Jeśli grawitacja w środku Ziemi wynosi zero, dlaczego są tam ciężkie pierwiastki, takie jak żelazo?

Zapomnij o sile. Siła jest tutaj trochę nieistotna. Odpowiedź na to pytanie dotyczy energii, termodynamiki, ciśnienia, temperatury, chemii i fizyki gwiazd.

Potencjalna energia i siła idą w parze. Siła grawitacji w pewnym punkcie wewnątrz Ziemi to szybkość, z jaką grawitacyjna energia potencjalna zmienia się w zależności od odległości. Siła to gradient energii. Energia potencjalna grawitacji jest najniższa w centrum Ziemi.

Tutaj do gry wkracza termodynamika. Zasada minimalnej całkowitej energii potencjalnej jest konsekwencją drugiej zasady termodynamiki . Jeśli system nie znajduje się w stanie minimalnej energii potencjalnej i istnieje ścieżka do tego stanu, system będzie próbował podążać tą ścieżką. Planeta z żelazem i niklem (i innymi gęstymi pierwiastkami) w równym stopniu zmieszanych z lżejszymi pierwiastkami nie jest warunkiem minimalnej energii potencjalnej. Aby zminimalizować całkowitą energię potencjalną, żelazo, nikiel i inne gęste pierwiastki powinny znajdować się w środku planety, a jaśniejsze elementy poza jądrem.

Musi istnieć ścieżka do tego minimalnego potencjalnego stanu energii, i tu do gry wchodzą ciśnienie, temperatura i chemia. To właśnie stwarza warunki, które pozwalają drugiej zasadzie termodynamiki na rozróżnienie planet. Jako kontrprzykład, uran jest raczej gęsty, ale uran jest zubożony w jądrze Ziemi, nieco zubożony w płaszcz Ziemi i silnie wzmocniony w skorupie ziemskiej. Chemia jest ważna!

Uran jest dość reaktywny chemicznie. Ma silne powinowactwo do łączenia się z innymi pierwiastkami. Uran jest litofilem (” kochający skały ” ) według klasyfikacji Goldschmidta pierwiastków. W rzeczywistości uran to ” niezgodny pierwiastek ” , który wyjaśnia względną obfitość uranu w skorupie ziemskiej.

Nikiel, kobalt, mangan oraz molibden, wraz z najbardziej rzadkimi i szlachetnymi metalami, takimi jak złoto, iryd, osm, pallad, platyna, ren, rod i ruten, są raczej obojętne chemicznie, ale łatwo rozpuszczają się w stopionym żelazie. Te (wraz z samym żelazem) są siderofilami (kochającymi żelazo) elementami. W rzeczywistości żelazo nie jest tak syderofilne jak metale szlachetne. Rdzewieje (żelazo jest nieco litofilne) i łatwo łączy się z siarką (co sprawia, że żelazo jest nieco chalkofilne).

W tym miejscu w grę wchodzą ciśnienie i temperatura. Ciśnienie i temperatura wewnątrz Ziemi są bardzo wysokie. Wysokie ciśnienie i wysoka temperatura zmuszają żelazo do rezygnacji z wiązań z innymi związkami. Mamy więc teraz czyste żelazo i nikiel oraz śladowe ilości metali szlachetnych, a termodynamika bardzo chce, aby te gęste pierwiastki osiedliły się w centrum. Są teraz odpowiednie warunki, aby to się stało i właśnie to wydarzyło się wkrótce po uformowaniu się Ziemi.

Wreszcie istnieje fizyka gwiazd. Ziemia miałaby maleńki rdzeń rzadkich, ale gęstych pierwiastków, gdyby żelazo i nikiel były tak rzadkie jak złoto i platyna. Tak nie jest. Żelazo i nikiel są zadziwiająco licznymi pierwiastkami we Wszechświecie. Istnieje ogólna tendencja do mniejszego występowania cięższych pierwiastków. Żelazo (iw mniejszym stopniu nikiel) to dwa wyjątki od tej reguły; zobacz poniższy wykres. Żelazo i nikiel są tam, gdzie kończy się proces alfa w fizyce gwiazd. Wszystko, co jest cięższe od żelaza, wymaga egzotycznych procesów, takich jak proces s lub te, które występują w supernowej aby je utworzyć. Ponadto supernowe, szczególnie supernowe typu Ia, są płodnymi producentami żelaza.Pomimo stosunkowo dużych mas, żelazo i nikiel są dość licznymi pierwiastkami w naszym starzejącym się wszechświecie.

