Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Масса Земли ( M E или M , где ⊕ - стандартный астрономический символ планеты Земля ) - это единица массы, равная массе Земли. Текущая наилучшая оценка массы Земли M =5.9722 × 10 24  кг , с стандартной неопределенностью из6 × 10 20  кг (относительная погрешность 10 −4 ). [2] Рекомендуемое значение в 1976 г. было(5,9742 ± 0,0036) × 10 24  кг . [3] Это эквивалентно средней плотности из5515 кг.м −3 .

Масса Земли - это стандартная единица массы в астрономии, которая используется для обозначения масс других планет , включая твердые планеты земной группы и экзопланеты . Одна Солнечная масса близка к 333000 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 .

Большая часть массы приходится на железо и кислород (по 32% каждый), магний и кремний (по 15% каждый), кальций , алюминий и никель (по 1,5% каждый).

Точное измерение массы Земли затруднено, так как это эквивалентно измерению гравитационной постоянной , которая является фундаментальной физической постоянной, известной с наименьшей точностью из-за относительной слабости гравитационной силы . Масса Земли была впервые измерена с любой 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.

Единица массы в астрономии [ править ]

Масса Земли оценивается в:

,

что может быть выражено через массу Солнца как:

.

Отношение массы Земли к массе Луны было измерено с большой точностью. Текущая наилучшая оценка: [4] [5]

Произведение G M для Земли называется геоцентрической гравитационной постоянной и равно(398 600 441 0,8 ± 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] Произведение G M также можно рассчитать, наблюдая движение Луны [11] или период маятника на различных высотах. Эти методы менее точны, чем наблюдения искусственных спутников.

Относительная неопределенность геоцентрической гравитационной постоянной составляет всего 2 × 10 −9 , т. Е.В 50 000 раз меньше, чем относительная погрешность для самого M . M можно определить только путем деления произведения G M на G , а G известно только с относительной неопределенностью4,6 × 10 −5 ( рекомендованное значение NIST 2014 г. ), поэтому M в лучшем случае будет иметь такую ​​же неопределенность. По этой и другим причинам астрономы предпочитают использовать неуменьшенное произведение G M или отношения масс (массы, выраженные в единицах массы Земли или Солнечной массы ), а не массу в килограммах при сопоставлении и сравнении планетных объектов.

Состав [ править ]

Плотность Земли значительно колеблется, менее чем 2700 кг⋅м −3 в верхней коре до13 000  кгм −3 во внутренней активной зоне . [12] В ядре Земли составляет 15% от объема Земли , но более чем на 30% от массы, в мантию на 84% объем , и близко к 70% от массы, в то время как кора составляет менее 1% от масса. [12] Около 90% массы Земли состоит из сплава железа и никеля (95% железа) в ядре (30%), а также диоксидов кремния (около 33%) и оксида магния (около 27 %) . %) в мантии и коре. Незначительный вклад вносят оксид железа (II) (5%), оксид алюминия (3%) иоксид кальция (2%) [13], помимо множества микроэлементов (в элементарных терминах: железо и кислород примерно по 32% каждый, магний и кремний примерно по 15% каждый, кальций , алюминий и никель примерно по 1,5%). Углерод составляет 0,03%, вода - 0,02%, а атмосфера - около одной части на миллион . [14]

История измерений [ править ]

Маятники, используемые в гравиметре Менденхолла , из научного журнала 1897 г. Портативный гравиметр, разработанный в 1890 году Томасом К. Менденхоллом, обеспечил наиболее точные относительные измерения местного гравитационного поля Земли.

Масса Земли измеряется косвенно путем определения других величин, таких как плотность Земли, сила тяжести или гравитационная постоянная. Первое измерение в эксперименте Шихаллиона 1770-х годов привело к заниженному значению примерно на 20%. Кавендиш эксперимент 1798 нашел правильное значение в пределах 1%. Неопределенность снизилась примерно до 0,2% к 1890-м годам [15] до 0,1% к 1930 году [16].

