Si la gravedad en el centro de la Tierra es cero, ¿por qué son los elementos pesados como el hierro no?

Question

Si la gravedad es cero en el centro de la tierra, ¿por qué hay un núcleo de elementos pesados, como el hierro?

Alternativo pregunta para la hipótesis contraria:

Si la gravedad es mayor en el centro de la tierra, como la educación clásica nos dice, ¿por qué es el núcleo no dominada por los elementos más pesados (elementos más pesados que el hierro)?

Soy una persona razonablemente familiarizado con los términos técnicos, pero no soy un físico así que os agradezco las respuestas, que no se basan en las ecuaciones. Yo soy un 70 años de edad y quiero explicarle a mi madre que es igualmente curioso.

Answer 1

Olvídate de la fuerza. La fuerza es un poco demasiado irrelevante aquí. La respuesta a esta pregunta reside en la energía, termodinámica, la presión, la temperatura, la química y la física estelar.

La energía potencial y la fuerza van de la mano. La fuerza de la gravedad en algún punto del interior de la Tierra es la tasa a la cual la energía potencial gravitatoria cambios con respecto a la distancia. La fuerza es el gradiente de energía. La energía potencial gravitatoria es la más baja en el centro de la Tierra.

Aquí es donde la termodinámica entra en juego. El principio de mínima total de la energía potencial es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. Si un sistema no está en su mínimo de energía potencial del estado y hay una vía para que el estado, el sistema intentará seguir esa vía. Un planeta con el hierro y el níquel (y otros elementos densos) igualmente mezclados con elementos más ligeros no es el mínimo de la energía potencial de la condición. Para minimizar el potencial total de energía, el hierro, el níquel y otros elementos densos debe estar en el centro de un planeta, con el más ligero de los elementos fuera del núcleo.

Una vía que ha de existir para que el mínimo de energía potencial del estado, y aquí es donde la presión, la temperatura y la química entra en juego. Estas son las que crean las condiciones que permiten que la segunda ley de la termodinámica para diferenciar a un planeta. Como contraejemplo, el uranio es bastante denso, pero sin embargo, el uranio empobrecido en el núcleo de la Tierra, ligeramente reducidos en el manto terrestre, y el fuerte incremento en la corteza de la Tierra. La química es importante!

El uranio es bastante reactivo químicamente. Tiene una fuerte afinidad para combinarse con otros elementos. El uranio es una lithophile ("rock-amorosa"), elemento que por el Goldschmidt clasificación de los elementos. De hecho, el uranio es un "elemento incompatible", lo que explica la relativa abundancia de uranio en la corteza terrestre.

El níquel, el cobalto, el manganeso y el molibdeno, junto con la mayoría de los extremadamente raras y metales preciosos tales como el oro, iridio, osmio, paladio, platino, renio, rodio y rutenio, son bastante inertes químicamente, pero no se disuelven fácilmente en el hierro fundido. Estos (junto con el hierro), son las siderophile (hierro-amoroso) elementos. De hecho, el hierro no es cerca como siderophilic como los metales preciosos. Se oxida (hacer el hierro es un poco lithophilic) y fácilmente se combina con el azufre (decisiones de hierro un poco chalcophilic).

Esto es donde la presión y la temperatura entran en juego. La presión y la temperatura son extremadamente altas en el interior de la Tierra. De alta presión y alta temperatura de la fuerza de hierro a renunciar a sus vínculos con otros compuestos. Así que ahora tenemos puro hierro y níquel, además de trazas de metales preciosos, y la termodinámica que quiere mucho a tener los elementos densos asentarse hacia el centro. Las condiciones para que eso suceda, y eso es exactamente lo que sucedió poco después de que la Tierra se formó.

Por último, hay estelares de la física. La Tierra tendría un pequeño núcleo de raro, pero elementos densos si el hierro y el níquel eran tan raros como el oro y el platino. Ese no es el caso. El hierro y el níquel son sorprendentemente abundantes elementos en el universo. Hay una tendencia general a que los elementos más pesados a ser menos abundante. De hierro (y, en menor medida, de níquel) son dos excepciones a esta regla; véase el gráfico a continuación. El hierro y el níquel son donde el alfa proceso en física estelar se detiene. Todo más pesados que el hierro requiere exóticas procesos tales como el s-proceso o las que se producen en una supernova para crearlos. Por otra parte, supernova, en particular de las supernovas tipo Ia, son prolíficos productores de hierro. A pesar de su relativamente pesadas masas, el hierro y el níquel son muy abundantes elementos en nuestro envejecimiento universo.