_{(źródło: virginia.edu )}

Komentarze

• Obraz, przynajmniej zaczynający się od $ \ mathrm {Sn} $, ma pomieszane liczby atomowe (lub nazwy elementów).
• Isn ' czy po prostu to, co jest oznaczone jako Sn, powinno być Cd? Myślę, że inne są w porządku.
• To ' to obraz z Wikipedii. Mam to, za co zapłaciłem. Cyna (Sn) powinna być po prostu przesunięta, aby ' s po indie (In), a nie przed nią.
• Gdzie jest ta liczba w Wikipedii?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . ' Zamierzam zastąpić ten obraz wiki bardziej niezawodnym.

Należy tu rozróżnić dwie różne wielkości: siłę grawitacji i studnię grawitacyjną. W środku Ziemi siła grawitacji wynosi zero, ale studnia grawitacyjna jest najgłębsza. Ciężkie pierwiastki mają tendencję do migrowania do najniższego punktu studni grawitacyjnej, więc znajdują się w środku, mimo że tam siła jest zerowa.

Jeśli upuszczę piłkę tutaj, na powierzchni Ziemi, przyspieszy w dół o około 10 $ \, \ mathrm {m / s ^ 2} $ Dzieje się tak, ponieważ siła grawitacji ściąga go w dół. Siła grawitacji przyciąga rzeczy w kierunku środka Ziemi. W miarę jak idziesz coraz wyżej, siła grawitacji słabnie. Jeśli wejdziesz na wysoki budynek, siła grawitacji spadnie o kilka tysięcznych procenta, ale jeśli wyjdziesz w kosmos, powiedzmy do księżyca, staje się znacznie słabszy, ostatecznie staje się tak słaby, że ledwo można go zauważyć już więcej.

Gdy schodzisz w głąb Ziemi, siła grawitacji staje się silniejsza, ponieważ zbliżasz się do ciężkiego materiału w centrum Ziemi. Jeśli jednak zejdziesz tysiące mil w dół ( znacznie dalej niż mamy dzisiejszą technologię), siła grawitacji zacznie słabnąć, ponieważ większość masy Ziemi znajduje się teraz nad tobą i nie ciągnie cię już w dół w kierunku środka. Tak więc siła grawitacji osiąga maksimum częściowo w dół w kierunku środka, a następnie zaczyna zanikać. W samym środku siła grawitacji jest zerowa, ponieważ ze wszystkich stron ciągnie cię jednakowa masa, i to wszystko znosi. Jeśli zbudowałeś tam pokój, możesz swobodnie latać. To właśnie to znaczy grawitacja wynosi zero w środku Ziemi.

Jednak studnia grawitacyjna to inna historia. Chodzi o to, ile energii potrzeba, aby uciec z Ziemi. Jeśli jesteś na powierzchni Ziemi, to jest to około 60 milionów dżuli na kilogram. W miarę jak idziesz w górę, staje się coraz mniejszy, a jeśli wyjdziesz bardzo daleko, w rzeczywistości spada do zera, gdy jesteś wystarczająco daleko że przyciąganie grawitacyjne Ziemi jest pomijalne.

Kiedy schodzisz w głąb Ziemi, wchodzisz coraz głębiej w studnię grawitacyjną. Nawet gdy jesteś głęboko w Ziemi, a przyciąganie grawitacyjne nie jest bardzo silna, zejście dalej w dół wciąż przenosi cię głębiej w ziemską studnię grawitacyjną.

Siła grawitacji i studnia grawitacyjna są ze sobą powiązane. Siła określa, jak szybko studnia staje się głębsza. Kiedy ty dostać się głęboko w Ziemię, ale nie do końca w środku, siła grawitacji jest niewielka. Oznacza to, że poruszanie się dalej w dół powoduje, że wchodzisz głębiej w studnię grawitacyjną, ale tylko stopniowo. Nachylenie studni jest tam płytkie, ale wciąż się pogłębia .

