Dacă gravitația din centrul Pământului este zero, de ce sunt acolo elemente grele precum fierul?

Uită de forță. Forța este puțin mai irelevantă aici. Răspunsul la acest lucru întrebarea constă în energie, termodinamică, presiune, temperatură, chimie și fizica stelară.

Energia potențială și forța merg mână în mână. Forța gravitațională la un moment dat în interiorul Pământului este rata la care se schimbă energia potențială gravitațională în raport cu distanța. Forța este gradientul energiei. Energia potențială gravitațională este la cel mai mic nivel din centrul Pământului.

Aici intervine termodinamica. Principiul al energiei potențiale totale minime. este o consecință a a doua lege a termodinamicii . Dacă un sistem nu se află în starea sa minimă de energie potențială și există o cale către acea stare, sistemul va încerca să urmeze acea cale. O planetă cu fier și nichel (și alte elemente dense) amestecate în mod egal cu elemente mai ușoare nu este condiția minimă de energie potențială. Pentru a minimiza energia potențială totală, fierul, nichelul și alte elemente dense ar trebui să fie în centrul unei planete, cu elemente mai ușoare în afara nucleului.

Trebuie să existe o cale către acea stare minimă de energie potențială, și aici intervin presiunea, temperatura și chimia. Acestea creează condițiile care permit celei de-a doua legi a termodinamicii să diferențieze o planetă. Ca contraexemplu, uraniul este destul de dens, dar totuși uraniul este epuizat în nucleul Pământului, ușor epuizat în mantaua Pământului și puternic îmbunătățit în scoarța Pământului. Chimia este importantă!

Uraniul este destul de reactiv din punct de vedere chimic. Are o puternică afinitate de a se combina cu alte elemente. Uraniul este un litofil (” iubitor de rocă ” ) element pentru clasificarea Goldschmidt a elementelor. De fapt, uraniul este o ” element incompatibil ” , care explică abundența relativă de uraniu din scoarța Pământului.

Nichel, cobalt, mangan , și molibdenul, împreună cu cele mai rare și mai prețioase metale precum aurul, iridiul, osmiul, paladiul, platina, reniul, rodiul și ruteniul, sunt destul de inerte chimic, dar se dizolvă ușor în fierul topit. Acestea (împreună cu fierul în sine) sunt elementele siderofile (iubitoare de fier). De fapt, fierul nu este aproape la fel de siderofil ca metalele prețioase. Ruginește (fabricarea fierului este puțin litofilă) și se combină ușor cu sulf (ceea ce face fierul un pic calcofil).

Aici intră în joc presiunea și temperatura. Presiunea și temperatura sunt extrem de ridicate în interiorul Pământului. Presiunea înaltă și temperatura ridicată forțează fierul să renunțe la legăturile sale cu alți compuși. Așadar, acum avem fier pur și nichel, plus urme de metale prețioase, iar termodinamica dorește foarte mult ca aceste elemente dense să se așeze spre centru. Condițiile sunt acum potrivite pentru ca acest lucru să se întâmple și „exact ceea ce s-a întâmplat la scurt timp după formarea Pământului.

În cele din urmă, există fizica stelară. Pământul ar avea un mic nucleu de elemente rare, dar dense, dacă fierul și nichelul ar fi la fel de rare precum aurul și platina. Nu este cazul. Fierul și nichelul sunt elemente surprinzător de abundente în univers. Există o tendință generală ca elementele mai grele să fie mai puțin abundente. Fierul (și într-o măsură mai mică, nichelul) sunt două excepții de la această regulă; vezi graficul de mai jos. Fierul și nichelul se opresc procesul alfa din fizica stelară. Tot ce este mai greu decât fierul necesită procese exotice, cum ar fi s-proces sau cele care apar într-o supernova pentru a le crea. Mai mult, supernova, în special supernova de tip Ia, sunt producători prolifici de fier.În ciuda masei lor relativ grele, fierul și nichelul sunt elemente destul de abundente în universul nostru îmbătrânit.

_{(sursa: virginia.edu )}

Comentarii

• Imaginea, cel puțin începând cu $ \ mathrm {Sn} $, are numere atomice (sau nume de elemente) încurcate.
• Isn ‘ doar că ceea ce este etichetat Sn ar trebui să fie Cd? Cred că ceilalți sunt ok.
• Aceasta este ‘ o imagine a Wikipedia. Am primit ceea ce am plătit. Tin (Sn) ar trebui pur și simplu să fie mutat, astfel încât să ‘ s după indium (In), mai degrabă decât înainte.
• Unde este acea cifră pe Wikipedia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . ‘ voi înlocui acea imagine wiki cu una mai fiabilă.