Фигура Земли , как известно, лучше , чем четырех значащих цифр , начиная с 1960 - х годов ( WGS66 ), так что с этого времени, неопределенность массы Земли определяется в основном 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 погрешность 10 −4 составляет6 × 10 20  кг в абсолютном выражении порядка массы малой планеты (70% массы Цереры ).

Ранние оценки [ править ]

До прямого измерения гравитационной постоянной оценки массы Земли ограничивались оценкой средней плотности Земли на основе наблюдений за корой и оценок объема Земли. Оценки объема Земли в 17 веке были основаны на оценке окружности в 60 миль (97 км) в градусе широты, что соответствует радиусу 5500 км (86% фактического радиуса Земли, составляющего около 6371 км). , в результате расчетный объем примерно на треть меньше правильного значения. [18]

Средняя плотность Земли точно не была известна. Предполагалось, что Земля состоит либо в основном из воды ( нептунизм ), либо из вулканических пород ( плутонизм ), и оба предполагают слишком низкую среднюю плотность, соответствующую общей массе порядка10 24  кг . Исаак Ньютон оценил, не имея доступа к надежным измерениям, что плотность Земли будет в пять или шесть раз больше плотности воды [19], что является удивительно точным (современное значение - 5,515). Ньютон недооценил объем Земли примерно на 30%, так что его оценка была примерно эквивалентна(4,2 ± 0,5) × 10 24  кг .

В 18 веке знание закона всемирного тяготения Ньютона позволяло косвенно оценивать среднюю плотность Земли с помощью оценок (что в современной терминологии известно как) гравитационной постоянной . Ранние оценки средней плотности Земли были сделаны путем наблюдения за небольшим отклонением маятника возле горы, как в эксперименте Шихаллион . Ньютон рассмотрел эксперимент в « Началах» , но пессимистично 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 пыталась определить плотность Земли путем измерения периода маятника (и, следовательно, силы тяжести) в зависимости от высоты. Эксперименты проводились в Эквадоре и Перу, на вулкане Пичинча и горе Чимборасо . [20] Бугер написал в статье 1749 года, что им удалось обнаружить отклонение в 8  угловых секунд , точность была недостаточна для точной оценки средней плотности Земли, но Бугер заявил, что этого было по крайней мере достаточно. чтобы доказать, что Земля не полая . [15]

Эксперимент Шихаллиона [ править ]

Дальнейшая попытка эксперимента была предложена Королевскому обществу в 1772 году Невилом Маскелином , королевским астрономом . [21] Он предположил , что эксперимент будет «делать честь нации , где это было сделано» , и предложил Уэрнсайд в Йоркшире , или Blencathra - Skiddaw массива в Камберленд в качестве подходящих целей. Королевское общество сформировало Комитет по привлечению внимания для рассмотрения этого вопроса, назначив в его состав Маскелина, Джозефа Бэнкса и Бенджамина Франклина . [22]Комитет послал астронома и геодезиста Чарльза Мэйсона, чтобы найти подходящую гору.

После долгих поисков летом 1773 года Мейсон сообщил, что лучшим кандидатом был Шихаллион , пик в центральной части Шотландского нагорья . [22] Гора стояла изолированно от любых близлежащих холмов, что уменьшило бы их гравитационное влияние, а ее симметричный восточно-западный гребень упростил бы вычисления. Его крутые северный и южный склоны позволили бы разместить эксперимент близко к его центру масс , максимизируя эффект отклонения. Невил Маскелайн , Чарльз Хаттон и Рубен Берроу провели эксперимент, завершенный к 1776 году. Хаттон (1778) сообщил, что средняя плотность Земли оценивается вчто горы Шихаллион. [23] Это соответствует средней плотности около 4 1 / 2 выше , чем у воды (т.е. около4,5 г / см 3 ), что примерно на 20% ниже современного значения, но все же значительно больше, чем средняя плотность нормальной породы, что впервые свидетельствует о том, что недра Земли могут в значительной степени состоять из металла. Хаттон оценки это металлическая часть , чтобы занять некоторое 20 / 31 (или 65%) диаметра Земли (современное значение 55%). [24] Используя значение средней плотности Земли, Хаттон смог установить некоторые значения для планетарных таблиц Жерома Лаланда , которые ранее могли выражать плотности основных объектов Солнечной системы только в относительных единицах. [23]

Эксперимент Кавендиша [ править ]

Генри Кавендиш (1798) 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 Ньютона всемирного тяготения .