Answer 2

Hay dos diferentes cantidades de aquí a distinguir: la fuerza de la gravedad y la gravitacional. En el centro de la Tierra, la fuerza gravitacional es cero, pero la gravitacional bien es en su más profundo. Los elementos más pesados tienden a migrar hacia el punto más bajo en la gravitacional, por lo que están en el centro, aunque la fuerza es cero allí.

Si me cae una bola aquí en la superficie de la Tierra, se acelerará hacia abajo en alrededor de $10\, \mathrm{m/ s^2}$ Esto es debido a que la fuerza de la gravedad tira de él hacia abajo. Fuerza de la gravedad tira de cosas hacia el centro de la Tierra. Como usted ir más alto y más alto, la fuerza de la gravedad se vuelve más débil. Si tienes que subir a un edificio alto, la fuerza de la gravedad va hacia abajo por un par de milésimas de un por ciento, pero si te vas de camino hacia el espacio, decir tan lejos como la luna, la luna se vuelve mucho más débil, eventualmente llegar tan débil que casi no se puede notar.

Como bajar a la Tierra, la fuerza gravitatoria se hace más fuerte debido a que se están acercando a las cosas pesadas en el centro de la Tierra. Sin embargo, si vas a miles de millas (mucho más de lo que tenemos la tecnología para ir hoy), la fuerza gravitatoria se comienza a recibir más débil debido a que la mayoría de la masa terrestre está por encima de usted ahora, y ya no tira de ti hacia abajo hacia el centro. De modo que la fuerza gravitacional maxes la parte de abajo hacia el centro, luego empieza a desvanecía. En el centro, la fuerza gravitacional es cero porque no hay igualdad de masa tirando desde todos los lados, y todo se cancela. Si usted construye un cuarto, usted podría flotar libremente. Eso es lo que significa decir que la gravedad es cero en el centro de la Tierra.

Sin embargo, la gravitacional bien es una historia diferente. Esto es acerca de la cantidad de energía que se necesitaría para escapar de la Tierra. Si usted está en la superficie de la Tierra, esto es alrededor de 60 millones de Julios por kilogramo. Como usted ve, se vuelve más y más pequeño, y si ir muy lejos, efectivamente cae a cero una vez que esté lo suficientemente lejos de la Tierra por la fuerza gravitatoria es despreciable.

Como puede ir más profundo en la Tierra, obtendrá más y más profundo en la gravitacional. Incluso cuando estás profundamente en la Tierra y la fuerza gravitacional no es muy fuerte, va más abajo todavía se mueve más profundo en la Tierra la gravedad del bien.

La fuerza de la gravedad y la gravitacional bien están relacionados unos con otros. La fuerza es la rapidez con que el bien se vuelve más profunda. Cuando usted consigue profundo en la Tierra, pero no del todo en el centro, la fuerza de la gravedad es pequeña. Eso significa que el movimiento más abajo pone más profundo en la gravitacional bien, pero sólo de forma gradual. La pendiente de que el bien es profunda, pero todavía más profundo.

A grandes rasgos, de los elementos en un planeta como la Tierra, se intenta minimizar su energía. Ellos hacen esto por llegar tan profundo en la gravitacional así como se puede porque cuanto más se entra en el bien, menor es su energía. Las partes profundas del bien hacer de relleno, sin embargo, porque no todo puede caber en el mismo centro. La energía es mínima por poner cosas pesadas, como el hierro, abajo en el centro, y la más ligera de cosas más.

Esto está lejos de ser una descripción perfecta de la Tierra, porque es lo que sucede en el equilibrio y en cero de temperatura, y que no es de la Tierra, pero es una buena aproximación de lo que sucede en la Tierra.

Entonces, la respuesta es que la fuerza gravitacional es cero en el centro, pero la energía gravitacional es más bajo que hay, y cosas pesadas ir a donde la energía gravitacional es más bajo, así que es por eso que el centro de la Tierra es principalmente el material pesado.

Answer 3

He aquí un interesante experimento.

Imagine que usted tiene un pozo de ascensor en el centro de la Tierra que, por alguna extraña razón, no afecta el campo gravitatorio de la Tierra y no de la inundación con el magma.

