Om gravitationen i mitten av jorden är noll, varför finns tunga element som järn där?

Glöm kraften. Kraft är lite irrelevant här. Svaret på detta frågan ligger i energi, termodynamik, tryck, temperatur, kemi och stjärnfysik.

Potentiell energi och kraft går hand i hand. Gravitationskraften någon gång inne i jorden är den hastighet med vilken gravitationspotentialenergin förändras med avseende på avstånd. Kraft är gradient av energi. Gravitationspotentialenergi är som lägst i jordens centrum.

Det är här termodynamiken spelar in. -principen om minsta totala potentiella energi är en följd av termodynamikens andra lag . Om ett system inte är i sitt minsta möjliga energitillstånd och det finns en väg till det tillståndet, systemet kommer att försöka följa den vägen. En planet med järn och nickel (och andra täta element) lika blandad med lättare element är inte det minsta möjliga energitillståndet. För att minimera den totala potentiella energin bör järn, nickel och andra täta element vara i mitten av en planet, med lättare element utanför kärnan.

En väg måste finnas till det minimala potentiella energitillståndet, och det är här tryck, temperatur och kemi spelar in. Det är dessa som skapar förhållandena som gör det möjligt för termodynamikens andra lag att differentiera en planet. Som ett motexempel är uran ganska tätt, men ändå tappas uran ut i jordens kärna, något utarmat i jordens mantel och kraftigt förbättras i jordskorpan. Kemi är viktigt!

Uran är ganska reaktivt kemiskt. Det har en stark affinitet att kombinera med andra element. Uran är en litofil (” bergälskande ” ) element enligt Goldschmidt-klassificering av element. Uran är faktiskt en ” inkompatibelt element ” , vilket förklarar det relativa överflödet av uran i jordskorpan.

Nickel, kobolt, mangan och molybden, tillsammans med de mest extremt sällsynta och ädla metaller som guld, iridium, osmium, palladium, platina, rhenium, rodium och ruthenium, är ganska inerta kemiskt, men de löser sig lätt i smält järn. Dessa (tillsammans med järn i sig) är de siderofila (järnälskande) elementen. I själva verket är järn inte nära så siderofilt som ädelmetaller. Det rostar (att göra järn är lite litofilt) och det kombineras lätt med svavel (gör järn lite kalkofilt).

Det är här tryck och temperatur spelar in. Tryck och temperatur är extremt höga inne i jorden. Högtryck och hög temperatur tvingar järn att avstå från sina bindningar med andra föreningar. Så nu har vi rent järn och nickel, plus spårmängder av ädla metaller, och termodynamik vill väldigt mycket att de täta elementen sätter sig i centrum. Förhållandena är nu rätta för att det ska hända, och det är precis vad som hände strax efter att jorden bildades.

Slutligen finns det stjärnfysik. Jorden skulle ha en liten liten kärna av sällsynta men täta element om järn och nickel var lika sällsynt som guld och platina. Så är inte fallet. Järn och nickel är överraskande rikliga element i universum. Det finns en allmän tendens att tyngre element blir mindre rikliga. Järn (och i mindre utsträckning nickel) är två undantag från denna regel; se diagrammet nedan. Järn och nickel är där alfa-processen i stjärnfysik slutar. Allt tyngre än järn kräver exotiska processer som s-processen eller de som förekommer i en supernova för att skapa dem. Dessutom är supernova, särskilt typ Ia-supernova, produktiv producent av järn.Trots sina relativt tunga massor är järn och nickel ganska rikliga element i vårt åldrande universum.

_{(källa: virginia.edu )}

Kommentarer

• Bilden, som åtminstone börjar med $ \ mathrm {Sn} $, har atomnummer (eller elementnamn) trasslat.
• Isn ’ t det bara att vad som är märkt Sn, ska vara Cd? Jag tycker att de andra är ok.
• Att ’ är en wikipedia-bild. Jag fick vad jag betalade för. Tenn (Sn) ska helt enkelt flyttas så att det ’ s efter indium (In) snarare än före det.
• Var är den siffran på Wikipedia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . Jag ’ ska ersätta den wiki-bilden med en mer tillförlitlig.

Här är ett intressant tankeexperiment.

Föreställ dig att du har en hissaxel till jordens centrum som av någon märklig anledning inte påverkar jordens gravitationsfält och inte ”t flödar av magma.

