Jag är regelbunden från Physics Stack Exchange-rapporteringen för tjänstgöring.

Varför det här är en allvarlig fråga

Det här är en större fråga än du kanske ger den kredit för . Frågan liknar i slutändan varför alla luftmolekyler i atmosfären inte faller på golvet. Din fråga kommer från en mycket solid princip i fysik som kan kallas minimi energiprincipen.

Den grundläggande härledningen är att om du definierar kraften som utövas av en kraft $ \ mathbf F_i $ på en partikel med hastighet $ \ mathbf v $ ska vara $$ P_i = \ mathbf F_i \ cdot \ mathbf v = | \ mathbf F_i | ~ | \ mathbf v | ~ \ cos \ theta, $$ sedan Newtons lag att summan av krafter på en partikel $ \ sum_i \ mathbf F_i = m ~ \ dot {\ mathbf v} $ är massan gånger hastighetsförändringen per tidsenhet, innebär direkt att summan av krafter som utövas på en partikel $ \ sum_i P_i = \ dot K $ är förändringen i kinetisk energi per tidsenhet. Dragkrafter finns och de motsätter sig relativ rörelse, så deras $ \ cos \ theta $ är negativ och de minskar kinetisk energi, $ \ dot K < 0. $ Eftersom energi är en konserverad kvantitet (en "grejer", om du vill: om du hittar mer eller mindre av den i en låda, måste den ha kommit från någon annanstans där det finns mindre eller mer av det), drar dragkrafter så småningom energi från ett system tills det hamnar på minsta energi.

Och det är en mycket användbar princip, till exempel kan du använda den för att mycket enkelt härleda principen för flytkraft och den effektiva kraft som måste skapas av det förskjutna vattnet för att producera den effekten; du kan inte göra Newtons lagar lätt när det finns så många små små krafter hos små vattenmolekyler men du kan absolut jämföra den totala potentiella energin när ett föremål är längst ner i havet, mitten och toppen. Det misslyckas med att beskriva vissa saker som statisk friktion (varför är min bärbara dator på mitt skrivbord och inte på mitt golv ?!) eftersom den inte säger dig hur lång tid sådana saker tar och kräver ett antagande om buller för så småningom stör dig från "lokala minimimått" och sådant.

Men säkert har luften haft tillräckligt med tid att falla till marken om det var vad den ville göra . Luften vill inte falla till marken. Och vi kan inte stjäla våra normala lösningar för andra saker som "varför faller inte moln", "ja vad du tänker på som ett moln är faktiskt mer som ett vattenfall, det är konstant rörelse av vattendroppar, vattnet får en öka uppåt från uppvärmning av luften runt den när den kondenserar men den tenderar att så småningom falla men när den faller under en viss plan yta avdunstar den igen och blir osynlig och så matas den synliga puffen ständigt av ny vattendroppbildning och ständigt sappad genom att falla vatten som blir osynligt ... ”—nr. Det här är betongpartiklar som på något sätt undviker att falla till marken och vi måste faktiskt lösa problemet.

Fluktuation-Dissipation theorem to the rescue

Minimienergiprincipen beskriver något som vi skulle kalla avledning , energi lämnar ett system för att hamna i ett annat system. Dessa typer av portar är alltid dubbelriktade: energi går igenom på båda sätten. Men oftast märker du inte det, och det är nyckeln till hur principen hjälper oss att beskriva saker: energi flyter alltid ut, det flyter aldrig in igen.

Tills det gör det. En studsande bollens energi sprider sig ut mellan alla golvets olika frihetsgrader, luften, men om den verkligen går hela vägen till 0 och sitter perfekt och helt stilla, kommer luften snart att stöta på den och börja skjuta och vibrerar och rör sig igen - bara rör sig inte så mycket. Samma saker som tillåter energi att försvinna måste också bidra med konstanta energifluktuationer som förhindrar att energi går hela vägen till 0.

Dessa fluktuationer förstås kollektivt som temperatur . Temperatur definieras tekniskt bara för ett system där alla dess frihetsgrader i de sätt det kan röra sig har kommit till samma genomsnittliga energi, och det mäts som den genomsnittliga energin. Temperatur definierar denna genomsnittliga energi och storleken på dessa fluktuationer. Så vid rumstemperatur till exempel skulle vi säga att varje grad av frihet har 26 meV, 26 "milli-elektron-volt" energi eller 0,026 av den energi som en elektron skulle ha om den accelereras med ett volts batteri.

Så varför stannar luften uppe? Det beror i grund och botten på att golvmolekylerna sparkar luftmolekylerna med tillräckligt med energi för att träffa atmosfärens övre delar. De går faktiskt inte direkt dit; en luftmolekyl stöter på andra luftmolekyler över en mycket kort avståndsskala: men den överför den energin och momentumet till andra partiklar som överför den energin och momentumet till andra partiklar och i slutändan "föredrar" luften att "hänga ut" nära mark men svängningarna gör att den stöter till en genomsnittlig höjd som ges av vår temperatur. Så om du tar massan av kväve N ₂ på 28 amu och accelerationen på grund av tyngdkraften på 9,8 N / kg, kan du ta reda på att denna 26 meV temperatur innebär att atmosfären är ~ 9 km hög i genomsnitt, vilket ger dig en bra bit in i troposfären där luften börjar bli tunnare dramatiskt. I själva verket säger teorin att om inget annat skulle hända och de slumpmässiga sparkarna bara skulle starta en partikel upp i atmosfären, skulle den ha en slumpmässig höjd samplad enligt en exponentiell sannolikhetsfördelning, $ P (h) \ sim e ^ {- h / (9 \ text {km})} $ .

