Масса Земли (обозначается как или , где 🜨 — стандартный астрономический символ Земли ) — это единица массы , равная массе планеты Земля . На данный момент лучшая оценка массы Земли составляет M 🜨 =5,9722 × 10 24 кг , с относительной погрешностью 10−4. [2]Это эквивалентносреднейплотности5515 кг/м 3 . Используя ближайший метрический префикс, масса Земли составляет примерно шесть роннаграмм , или 6,0 Риг. [3]
Масса Земли – стандартная единица массы в астрономии , которая используется для обозначения масс других планет , включая скалистые планеты земной группы и экзопланеты . Одна солнечная масса близка к333 000 масс Земли. Масса Земли исключает массу Луны . Масса Луны составляет около 1,2% массы Земли, так что масса системы Земля+Луна близка к6,0456 × 10 24 кг .
Большую часть массы составляют железо и кислород (около 32%), магний и кремний (около 15%), кальций , алюминий и никель (около 1,5%).
Точное измерение массы Земли затруднено, поскольку оно эквивалентно измерению гравитационной постоянной , которая является фундаментальной физической константой , известной с наименьшей точностью из-за относительной слабости гравитационной силы . Масса Земли была впервые измерена с какой-либо точностью (в пределах примерно 20% от правильного значения) в эксперименте Шихаллиона в 1770-х годах и в пределах 1% от современного значения в эксперименте Кавендиша 1798 года.
Масса Земли оценивается в:
которую можно выразить через массу Солнца как:
Отношение массы Земли к массе Луны измерено с большой точностью. Текущая лучшая оценка: [4] [5]
Произведение ME и универсальной гравитационной постоянной ( G ) известно как геоцентрическая гравитационная постоянная ( GM E ) и равно(398 600 441,8 ± 0,8 ) × 10 6 м 3 с -2 . Он определяется с использованием данных лазерной локации со спутников на околоземной орбите, таких как LAGEOS-1 . [9] [10] GME также можно рассчитать, наблюдая за движением Луны [11] или периодом маятника на различных высотах, хотя эти методы менее точны, чем наблюдения искусственных спутников .
Относительная неопределенность GME всего лишь2 × 10 −9 , т.е.в 50 000 раз меньше, чем относительная неопределенность для самого ME . M E можно узнать, только разделив G M E на G , а G известен только с относительной неопределенностью4,6 × 10 −5 ( рекомендованное значение NIST 2014 г. ), поэтому M E будет иметь в лучшем случае такую же неопределенность. По этой и другим причинам астрономы предпочитают использовать GME или отношения масс (массы, выраженные в единицах массы Земли или Солнечной массы ), а не массу в килограммах при упоминании и сравнении планетарных объектов.
Плотность Земли значительно варьируется: менееот 2700 кг/м 3 в верхней коре до13 000 кг/м 3 во внутренней зоне . [12] Ядро Земли составляет 15% объема Земли, но более 30% массы, мантия — 84% объема и около 70% массы, а на долю коры приходится менее 1% массы. масса. [12] Около 90% массы Земли состоит из железо-никелевого сплава (95% железа) в ядре (30%), а также диоксида кремния (ок. 33%) и оксида магния (ок. 27). %) в мантии и коре. Незначительный вклад вносят оксид железа(II) (5%), оксид алюминия (3%) и оксид кальция (2%) [13] , а также многочисленные микроэлементы (в элементарном выражении: железо и кислород примерно по 32% каждый, магний и кремний примерно по 15% каждый, кальций , алюминий и никель примерно по 1,5% каждый). На углерод приходится 0,03%, на воду — 0,02%, а на атмосферу — около одной части на миллион . [14]
Масса Земли измеряется косвенно путем определения других величин, таких как плотность Земли, гравитация или гравитационная постоянная. Первое измерение в эксперименте Шихаллиона 1770-х годов привело к занижению значения примерно на 20%. Эксперимент Кавендиша 1798 года обнаружил правильное значение с точностью до 1%. Неопределенность сократилась примерно до 0,2% к 1890-м годам [15] до 0,1% к 1930 году. [16]
Фигура Земли с точностью до четырех значащих цифр известна с 1960-х годов ( WGS66 ), так что с этого времени неопределенность массы Земли определяется по существу неопределенностью измерения гравитационной постоянной . Относительная неопределенность составляла 0,06% в 1970-х годах [17] и 0,01% (10 -4 ) к 2000-м годам. Текущая относительная неопределенность 10 −4 составляет6 × 10 20 кг в абсолютном выражении, порядка массы малой планеты (70% массы Цереры ).
