber une balle ici à la surface de la Terre, cela accélérera vers le bas à environ 10 $ \, \ mathrm {m / s ^ 2} $ Cest parce que la force gravitationnelle le tire vers le bas. La force gravitationnelle attire les choses vers le centre de la Terre. Au fur et à mesure que vous montez, la force gravitationnelle saffaiblit. Si vous montez dans un grand bâtiment, la force gravitationnelle diminue de quelques millièmes de pour cent, mais si vous allez dans lespace, disons jusquà la lune, elle devient beaucoup plus faible, finissant par devenir si faible que vous pouvez à peine le remarquer.

Au fur et à mesure que vous descendez dans la Terre, la force gravitationnelle devient plus forte parce que vous vous rapprochez des objets lourds au centre de la Terre. Cependant, si vous descendez des milliers de kilomètres ( beaucoup plus loin que nous navons la technologie pour aller aujourdhui), la force gravitationnelle commencera à saffaiblir parce que la majeure partie de la masse de la Terre est au-dessus de vous maintenant et ne vous tire plus vers le centre. Ainsi, la force gravitationnelle atteint son maximum à mi-chemin vers le centre, puis commence à disparaître. Au centre même, la force gravitationnelle est nulle parce quil y a une masse égale qui vous tire de tous les côtés, et tout sannule. Si vous y construisez une pièce, vous pouvez flotter librement. Cest ce que cela signifie de dire que la gravité est nulle au centre de la Terre.

Cependant, le puits gravitationnel est une autre histoire. Il sagit de la quantité dénergie quil faudrait pour séchapper de la Terre. Si vous êtes à la surface de la Terre, cela représente environ 60 millions de Joules par kilogramme. À mesure que vous montez, il devient de plus en plus petit, et si vous sortez très loin, il tombe effectivement à zéro une fois que vous êtes assez loin lattraction gravitationnelle de la Terre est négligeable.

En descendant plus profondément dans la Terre, vous vous enfoncez de plus en plus dans le puits gravitationnel. Même lorsque vous êtes au plus profond de la Terre et que lattraction gravitationnelle nest pas très fort, en descendant encore plus bas, vous vous enfoncez plus profondément dans le puits gravitationnel de la Terre.

La force gravitationnelle et le puits gravitationnel sont liés lun à lautre. La force est la vitesse à laquelle le puits senfonce. Lorsque vous pénétrez profondément dans la Terre, mais pas tout à fait au centre, la force gravitationnelle est faible. Cela signifie que le fait de descendre plus bas vous plonge plus profondément dans le puits gravitationnel, mais seulement progressivement. La pente du puits y est peu profonde, mais toujours plus profonde .

En gros, les éléments dune planète comme la Terre essaieront de minimiser leur énergie gy. Ils le font en pénétrant aussi profondément dans le puits gravitationnel que possible, car plus ils pénètrent profondément dans le puits, plus leur énergie est basse. Les parties profondes du puits se remplissent cependant, car tout ne peut pas rentrer au centre. Lénergie est minimisée en plaçant les éléments lourds, comme le fer, au centre, et les éléments plus légers plus haut.

Cest loin dêtre une description parfaite de la Terre car cest ce qui se passe à léquilibre et à température nulle, et ce nest pas la Terre, mais cest une approximation approximative décente de ce qui se passe sur Terre.

Donc, votre réponse est que la force gravitationnelle est nulle au centre, mais que lénergie gravitationnelle y est la plus basse , et les choses lourdes vont là où lénergie gravitationnelle est la plus faible, cest pourquoi le centre de la Terre est principalement constitué des éléments lourds.

Voici une expérience de pensée intéressante.

Imaginez que vous ayez une cage dascenseur au centre de la Terre qui, pour une raison étrange, naffecte pas le champ gravitationnel de la Terre et naffecte pas « T inonder de magma.

OK, maintenant à la surface de la Terre, prenez une bouteille à moitié pleine dhuile et à moitié pleine deau.Leau est plus dense que lhuile, donc la force de gravité sur leau est supérieure à la force de gravité sur lhuile … donc leau coule vers le bas et lhuile flotte sur le dessus.

