地球の中心の重力がゼロの場合、なぜそこに鉄のような重い元素があるのでしょうか？

力を忘れてください。力はここでは少し無関係です。これに対する答えは、問題は、エネルギー、熱力学、圧力、温度、化学、および恒星の物理学にあります。

位置エネルギーと力は密接に関係しています。地球内部のある時点での重力は、重力ポテンシャルエネルギーが距離に対して変化する速度です。力はエネルギーの勾配です。重力ポテンシャルエネルギーは、地球の中心で最も低くなります。

ここで、熱力学が作用します。最小総ポテンシャルエネルギーの原理は、熱力学の第2法則の結果です。システムが最小位置エネルギー状態になく、その状態への経路がある場合、システムはその経路をたどろうとします。鉄とニッケル（および他の高密度元素）がより軽い元素と等しく混合されている惑星は、最小の位置エネルギー条件ではありません。総ポテンシャルエネルギーを最小化するには、鉄、ニッケル、およびその他の高密度元素を惑星の中心に配置し、コアの外側に軽い元素を配置する必要があります。

その最小ポテンシャルエネルギー状態への経路が存在する必要があります。ここで、圧力、温度、および化学的性質が作用します。これらは、熱力学の第二法則が惑星を区別することを可能にする条件を作り出すものです。反例として、ウランはかなり密度が高いが、それでもウランは地球の核で枯渇し、地球のマントルでわずかに枯渇し、地球の地殻で強く増強されている。化学は重要である！

ウランは化学的にかなり反応性があります。他の要素と結合する強い親和性があります。ウランは親油性です（”岩を愛する” ）要素のゴールドシュミット分類ごとの要素。実際、ウランは “互換性のない要素” 。これは、地球の地殻内のウランの相対的な存在量を説明しています。

ニッケル、コバルト、マントル、およびモリブデンは、金、イリジウム、オスミウム、パラジウム、プラチナ、レニウム、ロジウム、ルテニウムなどの最も希少で貴重な金属とともに、化学的にはかなり不活性ですが、溶融鉄に容易に溶解します。これらは（鉄自体とともに）親鉄性（鉄を愛する）元素です。実際、鉄は貴金属ほど親油性ではありません。それは錆び（鉄を作ることは少し親油性です）、硫黄と容易に結合します（鉄を少し好塩性にします）。

ここで圧力と温度が作用します。地球内部の圧力と温度は非常に高いです。高圧および高温により、鉄は他の化合物との結合を放棄します。これで、純粋な鉄とニッケルに加えて、微量の貴金属ができました。熱力学では、これらの高密度元素を中心に向けて定着させたいと考えています。現在、それが起こるための条件は正しいです、そしてそれはまさに地球が形成された直後に起こったことです。

最後に、恒星物理学があります。鉄とニッケルが金とプラチナと同じくらい希少であるならば、地球は希少であるが密な元素の小さな小さなコアを持っているでしょう。そうではありません。鉄とニッケルは宇宙に驚くほど豊富な元素です。重い元素は一般的に少なくなる傾向があります。鉄（および程度は少ないがニッケル）は、この規則の2つの例外です。下のグラフを参照してください。鉄とニッケルは、恒星物理学のアルファプロセスが停止する場所です。鉄より重いものはすべて、 s-process や超新星などのエキゾチックなプロセスを必要とします。 a>それらを作成します。さらに、超新星、特にIa型超新星は、鉄を大量に生産しています。比較的重い質量にもかかわらず、鉄とニッケルは私たちの老朽化した宇宙に非常に豊富な元素です。

_{（出典： virginia.edu ）}

コメント

• 少なくとも$ \ mathrm {Sn} $で始まる画像では、原子番号（または要素名）がめちゃくちゃになっています。
• Isn ‘ Snとラベル付けされているものは、Cdである必要がありますか？他は大丈夫だと思います。
• それは’ウィキペディアの画像です。私は私が支払ったものを手に入れました。スズ（Sn）は、インジウム（In）の前ではなく後の’になるように単純にシフトする必要があります。
• ウィキペディアのその数字はどこにありますか？
• @ PeterMortensen- en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png 。 ‘そのwiki画像をより信頼性の高い画像に置き換えます。

ここで区別する2つの異なる量があります：重力と重力井戸です。地球の中心では、重力はゼロですが、重力井戸は最も深いところにあります。重い要素は重力井戸の最下点に移動する傾向があるため、力がゼロであっても中央にあります。