До прямого измерения гравитационной постоянной оценки массы Земли ограничивались оценкой средней плотности Земли на основе наблюдений за корой и оценками объема Земли. Оценки объема Земли в 17 веке были основаны на оценке окружности в 60 миль (97 км) до градуса широты, что соответствует радиусу 5500 км (86% фактического радиуса Земли около 6371 км). , в результате чего предполагаемый объем примерно на треть меньше правильного значения. [18]
Средняя плотность Земли точно не была известна. Считалось, что Земля состоит либо в основном из воды ( нептунизм ), либо в основном из магматических пород ( плутонизм ), что предполагает слишком низкую среднюю плотность, согласующуюся с общей массой порядка10 24 кг . Исаак Ньютон подсчитал, не имея доступа к надежным измерениям, что плотность Земли в пять или шесть раз превышает плотность воды [19] , что является удивительно точным (современное значение составляет 5,515). Ньютон недооценил объем Земли примерно на 30%, так что его оценка была бы примерно эквивалентна(4,2 ± 0,5) × 10 24 кг .
В 18 веке знание закона всемирного тяготения Ньютона позволило косвенно оценить среднюю плотность Земли посредством оценок (то, что в современной терминологии известно как) гравитационной постоянной . Ранние оценки средней плотности Земли были сделаны путем наблюдения небольшого отклонения маятника возле горы, как в эксперименте Шихаллиона . Ньютон рассмотрел эксперимент в «Принципах» , но пессимистически пришел к выводу, что эффект будет слишком мал, чтобы его можно было измерить.
Экспедиция Пьера Бугера и Шарля Мари де ла Кондамина с 1737 по 1740 год попыталась определить плотность Земли путем измерения периода маятника (и, следовательно, силы гравитации) в зависимости от высоты. Эксперименты проводились в Эквадоре и Перу, на вулкане Пичинча и горе Чимборасо . [20] Бугер писал в статье 1749 года, что им удалось обнаружить отклонение на 8 угловых секунд . Точности было недостаточно для точной оценки средней плотности Земли, но Бугер заявил, что она, по крайней мере, достаточна. доказать, что Земля не полая . [15]
О том, что следует предпринять дальнейшую попытку эксперимента, было предложено Королевскому обществу в 1772 году Невилом Маскелином , королевским астрономом . [21] Он предположил, что эксперимент «сделает честь нации, где он был проведен», и предложил в качестве подходящих целей Уэрнсайд в Йоркшире или массив Бленкатра - Скиддо в Камберленде . Королевское общество сформировало Комитет притяжения для рассмотрения этого вопроса, назначив Маскелина, Джозефа Бэнкса и Бенджамина Франклина среди своих членов. [22] Комитет направил астронома и геодезиста Чарльза Мэйсона найти подходящую гору.