Maintenant, descendez la cage dascenseur. La gravité est-elle plus faible ou plus forte ici? Eh bien, pour notre bouteille dhuile, cela na pas vraiment dimportance. Quelle que soit la gravité, elle produit toujours une plus grande force sur leau que sur lhuile, donc leau coulera toujours.

En termes des matériaux flottant ou coulant par rapport à dautres matériaux, peu importe où la gravité est forte ou faible, ce qui compte, cest seulement la direction de la gravité.

Alors pourquoi la Terre nest-elle pas une grande sphère le fer (7 870 kg / m ^ 3) est plus dense que le magma (~ 2 500 kg / m ^ 3) est plus dense que leau (1 000 kg / m ^ 3) est plus dense que lazote (~ 1 kg / m ^ 3) … et cest lordre dans lequel vous les trouvez généralement.

Et les exceptions? Pourquoi y a-t-il de lor (19 300 kg / m ^ 3) et du fer dans la croûte terrestre … Je suggère le message de David Hammen.

Je vais essayer de faire une réponse très approximative pour votre mère (comme demandé), en supposant la Terre sphérique, et plusieurs autres approximations. Je ne suis pas un expert en géophysique ou en physique stellaire. et si vous voulez des détails ou une plus grande précision, je vous suggère de regarder dautres réponses, comme celle de David Hammen et dautres.

À propos de la gravité

Dabord concernant la gravité. Y a-t-il de la gravité au centre de la Terre, et sinon, pourquoi y aurait-il quelque chose qui y serait attiré?

Un exercice de base pour étudier la gravité consiste à calculer la force de gravité à lintérieur dune coquille sphérique vide de matière (comme le caoutchouc dun ballon de basket). La réponse est: il ny a pas de gravité produite par la coque sphérique à lintérieur de la coque, bien quil y ait de la gravité à lextérieur produite par la coque.

Si vous considérez maintenant une sphère remplie de matière, un rayon de 6371 km ( comme la terre), et un point à 5000 km du centre, vous pouvez le décomposer en une sphère complète de 5000 km de rayon et une coquille sphérique autour de 1371 km dépaisseur. La coquille sphérique ne cause aucune gravité, par conséquent, toute la gravité quil y a à observer est celle produite par la sphère de rayon de 5000 km.

Cest en fait vrai pour nimporte quel rayon, de sorte que, au centre de Terre, cest à dire avec un rayon de 0 km, il ne reste plus rien pour produire de la gravité puisque toute la matière est dans la « coquille ».

Mais cela na pas trop dimportance puisque, il y a une certaine gravité vers le centre dès que vous vous trouvez à une certaine distance du centre, quelle que soit la faiblesse de la proximité du centre, de sorte quavec le temps, la matière plus lourde aura tendance à couler vers le bas, cest-à-dire vers le centre.

Alors il y a la question de ce qui est plus lourd.

De quoi est faite la Terre

La matière originelle de lunivers (qui ne remonte pas au Big Bang cependant) est principalement composée déléments très légers, principalement lhydrogène. Les étoiles se forment par accrétion de cette matière sous les forces gravitationnelles, et commencent à la fusionner (réaction nucléaire) en éléments plus lourds, et produisent de lénergie que nous percevons (en partie) comme de la lumière. Ils ont tendance à produire beaucoup déléments comme le fer (et dautres qui se trouvent autour du «milieu» de la table des éléments, car ils ont le noyau atomique le plus stable dont peu dénergie peut être extraite, de sorte que les étoiles meurent (de diverses manières) lorsquils ont transformé leur matière en de tels éléments. Lexplosion finale de certaines étoiles (supernovae) produit des éléments plus lourds, mais pas en si grande quantité. Ceci explique (très grossièrement) pourquoi le fer (et certains autres éléments) ont tendance à être disponibles en plus grande quantité .

Pourquoi la matière nest-elle pas stratifiée par densité?

Encore une fois, je ne suis pas un expert, car il y a une variété de phénomènes qui sont à lœuvre. Voici deux exemples.

En effet, puisquau moins une partie de la planète est quelque peu fluide, on pourrait sattendre à ce que les composants lourds coulent. Mais il y a beaucoup de chaleur produite à lintérieur de la planète, en particulier à cause de la radioactivité, et cette chaleur produit la convection (et donc dérive). La convection signifie le mouvement, la matière en mouvement. Cest plus un dy aspect dynamique.

