Se la gravità al centro della Terra è zero, perché ci sono elementi pesanti come il ferro?

Dimentica la forza. La forza è un po irrilevante qui. La risposta a questo questione sta nellenergia, termodinamica, pressione, temperatura, chimica e fisica stellare.

Energia potenziale e forza vanno di pari passo. La forza gravitazionale ad un certo punto allinterno della Terra è la velocità con cui lenergia potenziale gravitazionale cambia rispetto alla distanza. La forza è il gradiente di energia. Lenergia potenziale gravitazionale è più bassa al centro della Terra.

È qui che entra in gioco la termodinamica. Il principio dellenergia potenziale totale minima è una conseguenza della seconda legge della termodinamica . Se un sistema non è nel suo stato di energia potenziale minima e cè “un percorso per quello stato, il sistema proverà a seguire quel percorso. Un pianeta con ferro e nichel (e altri elementi densi) ugualmente mescolati con elementi più leggeri non è la condizione energetica potenziale minima. Per ridurre al minimo lenergia potenziale totale, il ferro, il nichel e altri elementi densi dovrebbero essere al centro di un pianeta, con elementi più leggeri al di fuori del nucleo.

Deve esistere un percorso verso quello stato di energia potenziale minima, ed è qui che entrano in gioco pressione, temperatura e chimica. Questi sono ciò che crea le condizioni che consentono alla seconda legge della termodinamica di differenziare un pianeta. Come controesempio, luranio è piuttosto denso, ma tuttavia luranio è impoverito nel nucleo terrestre, leggermente impoverito nel mantello terrestre e fortemente potenziato nella crosta terrestre. La chimica è importante!

Luranio è chimicamente abbastanza reattivo. Ha una forte affinità per combinarsi con altri elementi. Luranio è un litofilo (” amante del rock ” ) secondo la classificazione Goldschmidt degli elementi. In effetti, luranio è un ” elemento incompatibile ” , che spiega labbondanza relativa di uranio nella crosta terrestre.

Nichel, cobalto, manganese , e il molibdeno, insieme ai metalli più estremamente rari e preziosi come oro, iridio, osmio, palladio, platino, renio, rodio e rutenio, sono chimicamente piuttosto inerti, ma si dissolvono facilmente nel ferro fuso. Questi (insieme al ferro stesso) sono gli elementi siderofili (amanti del ferro). In effetti, il ferro non è così siderofilo come i metalli preziosi. Si arrugginisce (fare il ferro è un po litofilo) e si combina facilmente con lo zolfo (rendendo il ferro un po calcofilo).

È qui che entrano in gioco la pressione e la temperatura. La pressione e la temperatura sono estremamente elevate allinterno della Terra. Lalta pressione e lalta temperatura costringono il ferro a cedere i suoi legami con altri composti. Quindi ora abbiamo ferro e nichel puri, più tracce di metalli preziosi, e la termodinamica vuole moltissimo che quegli elementi densi si depositino verso il centro. Le condizioni adesso sono giuste perché ciò accada, ed è esattamente quello che è successo poco dopo la formazione della Terra.

Infine, cè la fisica stellare. La Terra avrebbe un minuscolo nucleo di elementi rari ma densi se il ferro e il nichel fossero rari come loro e il platino. Non è così. Il ferro e il nichel sono elementi sorprendentemente abbondanti nelluniverso. Cè una tendenza generale che gli elementi più pesanti siano meno abbondanti. Il ferro (e, in misura minore, il nichel) sono due eccezioni a questa regola; vedere il grafico sotto. Ferro e nichel sono il punto in cui si ferma il processo alfa nella fisica stellare. Tutto ciò che è più pesante del ferro richiede processi esotici come il processo s o quelli che si verificano in una supernova per crearli. Inoltre, le supernove, in particolare le supernove di tipo Ia, sono prolifici produttori di ferro.Nonostante le loro masse relativamente pesanti, il ferro e il nichel sono elementi piuttosto abbondanti nel nostro universo che invecchia.

_{(fonte: virginia.edu )}

Commenti

• Limmagine, che inizia almeno con $ \ mathrm {Sn} $, ha numeri atomici (o nomi di elementi) incasinati.
• Isn ‘ è solo che ciò che è etichettato Sn, dovrebbe essere Cd? Penso che gli altri stiano bene.
• Quella ‘ è unimmagine di Wikipedia. Ho quello per cui ho pagato. Tin (Sn) dovrebbe semplicemente essere spostato in modo che ‘ s dopo lindium (In) anziché prima.
• Dovè quella cifra su Wikipedia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . ‘ sostituirò limmagine wiki con una più affidabile.