ここでボールを地球の表面に落とすと、約$ 10 \、\ mathrm {m / s ^ 2} $で下向きに加速します。これは、重力がそれを引き下げるためです。重力は物事を地球の中心に向かって引き寄せます。高くなるにつれて、重力は弱くなります。高層ビルを上ると重力は数千分の1パーセント下がりますが、宇宙に出て行くと、たとえば月までははるかに弱くなり、最終的にはほとんど気付かないほど弱くなります。

地球に降りると、地球の中心にある重いものに近づくため、重力が強くなります。ただし、何千マイルも降りると（地球の質量の大部分が現在あなたの上にあり、もはやあなたを中心に向かって引き下げていないので、私たちが今日行く技術をはるかに超えて）、重力は弱まり始めます。そのため、重力は中心に向かって途中で最大になり、その後消え始めます。真ん中は、四方から同じ質量で引っ張られているので、重力はゼロで、すべてキャンセルされます。そこに部屋を建てれば、自由に浮かぶことができます。つまり、それはつまり、地球の中心では重力はゼロです。

しかし、重力井戸は別の話です。これは、地球から脱出するのにどれだけのエネルギーが必要かについてです。 「地球の表面にいる場合、これは1キログラムあたり約6000万ジュールです。上昇するにつれて、それはますます小さくなります。非常に遠くに出ると、十分に離れると、実質的にゼロになります。」地球の引力はごくわずかです。

地球の奥深くに降りると、重力の井戸にどんどん深く入ります。「地球の奥深くにいて、引力がない場合でも、非常に強く、さらに下に行くと、地球の重力井戸の奥深くに移動します。

重力と重力井戸は相互に関連しています。力は、井戸が深くなる速度です。地球の奥深くに入るが、中心ではないので、重力は小さい。つまり、さらに下に移動すると、重力井戸の奥深くになりますが、徐々にだけです。井戸の傾斜は浅いですが、それでも深くなります。 。

大まかに言えば、地球のような惑星の要素は、それらのエネルギーを最小化しようとしますgy。彼らは、重力井戸にできるだけ深く入り込むことによってこれを行います。なぜなら、井戸に深く入るほど、エネルギーが低下するからです。ただし、すべてが真ん中に収まるわけではないため、井戸の深い部分はいっぱいになります。エネルギーは、鉄のような重いものを中央に置き、軽いものを上に置くことによって最小限に抑えられます。

これは、平衡状態で起こることであり、地球の完全な説明にはほど遠いです。ゼロ温度で、それは地球ではありませんが、それは地球で起こっていることのまともな大まかな近似です。

つまり、あなたの答えは、重力は中心でゼロですが、重力エネルギーはそこで最も低いということです、そして重いものは重力エネルギーが最も低いところに行くので、「地球の中心がほとんど重いものである理由です。

これは興味深い思考実験です。

地球の中心にエレベーターシャフトがあり、奇妙な理由で地球の重力場に影響を与えず、影響を与えないとします。 「マグマで溢れかえらないでください。

OK、今地球にいます」表面にボトルがあり、半分は油で、半分は水で満たされています。水は油よりも密度が高いので、水にかかる重力は油にかかる重力よりも大きくなります…したがって、水は底に沈み、油は上に浮きます。

さあ、エレベーターシャフトを下ってください。ここでは重力が弱いですか、強いですか？ええと、私たちのオイルのボトルにとって、それは実際には重要ではありません。重力が何であれ、それはオイルよりも水に大きな力を生み出すので、水は常に沈みます。

他の物質と比較して浮いたり沈んだりする物質の場合、重力が強い場所と弱い場所は関係ありません。重要なのは重力の方向だけです。

では、なぜ地球は大きな球ではないのですか？密度で層状になっている物質の数？ええと…大体そうです。鉄（7,870 kg / m ^ 3）はマグマ（〜2,500 kg / m ^ 3）よりも密度が高く水（1000 kg / m ^ 3）よりも密度が高い窒素より（〜1 kg / m ^ 3）…そしてそれはあなたが一般的にそれらを見つける順序です。

例外はどうですか？地球の地殻に金（19,300 kg / m ^ 3）と鉄があるのはなぜですか… DavidHammenの投稿をお勧めします。

おおよその回答をお母さんに（リクエストに応じて）作成しようと思います。地球の球形、および他のいくつかの近似。私は地球物理学や恒星物理学の専門家ではありません。詳細や精度を高めたい場合は、DavidHammenなどの他の回答を参照することをお勧めします。