Un autre phénomène est que les éléments chimiques sont rarement purs. Ils se combinent physiquement ou chimiquement pour créer des composites qui ont des propriétés physiques différentes. Un composé formé dun élément lourd et dun élément léger peut être assez léger et faire flotter le composant lourd vers la surface de la planète, la partie plus légère jouant le rôle dune bouée. Ainsi, bien que luranium soit beaucoup plus lourd que le fer, des composites duranium contenant des éléments plus légers peuvent être trouvés à la surface de la planète, ou très près delle. Le phénomène dépend beaucoup de la capacité des différents types déléments plus lourds à se combiner avec des éléments plus légers.

Vous devez également tenir compte du fait que la Terre a mis beaucoup de temps à se former et que limportance des différents phénomènes a peut-être changé au cours du cours de sa formation.

Prenez un verre deau et deux petites boules de même taille, une en fer et une en aluminium. Les deux atteindront finalement le fond, mais à cause de la flottabilité, le fer se déposera en premier.

La Terre a été découvert pour avoir un noyau interne solide distinct de son noyau externe liquide en 1936,

…..

On pense quil se compose principalement dun alliage fer-nickel et quil a approximativement la même température que la surface du Soleil: environ 5700 K (5400 ° C).

….

On pense que le noyau interne de la Terre être en croissance lente le noyau externe liquide à la frontière avec le noyau interne se refroidit et se solidifie en raison du refroidissement progressif de lintérieur de la Terre (environ 100 degrés Celsius par milliard dannées). De nombreux scientifiques sétaient initialement attendus à ce que, du fait que le noyau interne solide était à lorigine formé par un refroidissement progressif du matériau fondu, et quil continue de croître à la suite de ce même processus, le noyau interne serait homogène. Il a même été suggéré que le noyau interne de la Terre pourrait être un monocristal de fer. Cependant, cette prédiction a été réfutée par des observations indiquant quen fait il y a un certain désordre dans le noyau interne. Les sismologues ont constaté que le noyau interne nest pas complètement uniforme, mais contient à la place des structures à grande échelle telles que les ondes sismiques traversent plus rapidement certaines parties du noyau interne que dautres. En outre, les propriétés de la surface du noyau interne varient dun endroit à lautre sur des distances aussi petites que 1 km. Cette variation est surprenante, car les variations latérales de température le long de la limite interne du noyau sont connues pour être extrêmement faibles (cette conclusion est limitée par les observations du champ magnétique). Des découvertes récentes suggèrent que le noyau interne solide lui-même est composé de couches séparées par une zone de transition denviron 250 à 400 km dépaisseur. Si le noyau interne se développe par de petits sédiments gelés tombant à sa surface, alors un certain liquide peut également être piégé dans les espaces poreux et une partie de ce fluide résiduel peut encore persister à un certain degré dans une grande partie de son intérieur. id = « 1f454c148c »>

La loi de Newton stipule que le centre de la coquille sphérique ressent une gravité nulle. Ainsi, le centre très minuscule (en fait le point même) de la terre ressent une gravité zéro (à partir de la terre elle-même). Pensez-y de cette façon, chaque direction dans laquelle vous regardez est la même masse tirant radialement loin – la force de gravité séquilibre à zéro. Maintenant, déplacez-vous à 100 miles dans nimporte quelle direction à partir du centre. Vous avez maintenant une centaine de miles de matière qui nest plus dans la coque exerçant une traction déséquilibrée – la gravité prend effet et la séparation des choses commence à prendre place wi ème matériau plus dense tombant vers lintérieur et matériau plus léger flottant vers le haut. Plus vous vous éloignez du centre, plus la force de gravité déséquilibrée augmente et plus la séparation a lieu rapidement. Notez quavoir une traction gravitationnelle nulle au centre ne signifie pas une pression nulle. La pression de toutes les forces déséquilibrées sadditionne malgré les variations dattraction gravitationnelle. Ainsi, le centre de la terre ne ressent aucune attraction gravitationnelle, mais ressent la plus grande pression, tout cela en raison de la symétrie sphérique.