På samma sätt varför faller inte saltmolekylerna till havsbotten? Tja, de gör det, och sedan blir de sparkade upp igen. Vattnet vid havsbotten är saltare. Nyckelskillnaden är om saltet i fråga löser sig i vatten (om det fastnar vid vatten bättre än det klibbar vid sig själv) eller fäller ut i vatten (det klibbar sig bättre): större bitar av en bit grejer som blir bundna ihop tenderar att fungera som stora massiva bitar och då kan den termiska energin inte sparka den lika högt.

Detta är den allmänna idén med fluktuation-dissipation theorem, som säger att fluktuation och dissipation (under några extremt breda antaganden som kallas "detaljerad balans") alltid går hand -i hand. Allt som kan absorbera ljus (spridning) måste utstråla ljus ut i rymden (svart kroppsstrålning, en slags fluktuation). Varje elektriskt motstånd är också en ljudkälla (Johnson-brus). Om energi kan strömma ut från ett system till någon miljö, kommer det bara att flöda ut tills de har samma genomsnittliga energinivåer, och om du försöker gå lägre, flyter energifluktuationer från miljön tillbaka in i systemet.

Turbulens, eftersom havsvatten nästan alltid är i rörelse, blandas saltare vatten med färskare genom vågverkan och, i mindre utsträckning i ytvatten, av Brownian motion. I Fjordland är den årliga nederbörden så hög (upp till 8000 mm) att det finns ett permanent sötvattenskikt flera meter tjockt som du kan dricka från att sitta över saltvattnet från Tasman i de skyddade vikarna. Även där har detta skikt ingen tydlig gräns utan snarare ett blandningsskikt där salt och sötvatten byter partiklar och homogeniseras över tiden. I vattenförekomster som inte upplever regelbunden cirkulationsstagnation och anoxi börjar med tiden men kemisk lösning av ett antal upplösta salter förekommer fortfarande.

Saltigare vatten har högre massdensitet, så gravitationenergin kan sänkas på det sättet. Koncentrationsskillnaderna ökar tills den fria energin för att skapa den stora koncentrationsskillnaden balanserar gravitationell energiändring.
Institutionen för fysik, University of Illinois i Urbana-Champaign

Gör några förenklade antaganden, de finner:

jämviktskoncentrationen stiger exponentiellt med djupet, med en faktor e för varje 10 km eller så.
De faktiska oceanerna rörs om av strömmar, så denna skillnad i jämviktskoncentration finns inte i dem.

I grund och botten säger de att det krävs energi för att separera en homogen lösning i delar som är mer eller mindre koncentrerade (och därmed mer eller mindre täta). Med hänsyn till gravitationsenergin följer det att det minsta energitillståndet för en kolonn med vatten är saltare i botten.

Men det gör det, men enligt varje salts löslighet och densitet. Lösliga salter tenderar att blanda sig i vattnet och hålla dem suspenderade. Olösliga salter separerade från lösningen och skapar avlagringar i havsbotten.

Ett känt exempel var "avstrykning" av haven när järnsalter avsattes i botten på grund av oxigeneringen av oceaniska vatten vid tidpunkten för uppkomsten av aeroba, fotosyntetiska organismer.

Stor oxidationshändelse: https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Oxidation_Event

"Syret kombinerades sedan med upplöst järn i jordens hav för att bilda olösliga järnoxider, som fälldes ut och bildade ett tunt skikt på havsbotten". https://en.wikipedia.org/wiki/Banded_iron_formation

Och sedan är det mättnadsfrågan. Salt kan endast lösas i vatten till en viss grad. När denna grad har överskridits börjar saltet falla ut och sjunka ner till marken. Om jag minns väl är gränsen för vatten ungefär 35 g per liter (beroende på temperatur)

Salt sjunker till botten i haven.

Varför? Din fråga som hänvisar till salt. Salt är en fast kemisk förening. Ta en klump med salt av natriumklorid, kasta den i vattnet: den sjunker till botten. Anledningen är att densiteten av natriumklorid med mer än 2 g / cm ³ är högre än densiteten av havsvatten mindre än 1,1 g / cm ³ .

Naturligtvis kommer saltklumpen att lösas upp någon gång och existerar inte längre. Men då är det inget salt längre. Då finns det bara snabba och på något sätt rörliga lösa katjoner och anjoner i vattnet.

Salt sjunker inte till botten i haven och haven, eftersom det löses upp i vatten! Om du vill få salt från haven och haven, försök att förånga dem: -) ...