Si la gravedad en el centro de la Tierra es cero, ¿por qué hay allí elementos pesados ​​como el hierro?

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

La energía potencial y la fuerza van de la mano. La fuerza gravitacional en algún punto dentro de la Tierra es la velocidad a la que cambia la energía potencial gravitacional con respecto a la distancia. La fuerza es el gradiente de energía. La energía potencial gravitatoria está en su punto más bajo en el centro de la Tierra.

Aquí es donde entra en juego la termodinámica. El principio de energía potencial total mínima es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica . Si un sistema no está en su estado de energía potencial mínima y hay un camino hacia ese estado, el sistema intentará seguir ese camino. Un planeta con hierro y níquel (y otros elementos densos) igualmente mezclados con elementos más livianos no es la condición mínima de energía potencial. Para minimizar la energía potencial total, el hierro, el níquel y otros elementos densos deben estar en el centro de un planeta, con elementos más livianos fuera del núcleo.

Tiene que existir un camino hacia ese estado de energía potencial mínima, y ​​aquí es donde entran en juego la presión, la temperatura y la química. Estos son los que crean las condiciones que permiten que la segunda ley de la termodinámica diferencie un planeta. Como contraejemplo, el uranio es bastante denso, pero aún así el uranio está empobrecido en el núcleo de la Tierra, ligeramente empobrecido en el manto de la Tierra y fuertemente aumentado en la corteza terrestre. ¡La química es importante!

El uranio es bastante reactivo químicamente. Tiene una fuerte afinidad para combinarse con otros elementos. El uranio es un elemento litófilo ("amante de las rocas") según la clasificación de elementos de Goldschmidt. 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 los metales más raros y preciosos como el oro, el iridio, el osmio, el paladio, el platino, el renio, el rodio y el rutenio, son bastante inertes químicamente, pero se disuelven fácilmente en el hierro fundido. Estos (junto con el propio hierro) son los elementos siderófilos (amantes del hierro). De hecho, el hierro no es tan siderófilo como los metales preciosos. Se oxida (haciendo que el hierro sea un poco litofílico) y se combina fácilmente con el azufre (haciendo que el hierro sea un poco calcofílico).

Aquí es donde entran en juego la presión y la temperatura. La presión y la temperatura son extremadamente altas dentro de la Tierra. La alta presión y la alta temperatura obligan al hierro a renunciar a sus enlaces con otros compuestos. Así que ahora tenemos hierro y níquel puros, además de trazas de metales preciosos, y la termodinámica quiere mucho que esos elementos densos se asienten hacia el centro. Las condiciones ahora son las adecuadas para que eso suceda, y eso es exactamente lo que sucedió poco después de que se formara la Tierra.

Finalmente, está la física estelar. La Tierra tendría un pequeño núcleo de elementos raros pero densos si el hierro y el níquel fueran tan raros como el oro y el platino. Ese no es el caso. El hierro y el níquel son elementos sorprendentemente abundantes en el universo. Hay una tendencia general a que los elementos más pesados ​​sean menos abundantes. El hierro (y, en menor medida, el níquel) son dos excepciones a esta regla; vea el gráfico a continuación. El hierro y el níquel son donde se detiene el proceso alfa en la física estelar. Todo lo que es más pesado que el hierro requiere procesos exóticos como el proceso s o los que se dan en una supernovapara crearlos. Además, las supernovas, en particular las supernovas de tipo Ia, son prolíficas productoras de hierro. A pesar de sus masas relativamente pesadas, el hierro y el níquel son elementos bastante abundantes en nuestro universo envejecido.

_{(fuente: virginia.edu )}

Hay dos cantidades diferentes aquí para distinguir: la fuerza gravitacional y el pozo gravitacional. En el centro de la Tierra, la fuerza gravitacional es cero, pero el pozo gravitatorio está en su punto más profundo. Los elementos pesados ​​tienden a migrar al punto más bajo del pozo gravitacional, por lo que están en el centro, aunque la fuerza sea cero allí.