Iată un experiment de gândire interesant.

Imaginați-vă că aveți un arbore de ascensor până la centrul Pământului care, dintr-un motiv ciudat, nu afectează câmpul gravitațional al Pământului și nu „Nu inundați cu magmă.

OK, acum la suprafața Pământului primiți o sticlă, jumătate plină cu ulei și jumătate plină cu apă.Apa este mai densă decât uleiul, deci forța de greutate asupra apei este mai mare decât forța de greutate asupra uleiului … astfel apa se scufundă în partea de jos și uleiul plutește în partea de sus.

Acum, mergeți în jos pe arborele ascensorului. Gravitația este mai slabă sau mai puternică aici? Ei bine, pentru sticla noastră de ulei nu contează cu adevărat. Oricare ar fi gravitația, produce în continuare o forță mai mare asupra apei decât o face uleiul, astfel încât apa se va scufunda întotdeauna.

În termeni de materiale care plutesc sau se scufundă în raport cu alte materiale, nu contează unde gravitația este puternică sau slabă, ceea ce contează este doar direcția gravitației.

Deci, de ce nu este Pământul o sferă mare de materiale stratificate în funcție de densitate? Ei bine … în mare măsură este. Fierul (7.870 kg / m ^ 3) este mai dens decât magma (~ 2.500 kg / m ^ 3) este mai dens decât apa (1000 kg / m ^ 3) este mai dens decât azotul (~ 1 kg / m ^ 3) … și asta este ordinea în care le găsești în general.

Dar excepțiile? De ce există aur (19.300 kg / m ^ 3) și fier în scoarța Pământului … Sugerez postarea lui David Hammen.

Voi încerca să fac un răspuns foarte aproximativ pentru mama ta (așa cum este cerut), presupunând pământului sferic și câteva alte aproximări. Nu sunt expert în geofizică sau fizică stelară. și dacă doriți detalii sau o precizie mai mare, vă sugerez să vă uitați la alte răspunsuri, cum ar fi cel al lui David Hammen și alții.

Despre gravitație

Mai întâi cu privire la gravitație. Există gravitație în centrul Pământului și, dacă nu, de ce ar trebui să fie atras ceva acolo?

Un exercițiu de bază atunci când studiezi gravitația este să calculezi forța gravitațională în interiorul unei cochilii sferice goale de materie (cum ar fi cauciucul unei minge de coș). Răspunsul este: nu există gravitație produsă de învelișul sferic din interiorul învelișului, deși există gravitație în exterior produsă de înveliș.

Dacă acum luați în considerare o distanță plină de materie, va avea o rază de 6371 km ( ca pământul) și la un punct situat la 5000 km de centru, îl puteți descompune într-o sferă completă cu o rază de 5000 km și o coajă sferică în jurul său cu o grosime de 1371 km. Învelișul sferic nu provoacă gravitație, prin urmare, toată gravitația de observat este cea produsă de sfera cu raza de 5000 km.

Acest lucru este adevărat pentru orice rază, astfel încât, în centrul Pământul, adică cu o rază de 0 km, nu mai rămâne nimic pentru a produce gravitație, întrucât toată materia se află în „coajă”.

Dar asta nu contează prea mult, deoarece există o oarecare gravitație spre centru de îndată ce ajungeți la o anumită distanță de centru, oricât de slabă este când este aproape de centru, astfel încât, cu timpul, materia mai bogată va tinde să se scufunde în partea de jos, adică în centru.

Atunci există problema a ceea ce este mai greu.

Ce este făcut de Pământ

Materia originală din univers (însă nu se întoarce la Big Bang) este compusă din elemente foarte ușoare, în mare parte hidrogen. Stelele se formează prin acumularea acestei materii sub forțe gravitaționale și încep să o contopească (reacția nucleară) în elemente mai grele și produc energie pe care o percepem (parțial) ca lumină. Ei tind să producă o mulțime de elemente precum fierul (și altele care în jurul „mijlocului” tabelului de elemente, deoarece acestea au cel mai stabil nucleu atomic din care se poate extrage puțină energie, astfel încât stelele să moară (în diferite moduri) când și-au transformat materia în astfel de elemente. Explozia finală a unor stele (supernove) produce elemente mai grele, dar nu într-o cantitate atât de mare. Acest lucru (foarte grosolan) explică de ce fierul (și alte elemente) tind să fie disponibile în cantitate mai mare .

De ce materia nu este stratificată în funcție de densitate.

Din nou, nu sunt expert, deoarece există o varietate de fenomene care funcționează. Iată două exemple.