Je pense quune réponse simple est que la force du garçon est principalement responsable de la chute des éléments lourds au centre de la terre. Par exemple, un porte-avions flotte sur leau parce que le navire a beaucoup despace à lintérieur. Ainsi, si vous remplissez cet espace avec de leau puis le pesez, vous constaterez que le poids du navire sans leau est inférieur à la quantité deau quil déplace ou au poids de leau. Cela le rend plus léger que leau et il flotte. Les éléments lourds ont plus datomes dans une quantité despace donnée que les éléments plus légers, de sorte que les éléments lourds coulent tandis que les plus légers flottent sur le dessus et ainsi de suite.Une façon simple de penser au centre de la terre est que si vous vous trouvez là-bas, toutes les directions du centre sont vers le haut et la force serait la même dans toutes les directions pour quelle sannule, vous laissant en apesanteur.

Je « nai que 14 ans, et je vais essayer de répondre à la question en fonction de ma compréhension.

Premier de tout, la gravité, étant une force et donc un vecteur, sannulerait dans le noyau, car elle dépend non seulement de lamplitude de la force relative mais aussi de sa direction, cest-à-dire quun vecteur montant sannulerait avec un vecteur descendant , et ainsi de suite. Mais …..

Si nous devions sculpter une coquille pour nous-mêmes au centre de la terre (reportez-vous au théorème de la coquille), nous ferions lexpérience de lapesanteur à lintérieur de la coquille jusquà ce que nous soyons Ce serait une expérience de gravité zéro. Selon votre question, si le noyau était fait déléments plus lourds, cela naffecterait que la force gravitationnelle que nous expérimentons en dehors de tha t shell.

Donc, peu importe si le noyau est composé de fer ou de tungstène. Le noyau est composé de ce quil est et de cette nature. Vous devez être familier avec lhistoire de la terre, comment elle a été formée. La gravité ne serait en aucun cas avec ce dont notre noyau était composé.

Mais le vrai problème serait celui du champ magnétique. Le fer est un superbe aimant (lorsquil est magnétisé ou trouvé sous forme daimant). Cétait et est le seul supporteur de notre champ magnétique. Je ne connais pas beaucoup dautres éléments, mais un élément plus lourd ne serait certainement pas en mesure de soutenir notre champ magnétique. Sil le pouvait, il serait soit trop fort, soit trop faible pour retenir le « rayonnement cosmique » du soleil. faibles, les radiations nous décimeraient. Si elles étaient trop fortes, la même chose se produirait.

Une loi fondamentale de la physique énoncée par Newton est que toutes les particules sattirent, même si elles sont si petites (La constante gravitationnelle) que nous ne pouvons voir la force de gravité que pour les corps célestes (les planètes et les étoiles, et ainsi de suite). Donc, au cœur, nous ferions lexpérience de la gravité, mais pas dans la coquille que nous créerions, où le théorème de la coquille sappliquerait. / p>

Donc, en bref, la nature a fait notre noyau et nous ne pouvons pas le changer. Nous navons jamais connu (et jespère que nous ne le ferons jamais) un changement dans la composition du noyau. Quant à la question, je crois il ny aurait aucun effet sur la gravité au cœur si les éléments le composant étaient différents. Mais cela pourrait certainement rendre lattraction gravitationnelle que nous expérimentons différente. Cela pourrait même rendre notre planète habitable.

Jespère que cela aide.

Commentaires

• Votre réponse semble se résumer à la statement  » Donc, cela naurait ‘ pas dimportance si le noyau était composé de fer ou de tungstène. Le noyau est constitué de ce quil est et de la nature de ‘.  » qui est une dérobade complète et ne ‘ t répondre du tout à la vraie question.
• @BrandonEnright Non, cette réponse nest pas si superficielle. Le raisonnement est comme  » pas de fer dans le noyau = > pas de champ magnétique = > pas de vie = > contradiction; par conséquent, il doit y avoir du fer dans le noyau « . Cependant, selon la théorie Dynamo , le fer nest pas nécessaire; nimporte quel liquide électriquement conducteur ferait laffaire. Cela comprend le tungstène, leau et l hydrogène métallique .