Si dejo caer una pelota aquí en la superficie de la Tierra, acelerará hacia abajo aproximadamente$10\, \mathrm{m/ s^2}$Esto se debe a que la fuerza gravitacional lo empuja hacia abajo. La fuerza gravitatoria atrae las cosas hacia el centro de la Tierra. A medida que asciendes más y más, la fuerza gravitatoria se debilita. Si subes a un edificio alto, la fuerza gravitatoria disminuye unas pocas milésimas de un porcentaje, pero si vas al espacio, digamos hasta la luna, se vuelve mucho más débil, y eventualmente se vuelve tan débil que apenas puedes notarlo. más.

A medida que desciendes hacia la Tierra, la fuerza gravitacional se vuelve más fuerte porque te acercas a las cosas pesadas en el centro de la Tierra. Sin embargo, si desciende miles de millas (mucho más de lo que tenemos la tecnología para ir hoy), la fuerza gravitatoria comenzará a debilitarse porque la mayor parte de la masa de la Tierra está ahora sobre usted y ya no lo empuja hacia el centro. Entonces, la fuerza gravitatoria alcanza su máximo en parte hacia el centro y luego comienza a desvanecerse. En el mismo centro, la fuerza gravitatoria es cero porque hay una masa igual tirando de ti desde todos los lados, y todo se cancela. Si construyes una habitación allí, puedes flotar libremente. Eso es lo que significa decir que la gravedad es cero en el centro de la Tierra.

Sin embargo, el pozo gravitacional es una historia diferente. Se trata de cuánta energía se necesitaría para escapar de la Tierra. Si estás en la superficie de la Tierra, esto es alrededor de 60 millones de julios por kilogramo. A medida que subes, se vuelve más y más pequeño, y si te alejas mucho, cae efectivamente a cero una vez que estás lo suficientemente lejos como para que la atracción gravitacional de la Tierra sea insignificante.

A medida que desciendes más profundamente en la Tierra, te adentras más y más en el pozo gravitacional. Incluso cuando estás en las profundidades de la Tierra y la atracción gravitacional no es muy fuerte, descender aún más te mueve más profundamente en el pozo gravitacional de la Tierra.

La fuerza gravitacional y el pozo gravitacional están relacionados entre sí. La fuerza es la rapidez con la que el pozo se hace más profundo. Cuando te adentras en la Tierra, pero no del todo en el centro, la fuerza gravitacional es pequeña. Eso significa que moverse más hacia abajo lo coloca más profundo en el pozo gravitatorio, pero solo gradualmente. La pendiente del pozo es poco profunda allí, pero aún se hace más profunda.

En términos generales, los elementos de un planeta como la Tierra intentarán minimizar su energía. Lo hacen adentrándose lo más profundo que pueden en el pozo gravitacional porque cuanto más profundo se adentran en el pozo, menor es su energía. Sin embargo, las partes profundas del pozo se llenan porque no todo cabe en el centro. La energía se minimiza colocando las cosas pesadas, como el hierro, en el centro y las más livianas más arriba.

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

Entonces su respuesta es que la fuerza gravitatoria es cero en el centro, pero la energía gravitatoria es más baja allí, y las cosas pesadas van donde la energía gravitacional es más baja, por eso es que el centro de la Tierra es principalmente la materia pesada.

Aquí hay un experimento mental interesante.

Imagina que tienes un hueco de ascensor al centro de la Tierra que, por alguna extraña razón, no afecta el campo gravitacional de la Tierra y no se inunda con magma.

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

Ahora, baja por el hueco de tu ascensor. ¿La gravedad es más débil o más fuerte aquí? Bueno, para nuestra botella de aceite realmente no importa. Cualquiera que sea la gravedad, aún produce una fuerza mayor sobre el agua que la que produce el petróleo, por lo que el agua siempre se hundirá.