重力について

まず重力について。地球の中心に重力がありますか？そうでない場合、なぜそこに何かを引き付ける必要がありますか？

重力を研究するときの基本的な演習は、空の球殻内の力の重力を計算することです（バスケットボールのゴム）。答えは次のとおりです。シェルの内側の球殻によって生成される重力はありませんが、シェルによって生成される外側の重力はあります。

ここで、物質で満たされたシアーを考えると、半径6371 km（地球のように）、中心から5000 kmの地点で、半径5000 kmの完全な球と、その周りの1371kmの厚さの球殻に分解できます。球形のシェルは重力を発生させないため、観測される重力は、半径5000kmの球によって生成される重力だけです。

これは実際にはどの半径にも当てはまります。したがって、地球、つまり半径0 kmの場合、すべての物質が「シェル」内にあるため、重力を生成するものは何も残っていません。

しかし、中心に向かってある程度の重力があるため、それほど重要ではありません。中心から少し離れるとすぐに、中心に近づくと弱くなります。そのため、時間の経過とともに、重い物質は底、つまり中心に沈む傾向があります。

何が重いかという問題。

地球は何を作っているのか

宇宙の元の物質（ビッグバンには戻らない）は、ほとんどが非常に軽い元素で構成されています。水素。星は重力の下でこの物質の降着によって形成され、それをより重い元素に融合（核反応）し始め、私たちが（部分的に）光として知覚するエネルギーを生成します。それらは鉄のような多くの元素を生成する傾向があります（そして元素の表の「中央」の周りにある他の元素は、エネルギーをほとんど抽出できない最も安定した原子核を持っているため、星は（さまざまな方法で）死にます）いくつかの星（超新星）の最終爆発は、より重い元素を生成しますが、それほど多くはありません。これは、鉄（および他のいくつかの元素）がより多く利用できる傾向がある理由を（非常に大まかに）説明しています。 。

物質が密度によって階層化されていないのはなぜですか。

さまざまな現象が働いているため、私は専門家ではありません。ここに2つの例があります。

確かに、惑星の少なくとも一部はやや流動的であるため、重い成分が沈むことが予想されますが、特に放射能のために惑星内で多くの熱が発生し、この熱は対流（したがって大陸）を生成しますドリフト）。対流とは、動き、物質の動きを意味します。ナミックな側面。

もう1つの現象は、化学元素がほとんど純粋でないことです。それらは物理的または化学的に結合して、異なる物理的特性を持つ複合材料を作成します。重い元素と軽い元素で形成された化合物は、かなり軽く、重い成分を惑星の表面に向かって浮かせることができ、軽い部分はブイの役割を果たします。したがって、ウランは鉄よりもはるかに重いですが、より軽い元素を含むウラン複合体は、惑星の表面またはそれに非常に近い場所にあります。この現象は、さまざまな種類の重い元素と軽い元素を組み合わせる能力に大きく依存します。

地球が形成されるまでに長い時間がかかり、さまざまな現象の重要性が変化した可能性があることも考慮する必要があります。その形成の過程。

コップ1杯の水と同じサイズの2つの小さなボール（1つは鉄と1つはアルミニウム）を用意します。両方とも最終的に底に到達しますが、浮力のために鉄が最初に落ち着きます。

地球 1936年に、液体の外核とは異なる固体の内核を持つことが発見されました。

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主に鉄とニッケルの合金で構成されており、太陽の表面とほぼ同じ温度である約5700 K（5400°C）であると考えられています。

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地球の内核は地球の内部が徐々に冷却されるため（10億年あたり約100℃）、内核との境界で液体の外核がゆっくりと成長し、冷えて固まります。多くの科学者は当初、固体の内核は元々溶融材料の段階的な冷却によって形成され、同じプロセスの結果として成長し続けるため、内核は均質であることがわかると予想していました。地球の内核は鉄の単結晶である可能性も示唆されていましたが、この予測は、実際には内核内にある程度の無秩序があることを示す観測によって反証されました。地震学者は、内核はそうではないことを発見しました。完全に均一ですが、代わりに、地震波が内核の一部を他の部分よりも速く通過するような大規模な構造が含まれています。さらに、内核の表面の特性は、場所によって異なります。 1キロ。内核境界に沿った横方向の温度変化は非常に小さいことが知られているので、この変化は驚くべきものです（この結論は磁場観測によって自信を持って制約されています）。最近の発見は、固体の内核自体が層で構成されており、厚さ約250〜400kmの遷移帯によって分離されていることを示唆しています。小さな凍結堆積物がその表面に落下することによって内部コアが成長する場合、一部の液体も細孔空間に閉じ込められる可能性があり、この残留流体の一部は、その内部の大部分にまだある程度残っている可能性があります。

….