Z grubsza rzecz biorąc, elementy na planecie takiej jak Ziemia będą próbowały zminimalizować swoją energię gy. Robią to, wchodząc tak głęboko w grawitację, jak tylko mogą, ponieważ im głębiej wchodzą do studni, tym niższa jest ich energia. Głębokie części studni jednak się zapełniają, ponieważ nie wszystko mieści się w samym środku. Energia jest zminimalizowana przez umieszczenie ciężkich rzeczy, takich jak żelazo, na środku, a lżejszych rzeczy wyżej.

To jest dalekie od doskonałego opisu Ziemi, ponieważ to właśnie dzieje się w równowadze i przy zerowej temperaturze i to nie jest Ziemia, ale jest to przyzwoite przybliżone przybliżenie tego, co dzieje się na Ziemi.

Twoja odpowiedź jest taka, że siła grawitacji wynosi zero w środku, ale energia grawitacyjna jest tam najniższa , a ciężkie rzeczy trafiają tam, gdzie energia grawitacyjna jest najmniejsza, dlatego „dlatego środek Ziemi jest w większości ciężki.

Oto interesujący eksperyment myślowy.

Wyobraź sobie szyb windy prowadzący do środka Ziemi, który z jakiegoś dziwnego powodu nie wpływa na pole grawitacyjne Ziemi i nie „Nie zalewaj magmą.

OK, teraz na powierzchni Ziemi weź butelkę, do połowy pełną olejem, a do połowy pełną wodą.Woda jest gęstsza niż olej, więc siła grawitacji na wodzie jest większa niż siła grawitacji na oleju … więc woda opada na dno, a olej unosi się na górze.

Teraz jedź w dół szybu windy. Czy grawitacja jest tutaj słabsza czy silniejsza? Cóż, dla naszej butelki oleju nie ma to większego znaczenia. Niezależnie od grawitacji, nadal wywiera on większą siłę na wodę niż olej, więc woda zawsze tonie.

W kategoriach materiałów pływających lub tonących w stosunku do innych materiałów, nie ma znaczenia, gdzie grawitacja jest silna lub słaba, liczy się tylko kierunek grawitacji.

Więc dlaczego Ziemia nie jest dużą kulą materiałów ułożonych warstwami według gęstości? No cóż … w dużej mierze tak. Żelazo (7870 kg / m ^ 3) jest gęstsze niż magma (~ 2500 kg / m ^ 3) jest gęstsze niż woda (1000 kg / m ^ 3) jest gęstsze niż azot (~ 1 kg / m ^ 3) … i to jest kolejność, w której je zazwyczaj znajdujesz.

A co z wyjątkami? Dlaczego w skorupie ziemskiej jest złoto (19 300 kg / m ^ 3) i żelazo … Proponuję post Davida Hammena.

Spróbuję udzielić bardzo przybliżonej odpowiedzi dla Twojej matki (zgodnie z prośbą), zakładając Ziemia jest kulista i kilka innych przybliżeń. Nie jestem ekspertem w dziedzinie geofizyki ani fizyki gwiazd. a jeśli potrzebujesz szczegółów lub większej dokładności, proponuję przyjrzeć się innym odpowiedziom, na przykład Davidowi Hammenowi i innym.

O grawitacji

Najpierw w odniesieniu do grawitacji. Czy w środku Ziemi istnieje grawitacja, a jeśli nie, to dlaczego cokolwiek miałoby być tam przyciągane?

Podstawowym ćwiczeniem podczas badania grawitacji jest obliczenie siły grawitacji wewnątrz pustej kulistej powłoki materii (takiej jak guma piłki do kosza). Odpowiedź brzmi: nie ma grawitacji wytwarzanej przez kulistą powłokę wewnątrz powłoki, chociaż na zewnątrz jest grawitacja wytwarzana przez powłokę.