En términos de materiales que flotan o se hunden en relación con otros materiales, no importa dónde la gravedad sea fuerte o débil, lo que importa es solo la dirección de la gravedad.

Entonces, ¿por qué la Tierra no es una gran esfera de materiales estratificados por densidad? Bueno... en gran parte lo es. El hierro (7870 kg/m^3) es más denso que el magma (~2500 kg/m^3) es más denso que el agua (1000 kg/m^3) es más denso que el nitrógeno (~1 kg/m^3)... y ese es el orden en el que generalmente los encuentras.

¿Qué pasa con las excepciones? ¿Por qué hay oro (19,300 kg/m^3) y hierro en la corteza terrestre? Sugiero la publicación de David Hammen.

Trataré de dar una respuesta muy aproximada para su madre (como lo solicitó), asumiendo que la Tierra es esférica y varias otras aproximaciones. No soy un experto en geofísica o física estelar. y si quieres detalles o mayor precisión, te sugiero que mires otras respuestas, como la de David Hammen y otros.

Acerca de la gravedad

Primero en cuanto a la gravedad. ¿Hay gravedad en el centro de la Tierra y, de no ser así, por qué debería atraer algo allí?

Un ejercicio básico al estudiar la gravedad es calcular la fuerza de gravedad dentro de una capa esférica vacía de materia (como la goma de una pelota de baloncesto). La respuesta es: no hay gravedad producida por el caparazón esférico dentro del caparazón, aunque hay gravedad afuera producida por el caparazón.

Si ahora considera un shere lleno de materia, tendrá un radio de 6371 km (como la tierra) y un punto a 5000 km del centro, puede descomponerlo en una esfera completa de 5000 km de radio y una capa esférica a su alrededor con 1371 km de espesor. La capa esférica no causa gravedad, por lo tanto, toda la gravedad que se puede observar es la que produce 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 queda nada para producir gravedad ya que toda la materia está en la "cáscara".

Pero eso no importa demasiado ya que hay algo de gravedad hacia el centro tan pronto como te alejas del centro, por muy débil que sea cuando estás cerca del centro, por lo que con el tiempo, la materia más pesada tenderá a hundirse hasta el fondo. , es decir, al centro.

Luego está el tema de qué es más pesado.

de que esta hecha la tierra

La materia original en el universo (aunque no se remonta al Big Bang) está compuesta principalmente de elementos muy ligeros, principalmente hidrógeno. Las estrellas se forman por acumulación de esta materia bajo las fuerzas gravitatorias y comienzan a fusionarse (reacción nuclear) en elementos más pesados ​​y producen energía que percibimos (parcialmente) como luz. Tienden a producir muchos elementos como el hierro (y otros que rondan el "medio" de la tabla de elementos, porque estos tienen el núcleo atómico más estable del que se puede extraer poca energía, por lo que las estrellas mueren (de varias formas) cuando han transformado su materia en dichos elementos. La explosión final de algunas estrellas (supernovas) produce elementos más pesados, pero no en tanta cantidad. Esto (muy burdamente) explica por qué el hierro (y algunos otros elementos) tienden a estar disponibles en mayor cantidad. .

¿Por qué la materia no está estratificada por densidad?

Nuevamente, no soy un experto, ya que hay una variedad de fenómenos que están en juego. Aquí hay dos ejemplos.

De hecho, dado que al menos una parte del planeta es algo fluido, uno podría esperar que los componentes pesados ​​se hundieran. Pero se produce mucho calor dentro del planeta, debido en particular a la radiactividad, y este calor produce convección (y, por lo tanto, deriva continental). Convección significa movimiento, movimiento de materia. Eso es más un aspecto dinámico.