地球「内核は、私たちの月と同じくらいの大きさの固体鉄の球です。この球は、液体の鉄ニッケル合金（および他のいくつかのより軽い要素）の非常に動的な外核に囲まれています。マントルと私たちの住む表面を形成する固い地殻。

何十億年もの間、地球は内側から外側に向かって冷やされ、溶けた鉄のコアが部分的に凍結して固化しました。その後、内側のコアは鉄の結晶が凍結して固い塊を形成するにつれて、年間約1mmの速度で成長します。

コアが冷えるときに放出される熱は、プロセスを通じてコアからマントル、そして地球の地殻に流れます。対流として知られていますイオン。ストーブで沸騰する水の鍋のように、対流は暖かいマントルを表面に移動させ、冷たいマントルをコアに送り返します。この逃げる熱はジオダイナモに電力を供給し、地球の回転と相まって磁場を生成します。

したがって、これから、固体の内核がゆっくりと構築されていることがわかります。 液体の外核から上へ。組成物が、内核から生じる重力場の液体から沈殿する重い元素を区別するのは外核です。

からの外挿内核の冷却を観察すると、現在の固体の内核は、元々完全に溶融した内核から約20〜40億年前に形成されたと推定されています。もしそうなら、これは地球の固体の内核が惑星の形成中に存在した原始的な特徴ではなく、地球より若い特徴であることを意味します（地球は約45億年前です）。

次に、内核と外核が液体であった時期を見てみましょう。重力場の中心に近いほど重力は小さくなりますが、それでも質量に対する体積*は液体中で同じ役割を果たし、中心に重いものを集中させ、システムが冷却されるときにコアの最初のシードを形成します。

コアが最も重い元素（鉄より重い元素）によって支配されていないのはなぜですか？

コアが鉄/ニッケルである理由は、元素の結合エネルギー曲線によるものです。

一般的な同位体の核子あたりの結合エネルギー

星の核融合プロセスにおけるより重い元素の蓄積は、鉄の核融合がエネルギーを提供するのではなく差し引くため、鉄より下の元素に限定されます。鉄56は恒星のプロセスに豊富に含まれており、核子あたりの結合エネルギーは8.8 MeVであり、核種の中で3番目に緊密に結合しています。核子あたりの平均結合エネルギーを超えるのは58Feと62Niだけであり、ニッケル同位体が核種の最も緊密に結合しています。

ここで融合が停止しますエネルギー的に有利であること。原始的なスープが核融合によって作成されたビッグバンモデルでは、モデルは曲線の上部で停止します。

核合成重元素の場合、超新星爆発が進行します：

周期表の鉄より上の元素は、星の通常の核融合プロセスでは形成できません。鉄まで、核融合はエネルギーを生み出すので、進むことができます。しかし、”鉄グループ”は結合エネルギー曲線のピークにあるため、鉄の上の元素の融合は劇的にエネルギーを吸収します。 （核種62Niは最も緊密に結合した核種ですが、恒星の核では56Feほど豊富ではないため、天体物理学の議論は一般に鉄に集中しています。）実際、52Feは4Heを捕獲して56Niを生成できますが、これが最後です。ヘリウム捕獲連鎖のステップ。

大質量星の中性子フラックスを考えると、より重い同位体が中性子捕獲によって生成される可能性があります。 …

結論：

重い要素を含むレイヤー超新星の爆発によって吹き飛ばされ、遠くの水素雲に重い元素の原料を提供し、それが凝縮して新しい星を形成する可能性があります。

重い元素ははるかにまれであり、星の爆発としての二次ステップから来る私たちの星、太陽、およびその周りの惑星の作成の特定の条件は、地球が鉄元素よりも重いことを示していますその核心に合体した元の問題の第2レベル。存在量は非常に少ない

最も重い自然放射性元素、トリウムとウラン、それぞれ8.5ppmと1.7ppmを構成します。最も希少な元素のいくつかは、最も密度が高いものでもあります。これらは、50パーツ/兆のオスミウム、400パーツ/兆のプラチナ、50パーツ/兆のイリジウムを含む、プラチナグループの金属です。