Ecco un interessante esperimento mentale.

Immagina di avere un pozzo dellascensore al centro della Terra che, per qualche strana ragione, non influenza il campo gravitazionale della Terra e non “Inondare di magma.

OK, ora sulla superficie della Terra prendi una bottiglia, mezza piena di olio e metà piena dacqua.Lacqua è più densa dellolio, quindi la forza di gravità sullacqua è maggiore della forza di gravità sullolio … quindi lacqua scende sul fondo e lolio galleggia sopra.

Ora, scendi dal pozzo dellascensore. La gravità è più debole o più forte qui? Beh, per la nostra bottiglia di olio non ha molta importanza. Qualunque sia la gravità, produce comunque una forza maggiore sullacqua rispetto allolio, quindi lacqua affonderà sempre.

In termini di materiali che galleggiano o affondano rispetto ad altri materiali, non importa dove la gravità è forte o debole, ciò che conta è solo la direzione della gravità.

Allora perché la Terra non è una grande sfera di materiali stratificati in base alla densità? Beh … in gran parte lo è. Il ferro (7.870 kg / m ^ 3) è più denso del magma (~ 2.500 kg / m ^ 3) è più denso dellacqua (1000 kg / m ^ 3) è più denso rispetto allazoto (~ 1 kg / m ^ 3) … e questo è lordine in cui generalmente li trovi.

E le eccezioni? Perché cè oro (19.300 kg / m ^ 3) e ferro nella crosta terrestre … Suggerisco il post di David Hammen.

Proverò a fare una risposta molto approssimativa per tua madre (come richiesto), supponendo la Terra sferica e molte altre approssimazioni. Non sono esperto di geofisica o fisica stellare. e se vuoi dettagli o maggiore accuratezza, ti suggerisco di guardare altre risposte, come quella di David Hammen e altri.

Sulla gravità

Prima di tutto riguardo alla gravità. Cè gravità al centro della Terra e, in caso contrario, perché dovrebbe essere attratto qualcosa lì?

Un esercizio di base quando si studia la gravità è calcolare la forza di gravità allinterno di un guscio sferico di materia vuoto (come il gomma di una palla da basket). La risposta è: non cè gravità prodotta dal guscio sferico allinterno del guscio, sebbene allesterno ci sia gravità prodotta dal guscio.

Se ora consideri una shere piena di materia, un raggio di 6371 km ( come la terra), e un punto a 5000 km dal centro, puoi scomporlo in una sfera piena di 5000 km di raggio e attorno ad essa un guscio sferico con 1371 km di spessore. Il guscio sferico non causa gravità, quindi tutta la gravità da osservare è quella prodotta dalla sfera del raggio di 5000 km.

Ciò è effettivamente vero per qualsiasi raggio, così che, al centro di Terra, cioè con un raggio di 0 km, non cè più nulla per produrre gravità poiché tutta la materia è nel “guscio”.

Ma non importa troppo perché cè una certa gravità verso il centro appena ci si allontana dal centro, ma debole quando è vicino al centro, così che con il tempo la materia più pesante tenderà ad affondare fino in fondo, cioè al centro.

Poi cè la questione di ciò che è più pesante.

Di cosa è fatta la Terra

La materia originale nelluniverso (non risalente al Big Bang però) è composta principalmente da elementi molto leggeri, per lo più idrogeno. Le stelle si formano per accrescimento di questa materia sotto le forze gravitazionali e iniziano a fonderla (reazione nucleare) in elementi più pesanti, producendo energia che percepiamo (in parte) come luce. Tendono a produrre molti elementi come il ferro (e altri che intorno al “centro” della tavola degli elementi, perché questi hanno il nucleo atomico più stabile da cui si può estrarre poca energia, così che le stelle muoiono (in vari modi) quando hanno trasformato la loro materia in tali elementi. Lesplosione finale di alcune stelle (supernovae) produce elementi più pesanti, ma non in quantità così grande. Questo (molto grossolanamente) spiega perché il ferro (e alcuni altri elementi) tendono ad essere disponibili in quantità maggiore .

Perché la materia non è stratificata per densità.

Anche in questo caso non sono un esperto, perché cè una varietà di fenomeni che sono allopera. Ecco due esempi.

In effetti, poiché almeno una parte del pianeta è in qualche modo fluida, ci si potrebbe aspettare che i componenti pesanti affondino. Ma cè molto calore prodotto allinterno del pianeta, dovuto in particolare alla radioattività, e questo calore produce convezione (e quindi continentale Convezione significa movimento, spostamento di materia intorno, che è più un dy aspetto namico.