Otro fenómeno es que los elementos químicos rara vez son puros. Se combinan física o químicamente para formar compuestos que tienen diferentes propiedades físicas. Un compuesto formado por un elemento pesado y uno liviano puede ser bastante liviano y hacer que el componente pesado flote hacia la superficie del planeta, la parte más liviana desempeña el papel de una boya. Entonces, aunque el uranio es mucho más pesado que el hierro, se pueden encontrar compuestos de uranio con elementos más livianos en la superficie del planeta, o muy cerca de ella. El fenómeno depende mucho de la capacidad de los diferentes tipos de elementos más pesados ​​para combinarse con los más ligeros.

También debe tener en cuenta que la Tierra tardó mucho en formarse y que la importancia de diferentes fenómenos puede haber cambiado en el transcurso de su formación.

Coge un vaso de agua y dos bolitas del mismo tamaño, una de hierro y otra de aluminio. Ambos llegarán finalmente al fondo, pero debido a la flotabilidad, el hierro se asentará primero.

Se descubrió que la Tierra tiene un núcleo interno sólido distinto de su núcleo externo líquido en 1936,

.....

Se cree que consiste principalmente en una aleación de hierro y níquel y que tiene aproximadamente la misma temperatura que la superficie del Sol: aproximadamente 5700 K (5400 ° C).

....

Se cree que el núcleo interno de la Tierra está creciendo lentamente; el núcleo externo líquido en el límite con el núcleo interno se enfría y solidifica debido al enfriamiento gradual del interior de la Tierra (alrededor de 100 grados centígrados por mil millones de años). Muchos científicos inicialmente esperaban que, debido a que el núcleo interno sólido se formó originalmente por un enfriamiento gradual del material fundido y continúa creciendo como resultado del mismo proceso, se encontraría que el núcleo interno era homogéneo. Incluso se sugirió que el núcleo interno de la Tierra podría ser un solo cristal de hierro. Sin embargo, esta predicción fue refutada por las observaciones que indican que, de hecho, existe un grado de desorden dentro del núcleo interno. Los sismólogos han encontrado que el núcleo interno no es completamente uniforme, pero en cambio contiene estructuras a gran escala tales que las ondas sísmicas pasan más rápidamente a través de algunas partes del núcleo interno que a través de otras. Además, las propiedades de la superficie del núcleo interno varían de un lugar a otro en distancias tan pequeñas como 1 km. Esta variación es sorprendente, ya que se sabe que las variaciones laterales de temperatura a lo largo del límite del núcleo interno son extremadamente pequeñas (esta conclusión está confiadamente restringida por las observaciones del campo magnético). Descubrimientos recientes sugieren que el núcleo interno sólido en sí está compuesto de capas, separadas por una zona de transición de unos 250 a 400 km de espesor. Si el núcleo interno crece por pequeños sedimentos congelados que caen sobre su superficie, entonces algo de líquido también puede quedar atrapado en los espacios porosos y parte de este fluido residual aún puede persistir en un grado menor en gran parte de su interior.

....

El núcleo interno de la Tierra es una bola de hierro sólido del tamaño de nuestra luna. Esta bola está rodeada por un núcleo externo altamente dinámico de una aleación líquida de hierro y níquel (y algunos otros elementos más livianos), un manto altamente viscoso y una corteza sólida que forma la superficie donde vivimos.

Durante miles de millones de años, la Tierra se ha enfriado de adentro hacia afuera, lo que ha provocado que el núcleo de hierro fundido se congele y solidifique parcialmente. Posteriormente, el núcleo interno ha estado creciendo a un ritmo de alrededor de 1 mm por año a medida que los cristales de hierro se congelan y forman una masa sólida.

El calor que se desprende cuando el núcleo se enfría fluye desde el núcleo hasta el manto y la corteza terrestre a través de un proceso conocido como convección. Como una olla de agua hirviendo en una estufa, las corrientes de convección mueven el manto cálido hacia la superficie y envían el manto frío de regreso al núcleo. Este calor que escapa alimenta la geodinamo y, junto con el giro de la Tierra, genera el campo magnético.

