为什么地球的密度梯度是阶跃函数，而不是平滑的?

Question

为什么地球大气中地表以上的粒子密度比地表以下的粒子密度要小得多?相反，为什么地球不只是一个旋转的气体/液体球，当你接近地心时，它的密度会逐渐增加(因为地心引力更强)?

Answer 1

粗略地说，当你试图把油和水结合起来时，这和密度阶跃函数是一样的:

源

这些成分不会相互混合或溶解，所以重力使密度较大的物质——水——沉降到底部。密度作为高度的函数，从油的密度跳到水的密度，当你在界面下面。

就地球而言，有几个密度越来越大的阶段不能混合。当岩石相(橄榄石、尖晶石、钙钛矿和铁方长石，下图中没有显示)让位于密度大得多的岩心时，密度梯度最大。在下面的插图中，这个边界是岩石地幔的底部，D层，与主要的铁核相遇的地方。

源

地球内部与第一张图中的油水混合物之间的一个主要区别是，地球内部的大部分是固体的，因此需要大量的热量和压力——两者都是由重力产生的——才能使物质产生并流动到它们的平衡位置。其他主要是固体的天体也是如此，所以只有相对较大和质量较大的天体才有足够的引力来分离不同的密度相。行星科学家称之为这个过程分化．

Answer 2

我们太阳系中的行星有着截然不同的化学成分——离太阳最近的四颗岩石(水星、金星、地球、火星)的大部分质量是由岩石和金属元素组成的(地球的中心主要是镍和铁)，而木星和土星的气态巨行星则是由更轻更简单的元素组成的(主要是氢和氦)。

木星的核心一直都有氢，那里的压力如此之大，以至于人们认为那里存在一种“金属氢”。是的，有少元素组成的阶梯式变化，因此密度的阶梯式变化较少——然而，在物质(甚至是相同的元素)在不同条件下以不同状态存在的地方，密度的阶梯式变化仍然存在——例如，不同压力和温度下的气体、液体和可能的金属氢。这是化学的一个特点。

行星元素差异的部分原因是由于吸积盘的组成和分布，吸积盘是太阳系形成时存在的元素漩涡。此外，像木星这样大的行星具有如此强大的引力，以至于它们能够抓住(并吸引更多)氢和氦等较轻的元素，这些元素是宇宙中最丰富的。木星实际上是一颗半恒星，有时被称为“失败的恒星”。

然而，地球仍然足够大，它的铁核产生了一个保护性的磁屏蔽，使它的大气层不会被太阳风吹走。这意味着我们既有稳定的气体大气，也有金属和岩石内部，这意味着固体和气体之间的密度会发生阶梯式变化。

同样值得注意的是，我们的大气层只有60英里厚，而地球的半径约为4000英里。地球比你想象的更像一个均匀的固体，因为我们是大气居民。

Answer 3

原子也会发生电磁相互作用，这会改变它们的行为。特别是，铁会形成金属键，而硅会与氧共价结合，形成大块的固体结构。另一方面，氮会与自身结合形成小分子，而这些小分子不会与其他分子相连。结果，铁和硅酸盐将形成比氮密度高得多的固体。然后，铁和硅酸盐将与漂浮在上面的氮气一起下落，当你从有氮气(和其他气体)的区域移动到有硅酸盐(和其他矿物)的区域时，密度会发生急剧的变化。

如果电磁力不这样做，那么就只有一个星系大小的氢和氦核团，就像我们在暗物质晕中看到的那样(它们相互作用是引力作用，而不是电磁作用)。

形成化学键的电磁相互作用，以及不同化学物质之间不同类型的相互作用，解释了为什么地壳和大气之间，或海洋和大气之间的边界密度会发生急剧变化。

在海洋和地壳之间，以及在地球内部，地幔和地核之间也存在类似的阶跃变化。

Answer 4

地球大约有45亿年的历史。一开始，它的密度函数是线性的。从一开始，世界就失去了它的热量。地球的热量高到足以引起对流。对流就像从中心到表面的电梯。自地球形成以来，这种对流使地球内部的物质不停地向上移动，然后向下移动。这种从中心到边缘的移动速度平均为1毫米/年。45亿年之后，这个旅程完成了数千次。这一作用通过部分熔化发生。大的离子/电荷元素在晶体结构中是不需要的，它们在熔化过程中首先离开晶体。 They are transferred to crust via this melt. Due to this repeatingly mass translation earth has been developing its layered structure with characterised by step function. The process is called differentiation and time is an element of this function.

分异现象对板块构造也有影响;大陆的形成，地震，生命。