После длительных поисков летом 1773 года Мейсон сообщил, что лучшим кандидатом был Шихаллион , вершина в центральном Шотландском нагорье . [22] Гора стояла изолированно от близлежащих холмов, что уменьшало их гравитационное влияние, а ее симметричный гребень с востока на запад упрощал расчеты. Его крутые северный и южный склоны позволили бы провести эксперимент близко к центру масс , максимизируя эффект отклонения. Невил Маскелин , Чарльз Хаттон и Рубен Барроу провели эксперимент, завершенный к 1776 году. Хаттон (1778) сообщил, что средняя плотность Земли оценивалась на уровне горы Шихаллион. [23] Это соответствует средней плотности примерно на 4 1 ⁄ 2 выше, чем у воды (т.е. примерно4,5 г/см 3 ), примерно на 20% ниже современного значения, но все же значительно выше средней плотности обычной породы, что позволяет впервые предположить, что недра Земли могут в основном состоять из металла. По оценкам Хаттона, эта металлическая часть занимает около 20 ⁄ 31 (или 65%) диаметра Земли (современное значение 55%). [24] Зная среднюю плотность Земли, Хаттон смог установить некоторые значения для планетарных таблиц Жерома Лаланда , которые ранее могли выражать плотности основных объектов Солнечной системы только в относительных величинах. [23]
Генри Кавендиш (1798 г.) был первым, кто попытался измерить гравитационное притяжение между двумя телами непосредственно в лаборатории. Тогда массу Земли можно было бы найти, объединив два уравнения; Второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения Ньютона .
В современных обозначениях масса Земли получается из гравитационной постоянной и среднего радиуса Земли по формуле
Где гравитация Земли , «маленькая г», равна
Кавендиш нашел среднюю плотность5,45 г/см 3 , что примерно на 1% ниже современного значения.
Хотя масса Земли подразумевается при указании радиуса и плотности Земли, до введения научной записи с использованием степеней 10 в конце 19 века обычно не принято было явно указывать абсолютную массу, поскольку абсолютные числа были бы слишком неловко. Ричи (1850) дает массу земной атмосферы как «11 456 688 186 392 473 000 фунтов». (1,1 × 10 19 фунтов =5,0 × 10 18 кг , современное значение5,15 × 10 18 кг ) и утверждает, что «по сравнению с весом земного шара эта огромная сумма становится незначительной». [25]
Абсолютные цифры массы Земли приводятся лишь начиная со второй половины XIX в., причем преимущественно в популярной, а не экспертной литературе. Ранняя такая цифра называлась «14 септиллионов фунтов» ( 14 Quadrillionen Pfund ).6,5 × 10 24 кг ] у Масиуса (1859 г.). [26] Беккет (1871) называет «вес Земли» равным «5842 квинтиллионам тонн » [5,936 × 10 24 кг ]. [27] «Масса Земли в гравитационной мере» указана как «9,81996×6370980 2 » в « Новых томах Британской энциклопедии» (том 25, 1902 г.) с «логарифмом земной массы», заданным как «14,600522». [3,985 86 × 10 14 ]. Это гравитационный параметр в м 3 ·с -2 (современное значение3,986 00 × 10 14 ), а не абсолютная масса.
Эксперименты с маятниками продолжали проводиться и в первой половине XIX века. Ко второй половине века они уступили место повторениям эксперимента Кавендиша, а современное значение G (и, следовательно, массы Земли) все еще выводится из высокоточных повторений эксперимента Кавендиша.