Entonces, a partir de esto, vemos que el núcleo interno sólido se fue acumulando lentamente a partir del núcleo externo líquido . Es en el núcleo externo donde las composiciones diferencian los elementos más pesados ​​que se precipitan del líquido en el campo gravitatorio, que surge del núcleo interno.

Extrapolando las observaciones del enfriamiento del núcleo interno, se estima que el núcleo interno sólido actual se formó hace aproximadamente 2 a 4 mil millones de años a partir de lo que originalmente era un núcleo completamente fundido. De ser cierto, esto significaría que el núcleo interno sólido de la Tierra no es una característica primordial que estuvo presente durante la formación del planeta, sino una característica más joven que la Tierra (la Tierra tiene unos 4.500 millones de años).

Veamos entonces el período en que el núcleo interno y externo eran líquidos. Cuanto más cerca del centro del campo gravitatorio, menor la fuerza gravitacional, pero aún así el volumen a masa* jugaría el mismo papel en el líquido, concentrando lo más pesado en el centro, formando las primeras semillas para el núcleo a medida que el sistema se enfría.

¿Por qué el núcleo no está dominado por los elementos más pesados ​​(elementos más pesados ​​que el hierro)?

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

Energía de enlace por nucleón de isótopos comunes

La acumulación de elementos más pesados ​​en los procesos de fusión nuclear en las estrellas se limita a elementos por debajo del hierro, ya que la fusión del hierro restaría energía en lugar de proporcionarla. El hierro-56 es abundante en los procesos estelares y, con una energía de enlace por nucleón de 8,8 MeV, es el tercero más unido de los nucleidos. Su energía de enlace promedio por nucleón es superada solo por 58Fe y 62Ni, siendo el isótopo de níquel el más unido de los nucleidos.

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

La síntesis nuclear de elementos pesados ​​procede de explosiones de supernovas:

Los elementos por encima del hierro en la tabla periódica no se pueden formar en los procesos normales de fusión nuclear en las estrellas. Hasta el hierro, la fusión produce energía y, por lo tanto, puede proceder. Pero dado que el "grupo de hierro" está en el pico de la curva de energía de unión, la fusión de elementos por encima del hierro absorbe energía de manera espectacular. (El núclido 62Ni es el núclido más unido, pero no es tan abundante como el 56Fe en los núcleos estelares, por lo que la discusión astrofísica generalmente se centra en el hierro). En realidad, el 52Fe puede capturar un 4He para producir 56Ni, pero ese es el último paso en la cadena de captura de helio.

Dado un flujo de neutrones en una estrella masiva, se pueden producir isótopos más pesados ​​mediante la captura de neutrones. ...

En conclusión:

Las capas que contienen los elementos pesados ​​pueden ser expulsadas por la explosión de la supernova y proporcionar la materia prima de los elementos pesados ​​en las nubes de hidrógeno distantes que se condensan para formar nuevas estrellas.

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

los elementos radiactivos naturales más pesados , el torio y el uranio, constituyen 8,5 partes por millón y 1,7 partes por millón, respectivamente. Algunos de los elementos más raros son también los más densos; estos son los metales del grupo del platino, incluido el osmio en 50 partes por trillón, el platino en 400 partes por trillón y el iridio en 50 partes por trillón.

y no sería detectable con los métodos sismográficos que estudian el núcleo interno y externo.

             -----

• el volumen a la masa para todos los elementos se puede ver aquí

La ley de Newton establece que el centro de la capa esférica siente gravedad cero. Entonces, el minúsculo (en realidad, el mismo punto) centro de la tierra siente gravedad cero (de la tierra misma). Piénselo de esta manera, en cada dirección en la que mire, hay la misma masa que se aleja radialmente: la fuerza de la gravedad se equilibra a cero. Ahora muévete 100 millas en cualquier dirección desde el centro. Ahora tiene cien millas de materia que ya no está en la cáscara ejerciendo una atracción desequilibrada: la gravedad entra en vigor y la separación de la materia comienza a tener lugar con el material más denso cayendo hacia adentro y el material más liviano flotando hacia arriba. Cuanto más te alejas del centro, mayor es la fuerza desequilibrada de la gravedad y más rápida se produce la separación. Tenga en cuenta que tener cero atracción gravitatoria en el centro no significa cero presión. La presión de todas las fuerzas desequilibradas se suma a pesar de las variaciones en la atracción gravitatoria. Entonces, el centro de la tierra no siente atracción gravitacional, pero siente la mayor presión, todo debido a la simetría esférica.