Jeśli teraz weźmiemy pod uwagę shere wypełnione materią, promień 6371 km ( jak Ziemia) i punkt znajdujący się 5000 km od centrum, można go rozłożyć na pełną kulę o promieniu 5000 km i kulistą powłokę o grubości 1371 km. Sferyczna powłoka nie powoduje grawitacji, stąd cała grawitacja, którą można zaobserwować, to grawitacja wytwarzana przez kulę o promieniu 5000 km.

Jest to faktycznie prawdą dla każdego promienia, więc w środku Ziemia, tj. O promieniu 0 km, nie pozostało nic, co mogłoby wytworzyć grawitację, ponieważ cała materia znajduje się w „powłoce”.

Ale to nie ma większego znaczenia, ponieważ w jej środku istnieje pewna grawitacja gdy tylko znajdziesz się w pewnej odległości od centrum, jakkolwiek słaba, gdy jesteś blisko centrum, tak że z czasem cięższa materia będzie miała tendencję do opadania na dno, tj. do środka.

Wtedy jest kwestia tego, co jest cięższe.

Z czego powstała Ziemia

Oryginalna materia we Wszechświecie (nie wracając jednak do Wielkiego Wybuchu) składa się głównie z bardzo lekkich pierwiastków, głównie hydrogen. Gwiazdy powstają w wyniku akrecji tej materii pod wpływem sił grawitacyjnych i zaczynają ją stapiać (reakcja jądrowa) w cięższe pierwiastki i wytwarzają energię, którą postrzegamy (częściowo) jako światło. Mają tendencję do wytwarzania wielu pierwiastków, takich jak żelazo (i inne, które znajdują się w „środku” tabeli pierwiastków, ponieważ mają najbardziej stabilne jądro atomowe, z którego można wydobyć niewielką ilość energii, tak że gwiazdy umierają (na różne sposoby) kiedy przekształcą swoją materię w takie pierwiastki. Ostateczna eksplozja niektórych gwiazd (supernowych) wytwarza cięższe pierwiastki, ale nie w tak dużej ilości. To (bardzo ogólnie) wyjaśnia, dlaczego żelazo (i niektóre inne pierwiastki) są zwykle dostępne w większej ilości .

Dlaczego materia nie jest uwarstwiona według gęstości.

Znowu nie jestem ekspertem, ponieważ zachodzi wiele różnych zjawisk. Oto dwa przykłady.

Rzeczywiście, ponieważ przynajmniej część planety jest w pewnym stopniu płynna, można by się spodziewać, że ciężkie składniki opadną. Jednak wewnątrz planety wytwarzane jest dużo ciepła, w szczególności z powodu radioaktywności, i to ciepło wytwarza konwekcję (a zatem Drift) Konwekcja oznacza ruch, przemieszczanie materii dookoła aspekt namiczny.

Innym zjawiskiem jest to, że pierwiastki chemiczne rzadko są czyste. Łączą się fizycznie lub chemicznie, tworząc kompozyty o różnych właściwościach fizycznych. Związek utworzony z ciężkiego i lekkiego elementu może być dość lekki i unosić ciężki element w kierunku powierzchni planety, przy czym lżejsza część pełni rolę boi. Tak więc, chociaż uran jest znacznie cięższy od żelaza, kompozyty uranowe z lżejszymi pierwiastkami można znaleźć na powierzchni planety lub bardzo blisko niej. Zjawisko to zależy w dużej mierze od zdolności różnych rodzajów cięższych pierwiastków do łączenia się z lżejszymi.

Należy również wziąć pod uwagę, że powstanie Ziemi zajęło dużo czasu, a znaczenie różnych zjawisk mogło się zmienić w ciągu całego przebieg jego powstania.

Weź szklankę wody i dwie małe kulki tego samego rozmiaru, jedną z żelaza, a drugą z aluminium. Oba ostatecznie osiągną dno, ale ze względu na wypór żelazo osiądzie jako pierwsze.

Ziemia odkryto , że ma stały rdzeń wewnętrzny odrębny od płynnego rdzenia zewnętrznego w 1936 roku,

…..

