为什么地球内核比太阳表面更热,但仍然是固体?
即使你主要由液态铁组成,有时你也无法承受压力。
地球最内层的地质层是一个直径约 2,400 公里(1,500 英里)的固体金属球。我们从未对其进行过采样——只是是一个挑战,然后还有两层要走?但我们从地震波穿过的方式,对它的成分和物理状况有所了解。
我们已经了解到内核的情况之一是,内核表面的温度为 5,700-6,200 开尔文(9,800-10,754 华氏度),具体取决于你使用的估算值。巧合的是,较低的数字恰好与太阳表面的平均温度相同,而且要高得多我们还知道,与外核相比,内核是固体的,或者非常接近固体。这看起来似乎矛盾,但解释其实很简单。
太阳表面(像气体但高度电离)不仅仅是因为它主要是非常热的氢,还因为它暴露在太空中。内核承受着外核、地幔和地壳的巨大重量。所有这些向下推的压力约为 350 千兆帕斯卡,或海平面大气压的 300 多万倍。
这足以将铁与镍和其他元素的混合物从液体变成固体。就像水在山顶上沸腾的温度要低得多一样,因为那里的气压较低,高压可以提高物质熔化的温度。
事实上,我们了解液态外核和固态内核边界温度的方法是计算出该点的压力,并估计内核金属在保持固态时能达到多高的温度。在边界上方,压力略低,同样的材料会变成液体。
显然,我们并不习惯处理这样的压力,因此温度估算会根据我们已知的情况进行推断。这就是为什么温度估算会有差异,但当你处理远远超出我们经验范围的数字时,10% 的偏差可能不会有太大变化。
地球核心的最内层比太阳更热,并且正在缓慢增长。
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随着加热核心的放射性元素浓度下降,核心正在缓慢冷却,因此人们认为内核正在缓慢增长,因为在较低温度下外核的部分会凝固。
啊,但是它真的坚固吗?
固体和粘稠度极高的液体之间的振动传播方式并没有什么不同。事实上,这种差异非常小,以至于我们无法通过测量地震波穿过地核的方式来确定地核是否真的是固体。如果这看起来令人惊讶,那么想想材料科学家几十年来一直在争论你窗户上的玻璃是固体还是液体。 过冷液体,我们可以触摸它们。
如果内核真的是液体,那么它的粘度会非常高。有人估计它的粘度为十亿倍而不是音调。您可以通过以下方式了解这意味着什么:观看这是世界上最慢的实验,但请注意,它使观察草的生长看起来像一项快节奏的运动。
如果内核是一种流动非常缓慢的液体,那么内部可能会发生对流,这可能会稍微增加行星的,但其中绝大部分来自外核。粘度也可能解释了为什么地震波从赤道附近穿过地核比从两极穿过地核需要更长的时间。