OK, ahora en la superficie de la Tierra de conseguir una botella, medio llena con el aceite y la mitad con agua. El agua es más densa que el aceite, por lo que la fuerza de la gravedad en el agua es mayor que la fuerza de la gravedad en el aceite... por lo que el agua se hunde hasta el fondo y el aceite flota en la parte superior.

Ahora, con la cabeza hacia abajo su hueco del ascensor. Es la gravedad es más débil o fuerte aquí? Bien, para nuestra botella de aceite que en realidad no importa. Cualquiera que sea la gravedad, todavía produce una fuerza mayor en el agua que hace que el aceite, por lo que el agua del fregadero.

En términos de materiales de flotación o hundimiento en relación a otros materiales, no importa donde la gravedad es fuerte débil, lo que importa es sólo la dirección de la gravedad.

Así que ¿por qué no la Tierra una gran esfera de los materiales en capas de densidad? Bueno... en gran parte lo es. Hierro (7,870 kg/m^3) es más denso que el magma (~2.500 kg/m^3) es más denso que el agua (1000 kg/m^3) es más denso que el nitrógeno (~1 kg/m^3)... y esa es la orden que generalmente se encuentra en.

¿Qué acerca de las excepciones? ¿Por qué hay oro (19,300 kg/m^3) y de hierro en la corteza de la Tierra... que me sugieren David Hammen del post.

Answer 4

Voy a tratar de hacer un muy aproximada de la respuesta de su madre (según pedido), asumiendo la Tierra esférica, y varias otras aproximaciones. No soy experto en geofísica, o la física estelar. y si quieres más detalles o mayor exactitud, yo sugiero que busque en otras respuestas, como la de David Hammen y otros.

Acerca de la gravedad

Primero con respecto a la gravedad. Hay gravedad en el centro de la Tierra, y si no, ¿por qué nada se sienten atraídos allí?

Un ejercicio básico a la hora de estudiar la gravedad es calcular la fuerza de gravedad en el interior de un vacío de la cáscara esférica de la materia (como la goma de la bola de la cesta). La respuesta es: no hay gravedad producido por la cáscara esférica dentro de la cáscara , aunque hay la gravedad fuera producido por el shell.

Si ahora consideramos un shere lleno de materia, un 6371 km de radio (como la tierra), y un punto a los 5000 km desde el centro, se puede descompone en un espectro completo de 5000 km de radio y una esfera shell a su alrededor con 1371 km de espesor. La cáscara esférica causas no la gravedad, por lo tanto, toda la gravedad no es para ser observado es que producido por la esfera de 5000 km de radio.

Esto es realmente cierto para cualquier radio, de modo que, en el centro de la Tierra, es decir, con un radio de 0 km, no hay nada a la izquierda para producir la gravedad puesto que toda la materia está en el "shell".

Pero eso no importa demasiado, ya que, hay algunos de gravedad hacia el centro tan pronto como llegue a cierta distancia del centro, sin embargo débil cuando cerca del centro, de modo que, con el tiempo, havier la materia tienden a hundirse hasta el fondo, es decir, para el centro.

Luego está el tema de lo que es más pesado.

Lo que se hizo en la Tierra

Original de la materia en el universo (no va a volver a la Big Bang a pesar de que está compuesto en su mayoría elemento muy ligero, sobre todo hydrogene. Las estrellas se forman por la acumulación de esta cuestión en virtud de las fuerzas gravitacionales, y inicio de fusión (reacción nuclear) en elementos más pesados, y producir la energía que percibimos (en parte) como la luz. Tienden a producir una gran cantidad de elementos como el hierro (y otros de los que en torno a la "media" de la tabla de los elementos, los porqués de estos tienen los más estables del núcleo atómico de que poca energía puede ser extraída, por lo que las estrellas mueren (en varios maneras) cuando se han transformado su materia en tales elementos. Explosión Final de algunas estrellas (supernovas) producen más pesado elementos, pero no en gran cantidad. Este (muy groseramente) explica ¿por qué el hierro (y algunos otros elementos) tienden a estar disponible en la mayor cantidad.

¿Por qué la materia no se estratificó por la densidad.

De nuevo, soy ningún experto, por que existe una gran variedad de fenómenos que están en trabajo. Aquí hay dos ejemplos.