Un altro fenomeno è che gli elementi chimici sono raramente puri. Si combinano fisicamente o chimicamente per creare compositi che hanno proprietà fisiche diverse. Un composto formato da un elemento pesante e uno leggero può essere abbastanza leggero e far galleggiare il componente pesante verso la superficie del pianeta, la parte più leggera che svolge il ruolo di una boa. Quindi, sebbene luranio sia molto più pesante del ferro, i compositi di uranio con elementi più leggeri possono essere trovati sulla superficie del pianeta, o molto vicino ad esso. Il fenomeno dipende molto dalla capacità dei diversi tipi di elementi più pesanti di combinarsi con quelli più leggeri.

Bisogna anche tenere conto che la Terra ha impiegato molto tempo per formarsi e limportanza dei diversi fenomeni potrebbe essere cambiata nel corso del corso della sua formazione.

Prendi un bicchiere dacqua e due palline, della stessa misura, una di ferro e una di alluminio. Entrambi raggiungeranno il fondo finalmente, ma a causa della galleggiabilità il ferro si stabilizzerà per primo.

La Terra è stato scoperto per avere un nucleo interno solido distinto dal suo nucleo esterno liquido nel 1936,

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Si ritiene che sia costituito principalmente da una lega di ferro-nichel e abbia approssimativamente la stessa temperatura della superficie del Sole: circa 5700 K (5400 ° C).

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Si pensa che il nucleo interno della Terra facendo crescere lentamente il nucleo esterno liquido al confine con il nucleo interno si raffredda e si solidifica a causa del graduale raffreddamento dellinterno della Terra (circa 100 gradi Celsius per miliardo di anni). Molti scienziati inizialmente si aspettavano che, poiché il nucleo interno solido era originariamente formato da un raffreddamento graduale di materiale fuso e continua a crescere come risultato di quello stesso processo, il nucleo interno sarebbe risultato omogeneo. È stato persino suggerito che il nucleo interno della Terra potrebbe essere un singolo cristallo di ferro. Tuttavia, questa previsione è stata smentita da osservazioni che indicano che in realtà cè un grado di disordine allinterno del nucleo interno. I sismologi hanno scoperto che il nucleo interno non lo è. completamente uniforme, ma contiene invece strutture su larga scala tali che le onde sismiche passano più rapidamente attraverso alcune parti del nucleo interno che attraverso altre. Inoltre, le proprietà della superficie del nucleo interno variano da luogo a luogo su distanze piccole come 1 km. Questa variazione è sorprendente, poiché è noto che le variazioni di temperatura laterali lungo il confine del nucleo interno sono estremamente piccole (questa conclusione è vincolata con sicurezza dalle osservazioni del campo magnetico). Recenti scoperte suggeriscono che il nucleo interno solido stesso sia composto da strati, separati da una zona di transizione di circa 250-400 km di spessore. Se il nucleo interno cresce a causa di piccoli sedimenti congelati che cadono sulla sua superficie, allora un po di liquido può anche essere intrappolato negli spazi dei pori e una parte di questo fluido residuo può ancora persistere in una piccola misura in gran parte del suo interno.

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La Terra “Il nucleo interno è una sfera di ferro solido delle dimensioni della nostra luna. Questa sfera è circondata da un nucleo esterno altamente dinamico di una lega di ferro-nichel liquido (e alcuni altri elementi più leggeri), un materiale altamente viscoso mantello e una solida crosta che forma la superficie in cui viviamo.

Nel corso di miliardi di anni, la Terra si è raffreddata dallinterno verso lesterno causando il congelamento e la solidificazione del nucleo di ferro fuso. Il nucleo interno è stato successivamente cresce al ritmo di circa 1 mm allanno quando i cristalli di ferro si congelano e formano una massa solida.

Il calore emesso quando il nucleo si raffredda fluisce dal nucleo al mantello alla crosta terrestre attraverso un processo noto come convect ione. Come una pentola dacqua che bolle su una stufa, le correnti di convezione spostano il mantello caldo in superficie e rimandano il mantello freddo al nucleo. Questo calore in fuga alimenta la geodinamo e insieme alla rotazione della Terra genera il campo magnetico.

Quindi da questo vediamo che il nucleo interno solido si è lentamente costruito dal nucleo esterno liquido . È nel nucleo esterno che le composizioni differenziano gli elementi più pesanti che precipitano dal liquido nel campo gravitazionale, che nasce dal nucleo interno.