内側と外側のコアを研究する地震探査法では検出できません。

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• すべての要素の体積対質量を確認できますここ

ニュートンの法則によると球殻の中心は無重力を感じます。したがって、地球の非常に小さな（実際にはまさに点）中心は（地球自体から）無重力を感じます。このように考えると、そこに見えるすべての方向に同じ質量が放射状に引っ張られます。離れる-重力はすべてゼロになります。これで、中心から任意の方向に100マイル移動します。これで、シェル内に100マイルの物質がなくなり、不均衡な引っ張りが発生します。重力が有効になり、物質の分離が始まります。 wiを配置します密度の高い素材は内側に下がり、軽い素材は上向きに浮きます。中心から離れるほど、不均衡な重力が大きくなり、分離が速くなります。中心で引力がゼロであることは、圧力がゼロであることを意味しないことに注意してください。重力の引力の変化にもかかわらず、すべての不均衡な力からの圧力が加算されます。したがって、地球の中心は重力による引っ張りを感じませんが、すべて球対称性のために最大の圧力を感じます。

簡単な答えは、重元素が地球の中心に沈む原因は主にボイアントフォースだと思います。たとえば、空母は船内に十分なスペースがあるため、水に浮かんでいます。したがって、このスペースを水で満たしてから計量すると、水がない状態の船の重量は、移動する水の量または水の重量よりも少ないことがわかります。これにより、水よりも軽くなり、浮きます。重い元素は、軽い元素よりも一定量の空間に多くの原子を持っているため、重い元素は沈み、軽い元素は上に浮きます。地球の中心について簡単に考えると、そこにいると、中心からのすべての方向が上になり、力はすべての方向で同じになるため、無重力のままキャンセルされます。

私は14歳です。理解に基づいて、質問に回答しようと思います。

最初にすべて、重力は力であり、したがってベクトルであり、相対的な力の大きさだけでなく、その方向にも依存するため、コアで相殺されます。つまり、上向きのベクトルは下向きのベクトルで相殺されます。 、など。しかし…..

地球の中心に自分でシェルを彫るとしたら（シェルの定理を参照）、シェルの内部は無重力になります。あなたの質問によると、コアがより重い要素でできている場合、それは私たちが外部で経験する重力にのみ影響を及ぼしますtシェル。

したがって、コアが鉄でできているかタングステンでできているかは問題ではありません。コアはそれが何であるか、そしてそれは自然で構成されています。あなたは地球の歴史、それがどのように形成されたかに精通している必要があります。重力は私たちのコアが構成されたものとは何の影響もありません。

しかし、本当の問題は磁場の問題でしょう。鉄は優れた磁石です（磁化されているか、磁石として見つかった場合）。それは私たちの磁場の唯一の支持者でした。他の多くの元素についてはわかりませんが、重い元素は確かに私たちの磁場を維持することができません。可能であれば、太陽からの「宇宙線」を保持するには強すぎるか弱すぎるでしょう。弱い場合、放射線は私たちを間引きます。強すぎる場合、同じことが起こります。

ニュートンが述べた物理学の基本法則は、すべての粒子が互いに引き合うというものですが、それは非常に小さいです（重力定数）天体（惑星や星など）の重力しか見ることができないということです。したがって、コアでは重力を経験しますが、シェルの定理が適用されるシェルでは経験しません。

つまり、自然が私たちのコアを作り、それを変えることはできません。私たちはコアの構成の変化を経験したことがありません（そして私たちが決してそうしないことを願っています）。質問については、私は信じていますコアを構成する要素が異なっていても、コアの重力に影響はありません。しかし、それは確かに私たちが経験する引力を変える可能性があります。それは私たちの惑星を居住可能にすることさえできます。

これが役立つことを願っています。

コメント

• あなたの答えは要約するとステートメント”したがって、コアが鉄でできているかタングステンでできているかは問題ではありません。’コアは、それが何であるか、そしてその’の性質で構成されています。”は完全なコップアウトであり、’実際の質問にはまったく対処しません。
• @BrandonEnrightいいえ、この答えはそれほど浅いものではありません。理由は、”コアに鉄がない= >磁場がない= >のようなものです。人生なし= >矛盾;したがって、コアには鉄が含まれている必要があります”。ただし、ダイナモ理論によると、鉄は必要ありません。どんな導電性の液体でもかまいません。これには、タングステン、水、金属水素が含まれます。