Hallo,
durch die Gravitation sinken schwere Atome / Moleküle angeblich Richtung Erdmittelpunkt. Bzw. sanken, als die Erde flüssig war. Dass das schwerste Element Eisen sei, halte ich für ein Gerücht.
Aber eine ganz andere Frage: Wenn sich etwas zum Erdmittelpunkt bewegt, verliert es an Gewicht. Im Mittelpunkt zieht die Gravitation gleichmäßig in alle Richtungen, das Etwas ist frei von Gewicht.
Wieso also sollte sich etwas Schweres per Gravitation bewegen, wenn die Gravitation nicht wirkt?
Hi,
weil auch bei minimaler Entfernung von der mitte die Gravitation Richtung Mitte wirkt. Deine Frage ist also in etwa, warum jemand mit gebrochenen Knochen auf dem Boden liegt - vom Boden kann man ja nicht fallen.
Dann hatte ja die Erde eine Mitte, auch als der noch anders aussah als jetzt: die Gravitation wirkt in Richtung dieser Mitte, sonst würden sich keine Planeten bilden. Das beginnt mit zwei Teilchen, die sich zu nahe kommen, dann gemeinsam so viel Gravitation haben, dass sie weiter entfernte Teilchen anziehen können usw. bis sie nichts mehr in ihrer Reichweite haben - oder wegen ihrer Masse zu einem Stern werden.
Details machen dann unsere Physiker, inklusive mich verhauen für ungenauigkeiten. Und inklusive warum Eisen das schwerste Element ist und was ein Element ist.
die Franzi
Hi!
Es ist richtig, dass im exakten Zentrum keine Gravitation wirkt, aber ein Meter daneben dann doch schon.
Bei einer homogenen Kugel nimmt die Gravitation von der Oberfläche zum Zentrum linear ab. Das heißt, direkt neben dem Zentrum ist die Gravitation sehr gering, aber vorhanden
Und sobald es Gravitation gibt, werden schwerere Atome natürlich stärker als leichtere angezogen, wenn das ganze flüssig ist, sinkt das schwere Eisen eben zum Zentrum, alles leichtere schwimmt auf.
Und sicherlich hast du recht, Eisen ist nicht das schwerste Element, im Kern wirst du sicher auch ganz viel Gold finden. Aber mengenmäßig kommt danach eben sehr sehr viel Eisen.
Also, zunächst einmal haben wir empirische Belege für diese Zusammensetzung.
Es gibt verschiedene Typen von Meteoriten und einige davon haben eine Zusammensetzung, die in etwa der mittleren Zusammensetzung des Sonnensystems entspricht. Diese Meteorite nennt man kohlige Chondrite, dessen prominentester Vertreter der CI1-Chondrit ist, der weltweit von Geochemikern als Vergleichswert verwendet wird.
Dieser CI1-Chondrit enthält allerdings fast 20 wt% Eisen - weitaus mehr, als es die Gesteine an der Erdkruste aufweisen. Das Eisen muss also irgendwo anders sein. Wo genau? Nun auch da helfen uns die Meteorite.
Neben den undifferenzierten Chondriten gibt es nämlich auch andere Meteorite. Stein-Meteorite, die ihrer Zusammensetzung große Ähnlichkeit mit irdischen Gesteinen wie Basalten haben - und Eisen-Meteorite, die aus massivem Eisen mit einem hohen Anteil an Nickel und Cobalt bestehen. Es wird davon ausgegangen, dass diese Meteorite Bruchstücke großer Asteroiden sind und die massiven Eisenbrocken die ehemaligen Eisenkerne der Asteroiden darstellen.
Wir wissen also aus den Gesteinsproben die wir haben mit großer Sicherheit, dass Planeten und Asteroiden die so groß waren, dass sie aufgrund der Akkretions- („Zusammenballungs“-)wärme aufschmelzen konnten, einen Eisenkern und einen an Eisen verarmten Mantel/Kruste aufweisen.