Creo que una respuesta simple es que la fuerza boyante es la principal responsable de que los elementos pesados ​​se hundan en el centro de la tierra. Por ejemplo, un portaaviones flota en el agua porque el barco tiene mucho espacio dentro. Por lo tanto, si llenara este espacio con agua y luego lo pesara, encontraría que el peso del barco sin agua es menor que la cantidad de agua que desplaza o el peso del agua. Esto lo hace más ligero que el agua y flota. Los elementos pesados ​​tienen más átomos en una determinada cantidad de espacio que los elementos más ligeros, por lo que los elementos pesados ​​se hunden mientras que los más ligeros flotan en la parte superior y así sucesivamente. Una manera fácil de pensar en el centro de la tierra es que si te encuentras allí, todas las direcciones desde el centro son hacia arriba y la fuerza sería la misma desde todas las direcciones, por lo que se cancelarían y te dejarían sin peso.

Solo tengo 14 años e intentaré responder la pregunta según mi comprensión.

En primer lugar, la gravedad, al ser una fuerza y, por lo tanto, un vector, se cancelaría en el núcleo, ya que no solo depende de la magnitud de la fuerza relativa, sino también de la dirección de la misma, es decir, un vector que va hacia arriba se cancelaría con un vector. va hacia abajo, y así sucesivamente. Pero.....

Si tuviéramos que tallar un caparazón para nosotros mismos en el centro de la tierra (consulte el teorema del caparazón) experimentaríamos ingravidez dentro del caparazón hasta que estemos en él. Eso sería experimentar gravedad cero. De acuerdo con su pregunta, si el núcleo estuviera hecho de elementos más pesados, solo afectaría la fuerza gravitatoria que experimentamos fuera de esa capa.

Entonces, no importaría si el núcleo estuviera hecho de hierro o tungsteno. El núcleo está hecho de lo que es y esa es la naturaleza. Debes estar familiarizado con la historia de la tierra, cómo se formó. La gravedad no tendría ningún efecto con la composición de nuestro núcleo.

Pero el verdadero problema sería el campo magnético. El hierro es un imán excelente (cuando se magnetiza o se encuentra como imán). Fue y es el único partidario de nuestro campo magnético. No conozco muchos otros elementos, pero un elemento más pesado ciertamente no podría sostener nuestro campo magnético. Si pudiera, sería demasiado fuerte o demasiado débil para contener la "radiación cósmica" del sol. Si fuera demasiado débil, las radiaciones nos diezmarían. Si es demasiado fuerte, sucedería lo mismo.

Una ley fundamental de la física establecida por Newton es que todas las partículas se atraen entre sí, sin embargo, es tan pequeña (La constante gravitatoria) que solo podemos ver la fuerza de la gravedad para los cuerpos celestes (los planetas y las estrellas, etc.). Entonces, en el centro, experimentaríamos la gravedad, pero no en el caparazón que crearíamos, donde se aplicaría el teorema del caparazón.

Entonces, en resumen, la naturaleza ha hecho nuestro núcleo y no podemos cambiarlo. Nunca hemos experimentado (y espero que nunca lo hagamos) un cambio en la composición del núcleo. En cuanto a la pregunta, creo que no habría ningún efecto sobre la gravedad en el núcleo si los elementos que lo componen fueran diferentes. Pero ciertamente podría hacer que la atracción gravitacional que experimentamos sea diferente. Incluso podría hacer que nuestro planeta sea habitable.

Espero que esto ayude.