OK, nu på jordens yta får du en flaska, halvfull med olja och halvfull med vatten.Vattnet är tätare än oljan, så tyngdkraften på vattnet är större än tyngdkraften på oljan … så vattnet sjunker till botten och oljan flyter på toppen.

Gå ner i din hisschakt. Är allvaret svagare eller starkare här? För vår flaska olja spelar det ingen roll. Oavsett tyngdkraften producerar den fortfarande en större kraft på vattnet än oljan, så vattnet sjunker alltid.

I termer av material som flyter eller sjunker i förhållande till andra material, det spelar ingen roll var gravitationen är stark eller svag, det som är viktigt är bara tyngdkraftsriktningen.

Så varför är inte jorden en stor sfär av material skiktade efter densitet? Tja … till stor del är det. Järn (7 870 kg / m ^ 3) är tätare än magma (~ 2500 kg / m ^ 3) är tätare än vatten (1000 kg / m ^ 3) är tätare än kväve (~ 1 kg / m ^ 3) … och det är den ordning du generellt hittar dem i.

Vad sägs om undantagen? Varför finns det guld (19 300 kg / m ^ 3) och järn i jordskorpan … Jag föreslår David Hammens inlägg.

Ta ett glas vatten och två små kulor, samma storlek, en av järn och en av aluminium. Båda når slutligen botten, men på grund av flytkraften kommer järnet att sätta sig först.

Jorden upptäcktes att ha en fast inre kärna som skilde sig från dess flytande yttre kärna 1936,

…..

Man tror att den främst består av en järn-nickellegering och att den är ungefär samma temperatur som solens yta: cirka 5700 K (5400 ° C). / p>

….

Jordens inre kärna anses vara växa långsamt den flytande yttre kärnan vid gränsen med den inre kärnan svalnar och stelnar på grund av den gradvisa kylningen av jordens inre (cirka 100 grader Celsius per miljard år). Många forskare hade ursprungligen förväntat sig att eftersom den fasta inre kärnan ursprungligen bildades av en gradvis kylning av smält material och fortsätter att växa som ett resultat av samma process, skulle den inre kärnan befinnas vara homogen. Det föreslogs till och med att jordens inre kärna kan vara en järnkristall. Denna förutsägelse motbevisades dock av observationer som tyder på att det faktiskt finns en viss störning i den inre kärnan. Seismologer har funnit att den inre kärnan inte är helt enhetlig, men innehåller istället storskaliga strukturer så att seismiska vågor passerar snabbare genom vissa delar av den inre kärnan än genom andra. Dessutom varierar egenskaperna hos den inre kärnans yta från plats till plats över så små avstånd som 1 km. Denna variation är överraskande, eftersom laterala temperaturvariationer längs den inre kärngränsen är kända för att vara extremt små (denna slutsats begränsas med säkerhet av magnetfältobservationer). Nya upptäckter tyder på att den fasta inre kärnan består av lager, åtskilda av en övergångszon som är cirka 250 till 400 km tjock. Om den inre kärnan växer av små frysta sediment som faller på ytan, kan viss vätska också fångas i porutrymmena och en del av denna kvarvarande vätska kan fortfarande kvarstå i viss liten grad i mycket av dess inre.

….

Jorden ”s inre kärna är en boll av fast järn ungefär lika stor som vår måne. Denna boll omges av en mycket dynamisk yttre kärna av en flytande järn-nickellegering (och några andra, lättare element), en mycket viskös mantel och en solid skorpa som bildar ytan där vi bor.

Under miljarder år har jorden svalnat inifrån och ut och orsakat att den smälta järnkärnan delvis fryser och stelnar. Den inre kärnan har därefter växer med en hastighet på cirka 1 mm per år när järnkristaller fryser och bildar en fast massa.

Värmen som avges när kärnan svalnar strömmar från kärnan till manteln till jordskorpan genom en process känd som konvekt Jon. Som en vattenpanna som kokar på en spis, flyttar konvektionsströmmar varm mantel till ytan och skickar sval mantel tillbaka till kärnan. Denna utgående värme driver geodynamo och tillsammans med jordens snurrning genererar magnetfältet.

Så här ser vi att den fasta inre kärnan långsamt byggdes upp från den flytande yttre kärnan. Det är i den yttre kärnan som kompositionerna skiljer de tyngre elementen som faller ut från vätskan i gravitationsfältet, som uppstår från den inre kärnan.