Într-adevăr, întrucât cel puțin o parte a planetei este oarecum fluidă, ne-am putea aștepta ca componentele grele să se scufunde. Dar există multă căldură produsă în interiorul planetei, în special datorită radioactivității, iar această căldură produce convecție (și astfel continentală Convecție înseamnă mișcare, mișcare a materiei în jurul valorii. Asta este mai mult un dy aspect namic.

Un alt fenomen este că elementele chimice sunt rareori pure. Se combină fizic sau chimic pentru a face compozite care au proprietăți fizice diferite. Un compus format dintr-un element greu și unul ușor poate fi destul de ușor și pluteste componenta grea spre suprafața planetei, partea mai ușoară jucând rolul unei geamanduri. Deci, deși uraniul este mult mai greu decât fierul, compozițiile de uraniu cu elemente mai ușoare pot fi găsite pe suprafața planetei sau foarte aproape de ea. Fenomenul depinde mult de capacitatea diferitelor tipuri de elemente mai grele de a se combina cu cele mai ușoare.

De asemenea, trebuie să țineți cont de faptul că Pământul a luat mult timp până la formare și importanța diferitelor fenomene s-ar fi putut schimba de-a lungul cursul formării sale.

Luați un pahar cu apă și două bile mici, de aceeași dimensiune, una de fier și una de aluminiu. Ambele vor ajunge în final, dar din cauza flotabilității fierul se va așeza mai întâi.

Pământul a fost descoperit că are un miez interior solid distinct de miezul său lichid în 1936,

…..

Se crede că constă în principal dintr-un aliaj de fier-nichel și că are aproximativ aceeași temperatură ca suprafața Soarelui: aproximativ 5700 K (5400 ° C).

….

Se crede că nucleul interior al Pământului este creșteți încet miezul lichid exterior la limita cu miezul interior se răcește și se solidifică datorită răcirii treptate a interiorului Pământului (aproximativ 100 de grade Celsius pe miliard de ani). Mulți oameni de știință se așteptaseră inițial că, deoarece miezul interior solid a fost inițial format dintr-o răcire treptată a materialului topit și continuă să crească ca urmare a aceluiași proces, miezul intern ar fi găsit omogen. S-a sugerat chiar că nucleul interior al Pământului ar putea fi un singur cristal de fier. Cu toate acestea, această predicție a fost respinsă prin observații care indică faptul că, de fapt, există un grad de tulburare în interiorul nucleului interior. Seismologii au descoperit că miezul interior nu este complet uniform, dar în schimb conține structuri la scară largă, astfel încât undele seismice trec mai rapid prin unele părți ale miezului interior decât prin altele. În plus, proprietățile suprafeței miezului interior variază de la un loc la altul pe distanțe la fel de mici ca 1 km. Această variație este surprinzătoare, deoarece variațiile de temperatură laterale de-a lungul limitei nucleului interior sunt cunoscute a fi extrem de mici (această concluzie este constrânsă cu încredere de observațiile câmpului magnetic). Descoperirile recente sugerează că nucleul interior solid în sine este compus din straturi, separate de o zonă de tranziție de aproximativ 250 până la 400 km grosime. Dacă miezul interior crește prin căderea de mici sedimente înghețate pe suprafața sa, atunci un anumit lichid poate fi, de asemenea, prins în spațiile porilor și o parte din acest fluid rezidual poate persista într-o oarecare măsură în mare parte din interiorul său.

….

Pământul „Miezul interior este o minge de fier solid de dimensiunea lunii noastre. Această minge este înconjurată de un miez exterior extrem de dinamic al unui aliaj lichid de fier-nichel (și alte elemente mai ușoare), un element foarte vâscos manta și o crustă solidă care formează suprafața în care trăim.

De-a lungul a miliarde de ani, Pământul s-a răcit din interior spre exterior, provocând congelarea și solidificarea parțială a miezului de fier topit. crescând cu o rată de aproximativ 1 mm pe an, pe măsură ce cristalele de fier îngheață și formează o masă solidă.

Căldura degajată pe măsură ce miezul se răcește curge de la miez la manta spre scoarța Pământului printr-un proces. cunoscut sub numele de convect ion. Ca o tigaie cu apă care fierbe pe o sobă, curenții de convecție mută mantaua caldă la suprafață și trimit mantaua rece înapoi la miez. Această căldură care scapă alimentează geodinamul și, împreună cu rotirea Pământului, generează câmpul magnetic.

