为什么地球的密度梯度是阶跃函数，而不是平滑函数?

Question

为什么地球表面以上的大气中粒子的密度比地面和地面以下的小得多?相反，为什么地球不是一个简单的由旋转的气体/液体组成的球，当你靠近核心时，它的密度会逐渐增加(因为引力在靠近核心时更强)?

Answer 1

粗略地说，当你试图将油和水结合在一起时，这与形成密度阶跃函数是一样的:

源

这些成分不会相互混合或溶解，所以重力会使密度较大的物质——水——沉到海底。密度作为高度的函数，从油密度上升到水密度，当你走到界面下面。

以地球为例，有几个密度逐渐增大的相不会混合。密度梯度中最大的一步是当岩石相(橄榄石、尖晶石、钙钛矿和铁方石(下图未显示)让位给密度更大的核心时。在下面的插图中，这个边界是岩石地幔的底部D”层与主要是铁的核心相遇的地方。

源

地球内部和第一张图中油水组合的一个主要区别是，地球内部的大部分是固体，因此需要大量的热量和压力——都是由重力产生的——才能使物质屈服并流动到平衡位置。其他以固体为主的天体也是如此，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密度的相。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)，而木星和土星的气体巨星则由更轻、更简单的元素组成(主要是氢和氦)。

木星的氢一直存在于它的核心，那里的压力非常大，以至于一种“金属氢”被认为存在于那里。所以，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小——然而，密度的阶梯式变化仍然存在，在不同的条件下，物质(即使是相同的元素)以不同的状态存在——例如，在不同的压力和温度下，气体、液体和可能的金属氢。这是化学的一个特征。

行星元素差异的部分原因是由于吸积盘内的组成和分布，即太阳系形成时存在的元素漩涡。此外，像木星这样大的行星有很强的引力，它们能够抓住(并吸引更多)宇宙中最丰富的氢和氦等轻元素。木星实际上就像一颗半空的恒星，有时被称为“失败的恒星”。

然而，地球仍然足够大，并且有一个由铁芯产生的保护性磁屏蔽，使其大气层不被太阳风吹走。这意味着我们既有稳定的气体大气层，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形的变化。

同样值得注意的是，我们的气态大气只有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

原子之间也有电磁作用，这改变了它们的行为。特别是，铁会形成金属键，而硅会与氧共价结合，形成巨大的固体结构。另一方面，氮会与自己结合，形成不与其他分子相连的小分子。因此，铁和硅酸盐将形成比氮密度高得多的固体。然后，铁和硅酸盐会与漂浮在上面的氮一起下降，当你从有氮(和其他气体)的区域移动到有硅酸盐(和其他矿物质)的区域时，密度会有一个急剧的阶梯变化。

如果电磁力没有这样做，就只会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(引力相互作用，而不是电磁相互作用)

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，解释了为什么在地壳和大气之间，或海洋和大气之间的密度会发生急剧变化。

类似的阶梯式变化也存在于海洋和地壳之间，以及地球内部地幔和地核之间。

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，世界就在释放热量。地球的热量高到足以引起对流。对流的作用就像从中心到地表的电梯。自地球形成以来，这种对流流使地球内部的质量不停地向上移动，然后向下移动。从中心到边缘的移动速度平均为1毫米/年。在45亿年的时间里，这个旅程完成了数千次。这个过程是通过部分融化发生的。大离子/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.

分化现象也是板块构造的原因;大陆的形成，地震，生命。