Uważa się, że składa się głównie ze stopu żelaza i niklu i ma mniej więcej taką samą temperaturę jak powierzchnia Słońca: około 5700 K (5400 ° C).

….

Uważa się, że rdzeń Ziemi powoli rośnie płynny rdzeń zewnętrzny na granicy z rdzeniem wewnętrznym ochładza się i krzepnie w wyniku stopniowego ochładzania wnętrza Ziemi (około 100 stopni Celsjusza na miliard lat). Wielu naukowców początkowo spodziewało się, że ponieważ stały rdzeń wewnętrzny został pierwotnie utworzony przez stopniowe ochładzanie stopionego materiału i nadal rośnie w wyniku tego samego procesu, okazało się, że rdzeń wewnętrzny jest jednorodny. Sugerowano nawet, że wewnętrzne jądro Ziemi może być pojedynczym kryształem żelaza. Jednak ta prognoza została obalona przez obserwacje wskazujące, że w rzeczywistości istnieje pewien stopień nieporządku w rdzeniu wewnętrznym. Sejsmolodzy odkryli, że rdzeń wewnętrzny nie jest całkowicie jednolity, ale zamiast tego zawiera struktury na dużą skalę, tak że fale sejsmiczne przechodzą szybciej przez niektóre części rdzenia wewnętrznego niż przez inne. Ponadto właściwości powierzchni rdzenia wewnętrznego różnią się w zależności od miejsca na tak małych odległościach, jak 1 km. Ta zmienność jest zaskakująca, ponieważ boczne wahania temperatury wzdłuż granicy wewnętrznego rdzenia są znane jako niezwykle małe (wniosek ten jest z pewnością ograniczany przez obserwacje pola magnetycznego). Niedawne odkrycia sugerują, że samo stałe jądro wewnętrzne składa się z warstw oddzielonych strefą przejściową o grubości od 250 do 400 km. Jeśli rdzeń wewnętrzny rośnie z małych zamarzniętych osadów opadających na jego powierzchnię, to pewna ilość cieczy może również zostać uwięziona w przestrzeniach porów, a część tego pozostałego płynu może nadal w niewielkim stopniu pozostawać w większości jego wnętrza. id = „1f454c148c”>

Prawo Newtona stanowi, że środek kulistej skorupy nie odczuwa grawitacji. Tak więc bardzo malutki (właściwie sam punkt) środek ziemi odczuwa zerową grawitację (z samej ziemi). Pomyśl o tym w ten sposób, w każdym kierunku, w którym patrzysz, ta sama masa ciągnie się promieniowo daleko – siła grawitacji równoważy się do zera. Teraz przejdź 100 mil w dowolnym kierunku od środka. Teraz masz już sto mil materii w powłoce, która nie wywiera niezrównoważonego naciągu – działa grawitacja i zaczyna się oddzielać miejsce wi gęstszy materiał opadający do wewnątrz i lżejszy materiał unoszący się w górę. Im dalej od środka oddalasz się, tym większa jest niezrównoważona siła grawitacji i tym szybciej następuje separacja. Zauważ, że zerowa siła grawitacji w środku nie oznacza zerowego ciśnienia. Nacisk wszystkich niezrównoważonych sił sumuje się pomimo różnic w przyciąganiu grawitacyjnym. Tak więc środek ziemi nie odczuwa żadnego przyciągania grawitacyjnego, ale odczuwa największe ciśnienie, wszystko z powodu symetrii sferycznej.

Myślę, że prostą odpowiedzią jest to, że siła chłopca jest głównie odpowiedzialna za to, że ciężkie pierwiastki opadają na środek ziemi. Na przykład lotniskowiec unosi się na wodzie, ponieważ w jego wnętrzu jest dużo miejsca. Tak więc, jeśli wypełnisz tę przestrzeń wodą, a następnie ją zważysz, okaże się, że masa statku bez wody jest mniejsza niż ilość wody, którą wypiera, lub masa wody. Dzięki temu jest lżejszy od wody i unosi się na wodzie. Ciężkie pierwiastki mają więcej atomów w danej ilości miejsca niż lżejsze, więc ciężkie elementy toną, a lżejsze unoszą się na górze i tak dalej.Łatwym sposobem myślenia o środku ziemi jest to, że gdybyś się tam znalazł, każdy kierunek od środka jest skierowany w górę, a siła byłaby taka sama ze wszystkich kierunków, więc znosiłyby się, pozostawiając cię w stanie nieważkości.