Deci, din aceasta vedem că nucleul interior solid se construiește încet de la nucleul exterior lichid . Compoziția diferențiază elementele mai grele care precipită de lichidul din câmpul gravitațional, care apare din miezul interior.

observații despre răcirea miezului interior, se estimează că actualul miez interior solid s-a format acum aproximativ 2 până la 4 miliarde de ani din ceea ce a fost inițial un miez în întregime topit. Dacă este adevărat, acest lucru ar însemna că nucleul interior solid al Pământului nu este o caracteristică primordială care a fost prezentă în timpul formării planetei, ci o caracteristică mai tânără decât Pământul (Pământul are aproximativ 4,5 miliarde de ani).

Să ne uităm atunci la perioada în care miezul interior și exterior erau lichide. Cu cât este mai aproape de centrul câmpului gravitațional, cu atât forța gravitațională este mai redusă, dar totuși volumul până la masă * ar juca același rol în lichid, concentrând cel mai greu către centru, formând primele semințe pentru miez pe măsură ce sistemul s-a răcit. / p>

de ce nucleul nu este dominat de cele mai grele elemente (elemente mai grele decât fierul)?

Acum, motivul pentru care nucleul este fierul / nichelul se datorează curbei de legare a energiei a elementelor.

Energie de legare pe nucleon de izotopi comuni

Acumularea de elemente mai grele în procesele de fuziune nucleară din stele este limitată la elemente de sub fier, deoarece fuziunea fierului ar scădea energia mai degrabă decât să o furnizeze. Fierul-56 este abundent în procesele stelare și, cu o energie de legare per nucleon de 8,8 MeV, este al treilea cel mai strâns legat dintre nucleizi. Energia sa de legare medie pe nucleon este depășită doar cu 58Fe și 62Ni, izotopul nichelului fiind cel mai strâns legat dintre nucleizi.

Acolo se oprește fuziunea fiind energic favorabil. În modelul Big Bang în care o supă primordială ajunge în creațiile prin fuziunea nucleelor, modelul se oprește în partea de sus a curbei.

Sinteza nucleară pentru elementele grele provine din explozii de supernove:

Elementele de deasupra fierului din tabelul periodic nu se pot forma în procesele normale de fuziune nucleară din stele. Până la fier, fuziunea produce energie și astfel poate continua. Dar întrucât ” grupul de fier ” se află la vârful curbei energiei de legare, fuziunea elementelor de deasupra fierului absoarbe dramatic energia. (Nuclidul 62Ni este nucleul cel mai strâns legat, dar nu este aproape atât de abundent ca 56Fe în miezurile stelare, deci discuția astrofizică se concentrează în general pe fier.) De fapt, 52Fe poate captura un 4He pentru a produce 56Ni, dar acesta este ultimul pas în lanțul de captare a heliului.

Având în vedere un flux de neutroni într-o stea masivă, izotopii mai grei pot fi produși prin captarea neutronilor. …

În concluzie:

Straturile care conțin elementele grele poate fi suflat de explozia supernova și poate furniza materia primă a elementelor grele din nori îndepărtați de hidrogen care se condensează pentru a forma stele noi.

Deoarece elementele mai grele sunt mult mai rare și provin dintr-un pas secundar ca o explozie a unei stele, condițiile specifice de formare a stelei noastre, soarele și creațiile planetelor din jurul ei arată că pământul are elemente mai grele decât fierul acumulate la o al doilea nivel la materia inițială care s-a alăturat nucleului său. Abundențele sunt foarte mici

cele mai grele elemente radioactive natural , toriu și uraniu, alcătuiesc 8,5 părți pe milion și, respectiv, 1,7 părți pe milion. Unele dintre cele mai rare elemente sunt, de asemenea, cele mai dense; acestea sunt metalele din grupul platinei, inclusiv osmiu la 50 părți pe bilion, platină la 400 părți pe bilion și iridiu la 50 părți pe bilion.

să nu fie detectabil cu metodele seismografice care studiază miezul interior și exterior.

 ----- 

• se poate vedea volumul în masă pentru toate elementele aici

Legea Newton afirmă că centrul cochiliei sferice simte gravitația zero. Deci chiar centrul miniscul (de fapt chiar punctul) al pământului simte gravitația zero (chiar de la pământ). Gândiți-vă în acest fel, fiecare direcție pe care o priviți acolo este aceeași masă care trage radial departe – forța gravitațională se echilibrează la zero. Acum mișcați 100 de mile în orice direcție din centru. Acum aveți o sută de mile de materie care nu mai sunt în coajă exercitând o atracție dezechilibrată – gravitația are efect și separarea lucrurilor începe să ia locul wi materialul mai dens căzând spre interior și materialul mai ușor plutind în sus. Cu cât vă deplasați mai departe de centru, cu atât forța gravitațională dezechilibrată devine mai mare și cu atât separarea are loc mai repede. Rețineți că a avea o atracție gravitațională zero la centru nu înseamnă presiune zero. Presiunea tuturor forțelor dezechilibrate se adaugă în ciuda variațiilor atracției gravitaționale. Deci, centrul pământului nu simte nici o atracție gravitațională, dar simte cea mai mare presiune, toate datorită simetriei sferice.