В современных обозначениях, масса Земли происходит от гравитационной постоянной и среднего радиуса Земли по

Где гравитация Земли , "маленькая g", равна

.

Кавендиш обнаружил, что средняя плотность 5,45 г / см 3 , что примерно на 1% ниже современного значения.

19 век [ править ]

Экспериментальная установка Фрэнсиса Бейли и Генри Фостера для определения плотности Земли с использованием метода Кавендиша.

В то время как масса Земли подразумевается указанием радиуса и плотности Земли, не было принято указывать абсолютную массу явно до введения научных обозначений с использованием степеней 10 в конце XIX века, потому что абсолютные числа были бы слишком неудобно. Ричи (1850) дает массу атмосферы Земли 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 ничтожной». [25]

Абсолютные цифры массы Земли приводятся только со второй половины XIX века, в основном в популярной, а не экспертной литературе. Ранее такая цифра называлась «14 септиллионов фунтов» ( 14 квадриллионов пфундов ) [6,5 × 10 24  кг ] в Мазиусе (1859 г.). [26] Беккет (1871) цитирует «вес земли» как «5842 квинтиллиона 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 массы Земли», равным «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 в первой половине XIX века. Ко второй половине столетия они уступили в эффективности повторениям эксперимента Кавендиша, и современное значение G (и, следовательно, массы Земли) по-прежнему выводится из высокоточных повторений эксперимента Кавендиша.

В 1821 году Франческо Карлини определил значение плотности ρ =4,39 г / см 3 согласно измерениям с помощью маятников в районе Милана . Это значение было уточнено в 1827 году Эдвардом Сабином, чтобы4,77 г / см 3 , а затем в 1841 году Карло Игнацио Джулио в4,95 г / см 3 . С другой стороны, Джордж Бидделл Эйри пытался определить ρ, измеряя разницу в периоде маятника между поверхностью и дном шахты. [28] Первые испытания проводились 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 Стернеком (1839-1910) на разных глубинах в шахтах Саксонии и Богемии, дали средние значения плотности ρ от 5,0 до6,3 г / см 3 . Это привело к концепции изостазии, которая ограничивает возможность точного измерения ρ либо отклонением от вертикали отвеса, либо использованием маятников. Несмотря на небольшую вероятность точной оценки средней плотности Земли таким способом, Томас Корвин Менденхолл в 1880 году провел гравиметрический эксперимент в Токио и на вершине горы Фудзи . Результат был ρ =5,77 г / см 3 . [ необходима цитата ]

Современное значение [ править ]

Неопределенность современного значения массы Земли полностью объясняется неопределенностью гравитационной постоянной G, по крайней мере, с 1960-х годов. [29] Известно, что G трудно измерить, и некоторые высокоточные измерения в период с 1980-х по 2010-е годы дали взаимоисключающие результаты. [30] Загитов (1969), основываясь на измерении G Хейлем и Хшановски (1942), привел значение M =5,973 (3) × 10 24  кг (относительная погрешность5 × 10 −4 ).

С тех пор точность улучшилась лишь незначительно. Большинство современных измерений повторы Кавендишского эксперимента, с результатами ( в пределах стандартной неопределенности) в диапазоне от 6,672 и 6,676 × 10 -11   м 3  кг -1  с -2 (относительной погрешностью 3 × 10 -4 ) в результатах сообщались с 1980 годом , хотя рекомендованное NIST значение 2014 года близко к 6,674 × 10 −11   м 3  кг −1  с −2 с относительной погрешностью ниже 10 −4 . Астрономический альманах Интернет в 2016 рекомендует стандартную неопределенность1 × 10 −4 для массы Земли, M 5,9722 (6) × 10 24  кг [2]