Extrapolering från observationer av kylningen av den inre kärnan, uppskattas att den nuvarande fasta inre kärnan bildades för ungefär 2 till 4 miljarder år sedan från vad som ursprungligen var en helt smält kärna. Om det är sant, skulle detta innebära att jordens fasta inre kärna inte är en urfunktion som fanns under planetens bildande, utan en funktion som är yngre än jorden (jorden är ungefär 4,5 miljarder år gammal).

Låt oss sedan titta på perioden då den inre och yttre kärnan var flytande. Ju närmare mitten av gravitationsfältet desto mindre tyngdkraft, men fortfarande skulle volymen till massa * spela samma roll i vätskan och koncentrera den tyngre till mitten och bilda de första fröna för kärnan när systemet svalnade. / p>

varför domineras inte kärnan av de tyngsta elementen (element tyngre än järn)?

Nu beror anledningen till att kärnan är järn / nickel på grund av elementens bindande energikurva .

Bindningsenergi per nukleon av vanliga isotoper

Uppbyggnaden av tyngre element i kärnfusionsprocesserna i stjärnor är begränsad till element under järn, eftersom fusionen av järn skulle subtrahera energi snarare än att ge den. Järn-56 är rikligt i stjärnprocesser, och med en bindningsenergi per nukleon på 8,8 MeV är det den tredje tätast bundna av nukliderna. Dess genomsnittliga bindningsenergi per nukleon överskrids endast av 58Fe och 62Ni, nickelisotopen är den tätast bundna av nukliderna.

Det är där fusionen slutar vara energiskt gynnsam. I Big Bang-modellen där en ursåpa hamnar i skapelserna genom fusion av kärnor, stannar modellen längst upp i kurvan.

Kärnsyntes för tunga element fortsätter i supernovaexplosioner:

Element ovanför järn i det periodiska systemet kan inte bildas i de normala kärnfusionsprocesserna i stjärnor. Upp till järn ger fusion energi och kan därmed fortsätta. Men eftersom ” järngruppen ” ligger vid toppen av den bindande energikurvan, absorberar fusion av element ovanför järn dramatiskt energi. (Nukliden 62Ni är den mest tätt bundna nukliden, men den är inte alls så riklig som 56Fe i stjärnkärnorna, så astrofysisk diskussion handlar vanligtvis om järnet.) Faktiskt kan 52Fe fånga en 4He för att producera 56Ni men det är den sista steg i heliumupptagningskedjan.

Med tanke på ett neutronflöde i en massiv stjärna kan tyngre isotoper produceras genom neutronupptagning. …

Sammanfattningsvis:

Skikten som innehåller de tunga elementen kan blåses av av supernovaexplosionen och ge råvaran av tunga element i de avlägsna vätemolnen som kondenserar till nya stjärnor.

Eftersom tyngre element är mycket sällsynta och kommer från ett sekundärt steg som en explosion av en stjärna, de specifika förhållandena för bildandet av vår stjärna, solen och skapelserna av planeterna runt den visar att jorden har tyngre än järnelement som ackumulerats vid en andra nivån till den ursprungliga materien som sammanföll till sin kärna. Överflödet är väldigt litet

de tyngsta naturligt radioaktiva elementen , torium och uran, utgör 8,5 delar per miljon respektive 1,7 delar per miljon. Några av de sällsynta elementen är också de tätaste; dessa är platinagruppens metaller, inklusive osmium vid 50 delar per biljon, platina vid 400 delar per biljon och iridium vid 50 delar per biljon.

och skulle kan inte detekteras med seismografiska metoder som studerar den inre och yttre kärnan.

 ----- 

• volym till massa för alla element kan ses här

Newtons lag säger att mitten av det sfäriska skalet känns noll tyngdkraft. Så det mycket minsta (faktiskt punkten) mittpunkten på jorden känner noll tyngdkraften (från jorden själv). Tänk på det på det här sättet, varje riktning du ser där är samma massa som drar radiellt bort – tyngdkraften balanserar helt och hållet till noll. Rör dig nu 100 mil i vilken riktning som helst från centrum. Du har nu hundra mil materia inte längre i skalet som utövar en obalanserad dragning – tyngdkraften träder i kraft och separationen av saker börjar ta placera wi tätare material som faller inåt och lättare material som flyter uppåt. Ju längre du rör dig från centrum desto högre blir tyngdkraftens obalanserade kraft och desto snabbare sker separationen. Observera att det att ha noll gravitationsdrag i mitten inte betyder noll tryck. Trycket från alla obalanserade krafter ökar trots variationerna i attraktionskraften. Så jordens centrum känner ingen gravitation, men känner det största trycket, allt på grund av sfärisk symmetri.