Cred că un răspuns simplu este că forța boyantă este cea mai mare parte responsabilă pentru ca elementele grele să se scufunde în centrul pământului. De exemplu, un portavion plutește pe apă, deoarece nava are mult spațiu în interior. Astfel, dacă ați umple acest spațiu cu apă și apoi l-ați cântări, veți descoperi că greutatea navei fără apă este mai mică decât cantitatea de apă pe care o deplasează sau greutatea apei. Acest lucru îl face mai ușor decât apa și plutește. Elementele grele au mai mulți atomi într-o cantitate dată de spațiu decât elementele mai ușoare, astfel încât elementele grele se scufundă, în timp ce cele mai ușoare plutesc deasupra și așa mai departe.Un mod ușor de a vă gândi la centrul pământului este că, dacă v-ați găsi acolo, fiecare direcție din centru este sus și forța ar fi aceeași din toate direcțiile, astfel încât s-ar anula lăsându-vă fără greutate.

Am doar 14 ani și voi încerca să răspund la întrebare pe baza înțelegerii mele.

În primul rând toate, gravitația, fiind o forță și deci un vector, s-ar anula în miez, deoarece nu depinde doar de magnitudinea forței relative, ci și de direcția acesteia, adică un vector care merge în sus s-ar anula cu un vector care coboară Și așa mai departe. Dar …..

Dacă ar fi să cioplim o coajă pentru noi în centrul pământului (Consultați teorema coajă) am experimenta imponderabilitatea în interiorul coajei până când vom fi Conform întrebării dvs., dacă nucleul ar fi format din elemente mai grele, ar afecta doar forța gravitațională pe care o experimentăm în afara tha T shell.

Deci, nu ar conta dacă miezul ar fi format din fier sau tungsten. Nucleul este alcătuit din ceea ce este și din natura sa. Trebuie să fiți familiarizați cu istoria pământului, cu modul în care a fost format. Gravitația nu ar avea niciun efect cu ceea ce a fost alcătuit din nucleul nostru.

Dar adevărata problemă ar fi câmpul magnetic. Fierul este un magnet superb (când este magnetizat sau găsit ca magnet). A fost și este singurul susținător al câmpului nostru magnetic. Nu știu despre multe alte elemente, dar un element mai greu cu siguranță nu ar putea să ne susțină câmpul magnetic. Dacă ar putea, ar fi fie prea puternic, fie prea slab pentru a reține „radiația cosmică” de la soare. slabe, radiațiile ne-ar decima. Dacă ar fi prea puternice, s-ar întâmpla același lucru.

O lege fundamentală a fizicii afirmată de Newton este că toate particulele se atrag reciproc, cu toate acestea este atât de mică (Constanta gravitațională) că putem vedea doar forța gravitațională pentru corpurile cerești (planete și stele și așa mai departe). Deci, la bază, am experimenta gravitația, dar nu în cochilia pe care am crea-o, unde s-ar aplica teorema cochiliei.

Deci, pe scurt, natura ne-a făcut nucleul și nu îl putem schimba. Nu am experimentat niciodată (și sper să nu facem niciodată) o schimbare în compoziția nucleului. În ceea ce privește întrebarea, cred nu ar exista niciun efect asupra gravitației din nucleu dacă elementele care o compun ar fi diferite. Dar ar putea face cu siguranță atracția gravitațională pe care o experimentăm diferită. Ar putea chiar să facă planeta noastră să fie locuibilă.

Sper că acest lucru vă va ajuta.

Comentarii

• Răspunsul dvs. pare să se rezume la enunț ” Deci, nu ar conta ‘ dacă miezul ar fi format din fier sau tungsten. Nucleul este alcătuit din ceea ce este și din natura ‘. ” care este un cop-out complet și nu ‘ nu abordează deloc întrebarea reală.
• @BrandonEnright Nu, acest răspuns nu este atât de superficial. Raționamentul este ca ” fără fier în nucleu = > fără câmp magnetic = > no life = > contradicție; prin urmare, trebuie să existe fier în miez „. Cu toate acestea, conform teoria dinamo , fierul nu este necesar; orice lichid conductiv electric ar face. Aceasta include tungsten, apă și hidrogen metalic .