Вариант [ править ]

Масса Земли непостоянна и зависит как от увеличения, так и от потерь из-за аккреции падающего материала, включая микрометеориты и космическую пыль, а также потери водорода и гелия соответственно. Комбинированный эффект представляет собой чистую потерю материала, оцениваемую в 5,5 × 10 7  кг (5,4 × 10 4 длинных тонн ) в год. Эта сумма составляет 10 - 17 от общей массы Земли. [ Править ]5,5 × 10 7  кг годовой чистой потери в основном вызваны потерей 100 000 тонн из-за атмосферного выброса и в среднем 45 000 тонн, полученными из-за падающей пыли и метеоритов. Это находится в пределах погрешности массы 0,01% (6 × 10 20  кг ), поэтому на расчетное значение массы Земли этот фактор не влияет.

Потеря массы происходит из-за выхода газов из атмосферы. Около 95 000 тонн водорода в год [31] (3 кг / с ) и 1600 тонн гелия в год [32] теряются в результате утечки в атмосферу. Основным фактором увеличения массы является падающий материал, космическая пыль , метеоры и т. Д., Которые вносят наибольший вклад в увеличение массы Земли. Сумма материала оценивается вОт 37 000 до 78 000  тонн в год, [33] [34] хотя это может значительно варьироваться; Возьмем крайний пример, ударный элемент Chicxulub , с оценкой средней массы2,3 × 10 17  кг , [35] добавили 900 миллионов раз , что годовой объем dustfall к массе Земли в одном случае.

Дополнительные изменения массы происходят из-за принципа эквивалентности массы и энергии , хотя эти изменения относительно незначительны. Потеря массы из-за сочетания ядерного деления и естественного радиоактивного распада оценивается в 16 тонн в год. [ необходима цитата ]

Дополнительные потери космических аппаратов 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 тенденция к снижению. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Изобилие элементов в земной коре
  • Кавендиш эксперимент
  • Радиус Земли
  • Индекс подобия Земли
  • Гравитационная постоянная
  • Порядки величины (масса)
  • Планетная масса
  • Шихаллион эксперимент
  • Солнечная масса
  • Строение Земли

Ссылки [ править ]