В 1821 году Франческо Карлини определил значение плотности ρ=4,39 г/см 3 по результатам измерений маятников в районе Милана . Это значение было уточнено в 1827 году Эдвардом Сабиным до4,77 г/см 3 , а затем в 1841 году Карло Игнацио Джулио4,95 г/см 3 . С другой стороны, Джордж Бидделл Эйри стремился определить ρ, измеряя разницу в периоде маятника между поверхностью и дном шахты. [28] Первые испытания и эксперименты прошли в Корнуолле между 1826 и 1828 годами. Эксперимент провалился из-за пожара и наводнения. Наконец, в 1854 году Эйри получил значение6,6 г/см 3 по измерениям в угольной шахте в Хартоне, Сандерленд. Метод Эйри предполагал, что Земля имеет сферическую стратификацию. Позже, в 1883 году, эксперименты, проведенные Робертом фон Штернеком (1839–1910) на разных глубинах в рудниках Саксонии и Богемии, позволили получить средние значения плотности ρ от 5,0 до6,3 г/см 3 . Это привело к появлению концепции изостазии, которая ограничивает возможность точного измерения ρ либо отклонением от вертикали отвеса, либо использованием маятников. Несмотря на маловероятность точной оценки средней плотности Земли таким способом, Томас Корвин Менденхолл в 1880 году осуществил гравиметрический эксперимент в Токио и на вершине горы Фудзи . В результате получилось ρ =5,77 г/см 3 . [ нужна цитата ]
Неопределенность современного значения массы Земли полностью объяснялась неопределенностью гравитационной постоянной G, по крайней мере, с 1960-х годов. [29] G, как известно, трудно измерить, и некоторые высокоточные измерения в период с 1980-х по 2010-е годы дали взаимоисключающие результаты. [30] Сагитов (1969), основываясь на измерении G Хейлом и Хшановским (1942), привел значение M E =5,973(3) × 10 24 кг (относительная неопределенность5 × 10 -4 ).
С тех пор точность улучшилась лишь незначительно. Большинство современных измерений представляют собой повторение эксперимента Кавендиша с результатами (в пределах стандартной неопределенности) в диапазоне от 6,672 до 6,676 × 10 -11 м 3 /кг / с 2 (относительная неопределенность 3 × 10 -4 ) в результатах, сообщаемых с 1980-х годов, хотя Рекомендуемое значение NIST 2014 года близко к 6,674×10 -11 м 3 /кг/с 2 с относительной неопределенностью ниже 10 -4 . Астрономический альманах онлайн за 2016 год рекомендует стандартную неопределенность1 × 10 −4 для массы Земли, М E 5,9722(6) × 10 24 кг [2]
Масса Земли является переменной величиной, подверженной как увеличению, так и уменьшению из-за аккреции падающего материала, включая микрометеориты и космическую пыль, а также потери водорода и гелия соответственно. Совокупный эффект представляет собой чистую потерю материала, оцениваемую в 5,5 × 10 7 кг (5,4 × 10 4 длинных тонн ) в год. Эта сумма равна 10−17 от общей массы Земли. [ нужна ссылка ]Годовые чистые потери 5,5 × 10 7 кг в основном обусловлены потерями 100 000 тонн из-за выбросов из атмосферы и в среднем 45 000 тонн, полученными из-за падающей пыли и метеоритов. Это находится в пределах неопределенности массы 0,01% (6 × 10 20 кг ), поэтому на расчетное значение массы Земли этот фактор не влияет.
Потеря массы происходит за счет выхода газов в атмосферу. Около 95 000 тонн водорода в год [31] (3 кг/с ) и 1600 тонн гелия в год [32] теряются из-за атмосферных выбросов. Основным фактором увеличения массы является падающий материал, космическая пыль , метеоры и т. д., которые вносят наиболее значительный вклад в увеличение массы Земли. Сумма материала оценивается вот 37 000 до 78 000 тонн в год, [33] [34] , хотя эта цифра может значительно варьироваться; Возьмем крайний пример: ударный элемент Чиксулуб со средней оценкой массы2,3 × 10 17 кг , [35] добавили в 900 миллионов раз больше годового количества пыли к массе Земли за одно событие.
Дополнительные изменения массы обусловлены принципом эквивалентности массы и энергии , хотя эти изменения относительно незначительны. Потери массы из-за сочетания ядерного деления и естественного радиоактивного распада оцениваются в 16 тонн в год. [ нужна цитата ]
Дополнительные потери, вызванные космическими кораблями на траекториях ухода , оцениваются в65 тонн в год с середины 20 века. Земля потеряла около 3473 тонн за первые 53 года космической эры, но в настоящее время эта тенденция снижается. [ нужна цитата ]