为什么地球外核是液态的?

Question

地球的内核是固体的，因为尽管这个区域的温度很高，但那里也有巨大的压力，这反过来又提高了铁和镍的熔点，使其高于地核温度。

现在，当我们离开固体内核时，温度下降，压力也下降。显然，由于内核是固体，而外核是液体，我们必须得出这样的结论:温度下降与压力下降的比值必须低于下图所示的16度/GPa的梯度(链接到源代码)，因为在外核温度已经超过了铁/镍的熔点，这是一个压力的函数。

换句话说，随着半径的增加，压强的下降与温度的下降相比一定是相当大的。

那么，相对于温度，压力是如何快速下降从而形成液态外核的呢?一个好的答案将解释温度如何随半径下降，压力如何随半径下降，以及这些如何比较产生液体外核。

Answer 1

首先，你需要一个在高压下的相图。内/外核边界处的压力超过300 GPa。问题中的那个只会让我们进入地幔:

（链接到源代码）

核心最外层的典型温度和压力分别为3750K和135GPa，处于相图的液态区域。

有关压力和温度作为深度函数的更多数据，请参阅这是亚利桑那大学的来源．这都要归功于马库斯·奥里列里。

Answer 2

压力梯度由流体静力平衡给出。在固体中，这可能不完全正确，但蠕变会使它正确。设$p$为局部压强，$g$为局部重力加速度，$\rho$为局部密度。想象一个小的体积元素，水平面积为$ a，高度为$\ δ h。它的质量是A h，它被向下的力吸引，这必须由顶部和底部之间的压力差来平衡，因此$\frac {dp}{dh}=g\rho$。$g$可以通过计算较小半径的总质量来确定(假设球面对称)。

Answer 3

为了补充Dave的回答，上面的相图给人一种高精度的错觉。事实上，除了温度分布，我们甚至不完全确定有多少次固相。例如，Ahrens等人:http://web.gps.caltech.edu/~sue/TJA_LindhurstLabWebsite/ListPublications/Papers_pdf/Seismo_2069.pdf此外，在之前的回答中，当我断言核心成分是Ni-Fe和大量硫磺杂质时，我得到了正确的纠正。事实上，尽管我可能是正确的，但在核心中存在大量S2、Ni和其他重金属、H2、OH-和其他杂质，浓度未知，其中大多数会造成固相线的共晶凹陷——也就是说，将液-固边界降低温度。

Answer 4

虽然内外核都是由相同的材料构成的，但由于压力的增加，内芯的熔点提高了，所以内芯处于固体状态，外层是液体。