Estrapolando da osservando il raffreddamento del nucleo interno, si stima che lattuale nucleo interno solido si sia formato approssimativamente da 2 a 4 miliardi di anni fa da quello che originariamente era un nucleo interamente fuso. Se fosse vero, ciò significherebbe che il solido nucleo interno della Terra non è una caratteristica primordiale che era presente durante la formazione del pianeta, ma una caratteristica più giovane della Terra (la Terra ha circa 4,5 miliardi di anni).

Consideriamo quindi il periodo in cui il nucleo interno ed esterno erano liquidi. Più vicino al centro del campo gravitazionale, minore è la forza gravitazionale, ma il volume rispetto alla massa * avrebbe comunque lo stesso ruolo nel liquido, concentrando il più pesante al centro, formando i primi semi per il nucleo quando il sistema si raffreddava.

perché il nucleo non è dominato dagli elementi più pesanti (elementi più pesanti del ferro)?

Ora il motivo per cui il nucleo è ferro / nichel è dovuto alla curva di energia di legame degli elementi.

Energia di legame per nucleone di isotopi comuni

Laccumulo di elementi più pesanti nei processi di fusione nucleare nelle stelle è limitato agli elementi al di sotto del ferro, poiché la fusione del ferro sottrarrebbe energia piuttosto che fornirla. Il ferro-56 è abbondante nei processi stellari e con unenergia di legame per nucleone di 8,8 MeV, è il terzo più strettamente legato dei nuclidi. La sua energia di legame media per nucleone è superata solo da 58Fe e 62Ni, lisotopo del nichel è il più strettamente legato dei nuclidi.

È qui che si ferma la fusione essere energeticamente favorevoli. Nel modello Big Bang dove una zuppa primordiale finisce nelle creazioni per fusione di nuclei, il modello si ferma nella parte superiore della curva.

Sintesi nucleare per gli elementi pesanti procede nelle esplosioni di supernove:

Gli elementi sopra il ferro nella tavola periodica non possono essere formati nei normali processi di fusione nucleare nelle stelle. Fino al ferro, la fusione produce energia e quindi può procedere. Ma poiché il ” gruppo del ferro ” è al culmine della curva di energia di legame, la fusione di elementi al di sopra del ferro assorbe drasticamente energia. (Il nuclide 62Ni è il nuclide più strettamente legato, ma non è così abbondante come 56Fe nei nuclei stellari, quindi la discussione astrofisica si concentra generalmente sul ferro.) In realtà, 52Fe può catturare un 4He per produrre 56Ni ma questo è lultimo passo nella catena di cattura dellelio.

Dato un flusso di neutroni in una stella massiccia, è possibile produrre isotopi più pesanti dalla cattura di neutroni. …

In conclusione:

I livelli contenenti gli elementi pesanti possono essere spazzati via dallesplosione di una supernova e fornire la materia prima di elementi pesanti nelle lontane nubi di idrogeno che si condensano per formare nuove stelle.

Perché il gli elementi più pesanti sono molto più rari e provengono da un passaggio secondario come unesplosione di una stella, le condizioni specifiche della formazione della nostra stella, il sole, e le creazioni dei pianeti intorno ad esso mostrano che la terra, ha elementi più pesanti del ferro accumulati in un secondo livello alla materia originale che si è coalizzata al suo nucleo. Le abbondanze sono molto piccole

gli elementi naturalmente radioattivi più pesanti , torio e uranio, costituiscono rispettivamente 8,5 parti per milione e 1,7 parti per milione. Alcuni degli elementi più rari sono anche i più densi; questi sono i metalli del gruppo del platino, compreso losmio a 50 parti per trilione, il platino a 400 parti per trilione e liridio a 50 parti per trilione.

e non essere rilevabile con i metodi sismografici che studiano il nucleo interno ed esterno.

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• volume alla massa per tutti gli elementi può essere visto qui

La legge di Newton afferma che il centro del guscio sferico sente gravità zero. Quindi il minuscolo centro (in realtà il punto stesso) della terra sente gravità zero (dalla terra stessa). Pensala in questo modo, ogni direzione in cui guardi cè la stessa massa che tira radialmente lontano: la forza di gravità si bilancia a zero. Ora spostati a 100 miglia in qualsiasi direzione dal centro. Ora hai cento miglia di materia non più nel guscio che esercita unattrazione sbilanciata: la gravità ha effetto e la separazione delle cose inizia a prendere posto wi materiale più denso che cade verso linterno e materiale più leggero che galleggia verso lalto. Più ci si allontana dal centro, maggiore diventa la forza di gravità sbilanciata e più velocemente avviene la separazione. Si noti che avere unattrazione gravitazionale zero al centro non significa pressione zero. La pressione di tutte le forze sbilanciate si somma nonostante le variazioni dellattrazione gravitazionale. Quindi il centro della terra non sente lattrazione gravitazionale, ma la pressione maggiore, tutto a causa della simmetria sferica.