Jag tror att ett enkelt svar är att boyantstyrkan mestadels är ansvarig för att tunga element sjunker ner till jordens centrum. Till exempel flyter ett hangarfartyg på vatten eftersom fartyget har mycket utrymme inuti sig. Således om du fyllde det här utrymmet med vatten och sedan vägde det, skulle du upptäcka att fartygets vikt utan vattnet är mindre än den mängd vatten det förskjuter eller vattenvikten. Detta gör det lättare än vattnet och det flyter. Tunga element har fler atomer i en viss mängd utrymme än lättare element så tunga element sjunker medan lättare flyter ovanpå och så vidare.Ett enkelt sätt att tänka på jordens centrum är att om du befinner dig där, är alla riktningar från centrum uppåt och kraften skulle vara densamma från alla håll så att de skulle avbryta och lämna dig tyngdlös.

Jag är bara 14, och jag kommer att försöka svara på frågan baserat på min förståelse.

Först av allt tyngdkraften, som är en kraft och därmed en vektor, skulle avbrytas i kärnan, eftersom det inte bara beror på storleken på den relativa kraften utan också riktningen på den, dvs en vektor som går uppåt skulle avbrytas med en vektor som går nedåt , och så vidare. Men …..

Om vi skulle hugga ett skal för oss själva i mitten av jorden (se skaletiken) skulle vi uppleva viktlöshet inuti skalet tills vi är Det skulle uppleva noll tyngdkraft. Enligt din fråga, om kärnan var gjorda av tyngre element, skulle det bara påverka gravitationskraften vi upplever utanför t skal.

Så det spelar ingen roll om kärnan består av järn eller volfram. Kärnan består av vad den är och dess natur. Du måste vara bekant med jordens historia, hur den bildades. Tyngdkraften skulle inte ha någon effekt med vad vår kärna bestod av.

Men det verkliga problemet skulle vara magnetfältet. Järn är en fantastisk magnet (när den magnetiseras eller finns som en magnet). Det var och är den enda anhängaren av vårt magnetfält. Jag vet inte om många andra element, men ett tyngre element skulle verkligen inte kunna upprätthålla vårt magnetfält. Om det kunde det skulle det antingen vara för starkt eller för svagt att hålla ”kosmisk strålning” från solen. Om också svag, strålningen skulle decimera oss. Om det är för starkt skulle detsamma hända.

En grundläggande fysiklag som Newton anger är att alla partiklar lockar varandra, men den är så liten (The Gravitational Constant) att vi bara kan se tyngdkraften för himmelska kroppar (planeterna och stjärnorna och så vidare). Så i kärnan skulle vi uppleva tyngdkraften, men inte i det skal vi skulle skapa, där skalsatsen skulle gälla. / p>

Så kort sagt, naturen har gjort vår kärna och vi kan inte ändra den. Vi har aldrig upplevt (och jag hoppas att vi aldrig gör det) en förändring i kärnans sammansättning. När det gäller frågan tror jag det skulle inte ha någon effekt på tyngdkraften i kärnan om elementen som komponerade den var olika. Men det kan säkert göra att gravitationsdraget vi upplever annorlunda. Det kan till och med göra vår planet bebodd.

Hoppas det hjälper.

Kommentarer

• Ditt svar verkar koka ner till uttalande ” Så det skulle ’ inte spela någon roll om kärnan består av järn eller volfram. Kärnan består av vad det är och att ’ s natur. ” som är en komplett cop-out och inte ’ t adressera själva frågan alls.
• @BrandonEnright Nej, det här svaret är inte så grunt. Resonemanget är som ” inget järn i kärnan = > inget magnetfält = > inget liv = > motsägelse; därför måste det finnas järn i kärnan ”. Enligt Dynamo-teorin krävs dock inte järn; vilken elektriskt ledande vätska som helst. Detta inkluderar volfram, vatten och metalliskt väte .