Mam dopiero 14 lat i spróbuję odpowiedzieć na pytanie w oparciu o moje zrozumienie.

Po pierwsze wszystko, grawitacja, będąc siłą, a tym samym wektorem, znosiłaby się w rdzeniu, ponieważ zależy nie tylko od wielkości względnej siły, ale także od jej kierunku, tj. wektor idący w górę znosiłby się z wektorem idącym w dół i tak dalej. Ale …..

Gdybyśmy mieli wyrzeźbić sobie muszlę w środku ziemi (patrz twierdzenie o powłoce), doświadczylibyśmy nieważkości wewnątrz powłoki, dopóki nie To byłby brak grawitacji. Zgodnie z twoim pytaniem, gdyby rdzeń był wykonany z cięższych pierwiastków, wpłynąłby tylko na siłę grawitacji, której doświadczamy poza t powłoka.

Więc nie miałoby znaczenia, czy rdzeń był wykonany z żelaza czy wolframu. Rdzeń składa się z tego, czym jest i jaka jest natura. Musisz znać historię Ziemi, jak została uformowana. Grawitacja nie miałaby żadnego wpływu na to, z czego zbudowany jest nasz rdzeń.

Ale prawdziwym problemem byłoby pole magnetyczne. Żelazo jest wspaniałym magnesem (gdy jest namagnesowane lub znajduje się jako magnes). Był i jest jedynym zwolennikiem naszego pola magnetycznego. Nie wiem o wielu innych pierwiastkach, ale cięższy pierwiastek z pewnością nie byłby w stanie utrzymać naszego pola magnetycznego. Gdyby mógł, byłby albo zbyt silny, albo zbyt słaby, aby zatrzymać „promieniowanie kosmiczne” ze słońca. słabe, promieniowanie zdziesiątkowałoby nas. Gdyby było zbyt mocne, to samo by się stało.

Podstawowym prawem fizyki określonym przez Newtona jest to, że wszystkie cząstki przyciągają się nawzajem, jednak są tak małe (Stała grawitacyjna) że możemy zobaczyć siłę grawitacji tylko dla ciał niebieskich (planet i gwiazd itd.). Tak więc w jądrze doświadczylibyśmy grawitacji, ale nie w powłoce, którą stworzylibyśmy, gdzie miałoby zastosowanie twierdzenie o powłoce.

Krótko mówiąc, natura stworzyła nasz rdzeń i nie możemy tego zmienić. Nigdy nie doświadczyliśmy (i mam nadzieję, że nigdy tego nie zrobimy) zmiany w składzie rdzenia. Jeśli chodzi o pytanie, uważam nie byłoby żadnego wpływu na grawitację w rdzeniu, gdyby elementy składające się na niego były różne. Ale z pewnością może sprawić, że siła grawitacji, której doświadczamy, będzie inna. Może nawet uczynić naszą planetę nadającą się do zamieszkania.

Mam nadzieję, że to pomoże.

Komentarze

• Twoja odpowiedź wydaje się sprowadzać do instrukcja ” Zatem nie ' nie miałoby znaczenia, gdyby rdzeń był wykonany z żelaza lub wolframu. Rdzeń składa się z tego, czym jest i że ' ma naturę. ” to kompletna wymówka i nie ' nie odpowiadaj w ogóle na rzeczywiste pytanie.
• @BrandonEnright Nie, ta odpowiedź nie jest taka płytka. Powód jest taki, że ” brak żelaza w rdzeniu = > brak pola magnetycznego = > brak życia = > sprzeczność; dlatego w rdzeniu musi znajdować się żelazo „. Jednak zgodnie z teorią dynamo żelazo nie jest wymagane; jakakolwiek ciecz przewodząca prąd elektryczny. Obejmuje to wolfram, wodę i metaliczny wodór .