De hecho, ya que al menos parte del planeta es algo fluido, uno podría esperar que te los componentes pesados se hunden. Pero hay mucho calor producida en el interior del planeta, debido enparticular a la radiactividad, y este calor se produce por convección (y por tanto de la deriva continental). La convección significa movimiento, mover la materia a su alrededor. Que es más un aspecto dinámico.

Otro fenómeno es que los elementos químicos son raramente pura. Ellos combinar física o químicamente para hacer compuestos que tienen propiedades físicas diferentes. Un compuesto que se forma de un elemento pesado y un poquito de uno puede ser bastante ligero y flotante de los componentes más pesados hacia la superficie del planeta, la parte más ligera jugando el papel de una boya. Así que, a pesar de uranio es mucho más pesados que el hierro, uranio compuestos con elementos más ligeros se pueden encontrar en la superficie de la planeta, o muy cerca de ella. El fenómeno depende mucho de la la capacidad de los diferentes tipos de elementos más pesados para combinar con más claros.

También hay que tener en cuenta que la Tierra tomó un largo tiempo para la formación y la importancia de los diferentes fenómenos que pueden haber cambiado en el transcurso de su formación.

Answer 5

Tomar un vaso de agua y dos bolitas del mismo tamaño, uno de hierro y uno de aluminio. Ambos alcanzan la parte inferior por último, pero debido a la flotabilidad de la voluntad de hierro de resolver primero.

La Tierra fue descubierto a tener un núcleo interno sólido a diferencia de su núcleo exterior líquido en 1936,

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Se cree que consisten principalmente de hierro–níquel de la aleación y de ser aproximadamente la misma temperatura que la superficie del Sol: aproximadamente 5700 K (5400 °C).

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La Tierra del núcleo interno está pensado para ser poco a poco va creciendo el núcleo externo líquido en el límite con el núcleo interior se enfría y se solidifica debido a que el enfriamiento gradual del interior de la Tierra (alrededor de 100 grados Celsius por cada mil millones de años). Muchos científicos habían previsto inicialmente que, debido a que el núcleo interno sólido fue formada originalmente por un enfriamiento gradual de material fundido, y continúa creciendo como resultado del mismo proceso, el núcleo interno pasaría a ser homogénea. Incluso se sugirió que la Tierra del núcleo interno podría ser de un único cristal de hierro. Sin embargo, esta predicción fue desmentida por las observaciones que indican que, en realidad, es un grado de desorden en el interior del núcleo. Los sismólogos han encontrado que el núcleo interno no es completamente uniforme, sino que contiene estructuras a gran escala tal que las ondas sísmicas pasan más rápidamente a través de algunas partes del núcleo interior que a través de otros. Además, las propiedades del núcleo interior de la superficie varían de un lugar a otro a través de distancias tan pequeñas como de 1 km. Esta variación es de extrañar, ya lateral de las variaciones de temperatura a lo largo del interior de límite núcleo-son conocidas por ser muy pequeña (esta es una conclusión con confianza limitada por el campo magnético de observaciones). Descubrimientos recientes sugieren que el núcleo interno sólido misma está compuesta de capas, separadas por una zona de transición de 250 a 400 km de espesor. Si el núcleo interno crece por pequeño congelado sedimentos que caen sobre la superficie, luego un poco de líquido también puede ser atrapado en los poros y algunos de este líquido residual puede que aún persisten a algunos de los pequeños grado en gran parte de su interior.

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La Tierra del núcleo interno es una bola de hierro sólido sobre el tamaño de nuestra luna. Esta pelota está rodeado por un gran dinamismo en la periferia del núcleo de hierro líquido-aleación de níquel (y algunos otros, los elementos más ligeros), una alta viscosidad del manto y una corteza sólida que conforma la superficie en la que vivimos.

Durante miles de millones de años, la Tierra se ha enfriado desde el interior causando que el hierro fundido del núcleo, en parte, se congelan y se solidifique. El núcleo interno, que posteriormente ha ido creciendo a un ritmo de alrededor de 1 mm de un año como el hierro cristales se congelan y forman una masa sólida.

El calor que desprenden a medida que el núcleo se enfría fluye desde el núcleo, el manto de la corteza terrestre a través de un proceso conocido como convección. Como una olla de agua hirviendo en la estufa, las corrientes de convección mover cálido manto a la superficie y enviar fresco manto de vuelta al núcleo. Este escape de calor de los poderes de la geodynamo y junto con el girar de la Tierra genera el campo magnético.