Penso che una risposta semplice sia che la forza boyant è principalmente responsabile dellaffondamento di elementi pesanti al centro della terra. Ad esempio una portaerei galleggia sullacqua perché la nave ha molto spazio al suo interno. Quindi, se riempissi questo spazio con acqua e poi lo pesassi, scopriresti che il peso della nave senza lacqua è inferiore alla quantità di acqua che sposta o al peso dellacqua. Questo lo rende più leggero dellacqua e galleggia. Gli elementi pesanti hanno più atomi in una data quantità di spazio rispetto agli elementi più leggeri, quindi gli elementi pesanti affondano mentre quelli più leggeri galleggiano sopra e così via.Un modo semplice di pensare al centro della terra è che se ti trovi lì, ogni direzione dal centro è in alto e la forza sarebbe la stessa da tutte le direzioni, quindi si annullerebbero lasciandoti senza peso.

Ho solo 14 anni e cercherò di rispondere alla domanda in base alla mia comprensione.

Prima di tutto, la gravità, essendo una forza e quindi un vettore, si annullerebbe nel nucleo, poiché non dipende solo dalla grandezza della forza relativa ma anche dalla sua direzione, cioè un vettore che va verso lalto si annulla con un vettore che va verso il basso e così via. Ma …..

Se dovessimo scolpire un guscio per noi stessi al centro della terra (fare riferimento al teorema del guscio), sperimenteremmo lassenza di gravità allinterno del guscio finché non siamo in esso. Ciò significherebbe sperimentare gravità zero. Secondo la tua domanda, se il nucleo fosse fatto di elementi più pesanti, influenzerebbe solo la forza gravitazionale che sperimentiamo al di fuori del t shell.

Quindi, non avrebbe importanza se il nucleo fosse costituito da ferro o tungsteno. Il nucleo è costituito da ciò che è e da quella natura. Devi avere familiarità con la storia della terra, come si è formata. La gravità non avrebbe alcun effetto con ciò di cui è composto il nostro nucleo.

Ma il vero problema sarebbe il campo magnetico. Il ferro è un magnete eccellente (quando magnetizzato o trovato come magnete). Era ed è lunico sostenitore del nostro campo magnetico. Non conosco molti altri elementi, ma un elemento più pesante non sarebbe certamente in grado di sostenere il nostro campo magnetico. Se potesse, sarebbe troppo forte o troppo debole per trattenere la “radiazione cosmica” del sole. deboli, le radiazioni ci decimerebbero. Se troppo forti, accadrebbe lo stesso.

Una legge fondamentale della fisica affermata da Newton è che tutte le particelle si attraggono, tuttavia è così piccola (La costante gravitazionale) che possiamo vedere la forza di gravità solo per i corpi celesti (i pianeti e le stelle e così via). Quindi al centro, sperimenteremmo la gravità, ma non nel guscio che creeremmo, dove si applicherebbe il teorema del guscio.

Quindi, in breve, la natura ha creato il nostro nucleo e non possiamo cambiarlo. Non abbiamo mai sperimentato (e spero che non lo faremo mai) un cambiamento nella composizione del nucleo. Per quanto riguarda la domanda, credo non ci sarebbe alcun effetto sulla gravità al centro se gli elementi che lo compongono fossero diversi. Ma potrebbe certamente rendere diversa lattrazione gravitazionale che sperimentiamo. Potrebbe persino rendere il nostro pianeta abitabile.

Spero che questo aiuti.

Commenti

• La tua risposta sembra ridursi al istruzione ” Quindi, ‘ non importa se il nucleo è costituito da ferro o tungsteno. Il nucleo è costituito da ciò che è e da quella ‘ natura. ” che è una soluzione completa e non ‘ t rispondere alla domanda effettiva.
• @BrandonEnright No, questa risposta non è così superficiale. Il ragionamento è come ” no iron in the core = > no Magnetic Field = > no life = > contraddizione; pertanto, deve esserci ferro nel nucleo “. Tuttavia, secondo la teoria della dinamo , il ferro non è richiesto; qualsiasi liquido elettricamente conduttivo andrebbe bene. Ciò include tungsteno, acqua e idrogeno metallico .