Aus physikalischer Sicht ist das Ganze dann auch logisch. Wenn eine Gesteinsschmelze abkühlt, bilden sich zunächst die Silikate, vor allem Olivin und Pyroxen, die den größten Teil des Erdmantels ausmachen. Die verbleibende Schmelze ist dann ausgesprochen metallreich und weist eine sehr hohe Dichte auf und sickert entsprechend in Richtung des Gravitationszentrums. Dadurch kommt es zu einer Differenzierung, die dafür sorgt, dass sich die Masse des Himmelskörpers immer mehr im Zentrum des Himmelskörpers konzentriert.
Da dieser Prozess allseitig in einem etwa kugelförmigen Körper stattfindet, muss sich das Zentrum der Massenkonzentration auch zwangsläufig in der Mittel des Himmelskörpers befinden.
Man kann sich das auch empirisch verdeutlichen: Man stelle sich ein Raster von 4 * 4 Atomen vor. Alle Atome werden da hin gezogen, wo die meisten anderen Atome sind.
Dann überlege man sich für jedes einzelne Atom, wohin es gezogen werden würde und man stellt fest, dass alle Atome ins Zentrum der Matrix gezogen werden - je weiter außen die Atome liegen, desto größer ist die Anziehungskraft und genau im Zentrum ist sie 0, aber sobald man sich aus dem Zentrum heraus bewegt, wird wieder eine Anziehungskraft in Richtung Zentrum ausgeübt.
Nächste Frage: Wieso gibt es schwere Elemente auf der Erdoberfläche? Holen Vulkane Gold & Co aus dem Erdmittelpunkt? Wenn ja, was treibt diese Elemente nach oben entgegen der Schwerkraft?
Vielleicht sind sie außerirdischen Ursprungs.
Es ist ja viel Zeit vergangen, seit sich die Erdkruste verfestigte.
Da flogen noch genügend Bruchstücke von anderen Himmelskörpern im Schwerefeld von Sonne und Erde herum.
Wie ich weiter oben schon geschrieben habe bilden sich bei der Abkühlung der Schmelze eine ganze Reihe von Mineralen und diese bauen auch schwere Elemente in ihr Gitter ein. Diese Minerale haben eine deutlich geringere Dichte als die reinen Metallschmelze und schwimmen daher oben auf. Der Erdmantel besteht beispielsweise zu großen Teilen aus Olivin - einem Eisensilikat (Also streng genommen eine Mischkristallreihe aus Eisen und Magnesium-Silikat). Große Teile des ursprünglichen Eisens der Erde sind daher im Mantel gebunden.
Ich habe während meiner Promotion mal simuliert, wie sich aus einer chondritischen Schmelze Minerale bilden und welche Zusammensetzung sie haben würden und da kann man dann schön sehen, wie sich eine Eisen-Nickel-Restschmelze bildet, während viele der anderen Elemente irgendwo eingebaut werden. Was am Ende bleibt besteht quasi nur noch aus den sogenannten siderophilen Elementen - deswegen habe einige Eisenmeteorite auch Goldgehalte die fast 10.000 mal so hoch sind, wie der durchschnittliche Goldgehalt der Erdkruste.
Ein Teil der schweren Elemente kann durchaus auch extraterrestrischen Ursprung sein. Alle Elemente aus denen unsere Erde besteht sind ja in Sonnen oder beim Sterben einer Sonne entstanden. Je nach dem, wann das passiert und wie weit entfernt von der jungen Erde, ist durchaus vorstellbar, dass die Erde schon so weit abgekühlt war, dass die Teilchen an der Erdoberfläche verblieben sind.
Vulkane könnten ebenfalls einen Beitrag leisten - die meisten holen ihre Material allerdings aus dem Mantel und nicht aus dem Kernbereich. Es gibt aber durchaus Gesteine, wie beispielsweise die Kimberlite, die ihren Ursprung in der untersten Kruste haben und daher oft Diamanten und hohe Gehalte an Eisen (bis zu 12%) aufweisen.