Así que a partir de esto podemos ver que el núcleo interno sólido lentamente construye desde el líquido en la periferia del núcleo. Es en el núcleo externo que las composiciones diferenciar los elementos más pesados de la precipitación de los líquidos en el campo gravitatorio , que surge desde el interior del núcleo.

La extrapolación de las observaciones de la refrigeración del núcleo interno, se estima que el actual núcleo interno sólido formado aproximadamente de 2 a 4 mil millones de años de lo que originalmente era enteramente un núcleo de magma. Si es verdad, esto significaría que la Tierra del núcleo interno sólido no es una característica primordial que estuvo presente durante el planeta de la formación, sino una característica más joven que la de la Tierra (la Tierra es de alrededor de 4,5 mil millones de años).

Veamos, a continuación, en el período en el interior y exterior del núcleo fueron líquido. Cuanto más cerca del centro del campo gravitacional de la menor fuerza de la gravedad, pero aún así el volumen de la masa* jugaría el mismo papel en el líquido, concentrando el más pesado para el centro, formando las primeras semillas para el núcleo como el sistema de enfriado.

¿por qué es el núcleo no dominada por los elementos más pesados (elementos más pesados que el hierro)?

Ahora la razón por la que el núcleo es de hierro/níquel es debido a la energía de enlace de la curva de los elementos.

La energía de enlace por nucleón del común de los isótopos

La acumulación de elementos pesados en los procesos de fusión nuclear en las estrellas está limitado a los siguientes elementos de hierro, ya que la fusión de hierro restar la energía en lugar de proporcionar. El hierro-56 es abundante en el estelar de los procesos, y con una energía de enlace por nucleón de 8.8 MeV, es la tercera más estrechamente unidos, de los nucleidos. Su promedio de la energía de enlace por nucleón es sólo superado por 58Fe y 62Ni, el níquel isótopos siendo el más estrechamente unidos, de los nucleidos.

Que es donde la fusión deja de ser energéticamente favorable. En el modelo del Big Bang, donde una sopa primordial, termina en las creaciones de la fusión de los núcleos, el modelo se detiene en la parte superior de la curva.

Nuclear síntesis de elementos pesados procede en explosiones de supernovas:

Los elementos anteriores de hierro en la tabla periódica no puede ser formado en el normal de los procesos de fusión nuclear en las estrellas. Hasta el hierro, la fusión de los rendimientos de la energía y por lo tanto puede proceder. Pero desde el "hierro del grupo" está en la cima de la energía de enlace de la curva de fusión de los elementos anteriores de hierro dramáticamente absorbe la energía. (El núclido 62Ni es el más estrechamente vinculado nucleido, pero no es casi tan abundante como 56Fe en los núcleos estelares, por lo que de astrofísica de discusión general, se centra en el hierro). En realidad, 52Fe puede capturar una 4He para producir 56Ni pero que es el último paso en la captura de helio de la cadena.

Dado un flujo de neutrones en una estrella masiva, isótopos más pesados pueden ser producidos por captura de neutrones. ...

En conclusión:

Las capas que contienen los elementos pesados pueden ser alcanzados por la explosión de la supernova, y constituyen la materia prima de elementos pesados en las lejanas nubes de hidrógeno que se condensan para formar nuevas estrellas.

Debido a que los elementos más pesados son mucho más raros y viniendo de un paso secundario como una explosión de una estrella en las condiciones específicas de la formación de nuestra estrella, el sol, y las creaciones de los planetas alrededor mostrar que la tierra, tiene más pesados que el hierro de los elementos acumulados en un segundo nivel a la materia original que se unieron a su núcleo. Las abundancias son muy pequeñas

el más pesado, naturalmente, de elementos radiactivos, el torio y el uranio, el maquillaje 8.5 partes por millón y el 1,7 partes por millón, respectivamente. Algunos de los más raros elementos también son de las más densas; estos son los metales del grupo del platino, incluyendo el osmio a 50 partes por billón, el platino a 400 partes por billón y de iridium a 50 partes por billón).

y no sería detectable con el sismográficos de que los métodos de estudio del interior y exterior del núcleo.

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• el volumen de la masa de todos los elementos puede ser visto aquí