  1. Приписывается Паппом Александрийским ( Синагога [Συναγωγή] VIII, 4 век) как «Δός μοί ποῦ στῶ, καὶ κινῶ τὴν Γῆν» . Гравюра из журнала Mechanic's Magazine (обложка тома II в переплете, Knight & Lacey, Лондон, 1824 г.).
  2. ^ a b c Указанное значение является рекомендованным значением, опубликованным Международным астрономическим союзом в 2009 г. (см. «Избранные астрономические константы» 2016 г. в The Astronomical Almanac Online , USNO - UKHO).
  3. ^ См. Систему астрономических констант МАС (1976) .
  4. ^ а б Питьева Е.В. Стэндиш, EM (1 апреля 2009 г.). «Предложения по массам трех крупнейших астероидов, соотношению масс Луны и Земли и астрономической единице» . Небесная механика и динамическая астрономия . 103 (4): 365–372. Bibcode : 2009CeMDA.103..365P . DOI : 10.1007 / s10569-009-9203-8 . S2CID 121374703 . 
  5. ^ Лузум, Брайан; Капитан, Николь; Фьенга, Аньес; и другие. (10 июля 2011 г.). «Система астрономических констант IAU 2009: отчет рабочей группы IAU по числовым стандартам для фундаментальной астрономии» . Небесная механика и динамическая астрономия . 110 (4): 293–304. Bibcode : 2011CeMDA.110..293L . DOI : 10.1007 / s10569-011-9352-4 .
  6. ^ a b c d e f g h "Планетарный информационный бюллетень - отношение к Земле" . nssdc.gsfc.nasa.gov . Проверено 12 февраля +2016 .
  7. ^ "Каталог обитаемых экзопланет - Лаборатория обитаемости планет @ UPR Arecibo" .
  8. ^ "HEC: данные потенциальных обитаемых миров" .
  9. ^ Ries, JC; Eanes, RJ; Шум, СК; Уоткинс, М.М. (20 марта 1992 г.). «Прогресс в определении гравитационного коэффициента Земли». Письма о геофизических исследованиях . 19 (6): 529. Bibcode : 1992GeoRL..19..529R . DOI : 10.1029 / 92GL00259 .
  10. ^ Lerch, Фрэнсис Дж .; Лаубшер, Рой Э .; Клоско, Стивен М .; Смит, Дэвид Э .; Коленкевич, Рональд; Путни, Барбара Х .; Марш, Джеймс Дж .; Браунд, Джозеф Э. (декабрь 1978 г.). «Определение геоцентрической гравитационной постоянной по лазерной локации на спутниках, сближающихся с Землей». Письма о геофизических исследованиях . 5 (12): 1031–1034. Bibcode : 1978GeoRL ... 5.1031L . DOI : 10.1029 / GL005i012p01031 .
  11. ^ Shuch, H. Paul (июль 1991). «Измерение массы Земли: окончательный эксперимент с отскоком Луны» (PDF) . Труды 25-й конференции Общества УКВ центральных штатов : 25–30 . Проверено 28 февраля +2016 .
  12. ^ a b См. структуру Земли : внутренний объем ядра 0,7%, плотность 12 600–13 000, масса c. 1,6%; внешнее ядро об. 14,4%, плотность 9 900–12 200 масс. C. 28,7–31,7%. Хазлетт, Джеймс С .; Монро, Рид; Викандер, Ричард (2006). Физическая геология: исследование Земли (6. изд.). Бельмонт: Томсон. п. 346.
  13. ^ Джексон, Ян (1998). Мантия Земли - состав, структура и эволюция . Издательство Кембриджского университета. С. 311–378.
  14. ^ Гидросферы (Земли океанов ) составляет около 0,02%2,3 × 10 -4 от общей массы, углерода примерно 0,03% корки, или3 × 10 −6 общей массы, атмосфера Земли около8,6 × 10 −7 общей массы. Биомасса оценивается в 10 −10 (5,5 × 10 14  кг , см. Bar-On, Yinon M .; Филлипс, Роб; Майло, Рон. «Распределение биомассы на Земле» Учеб. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. , 2018).
  15. ^ a b Пойнтинг, JH (1913). Земля: ее форма, размер, вес и вращение . Кембридж. С. 50–56.
  16. ^ PR Heyl, Повторное определение постоянной гравитации , Национальное бюро стандартов, журнал исследований 5 (1930), 1243–1290.
  17. ^ IAU (1976) Система астрономических констант
  18. ^ Маккензи, А. Стэнли, Законы гравитации; мемуары Ньютона, Бугера и Кавендиша вместе с отрывками из других важных мемуаров , American Book Company (1900 [1899]), с. 2.
  19. ^ "Сэр Исаак Ньютон считал вероятным, что средняя плотность Земли может быть в пять или шесть раз больше, чем плотность воды; и теперь мы обнаружили экспериментальным путем, что она очень немногим меньше, чем он думал так должно быть: столько справедливости было даже в догадках этого замечательного человека! " Хаттон (1778), стр. 783
  20. ^ Феррейро, Ларри (2011). Мера Земли: Экспедиция Просвещения, изменившая наш мир . Нью-Йорк: Основные книги. ISBN 978-0-465-01723-2.
  21. Перейти ↑ Maskelyne, N. (1772). «Предложение измерить привлекательность какого-нибудь холма в этом Королевстве» . Философские труды Королевского общества . 65 : 495–499. Bibcode : 1775RSPT ... 65..495M . DOI : 10,1098 / rstl.1775.0049 .
  22. ^ a b Дэнсон, Эдвин (2006). Взвешивание мира . Издательство Оксфордского университета. С. 115–116. ISBN 978-0-19-518169-2.
  23. ^ а б Хаттон, К. (1778). «Отчет о расчетах, сделанных на основе обзора и мер, принятых в Schehallien» . Философские труды Королевского общества . 68 : 689–788. DOI : 10,1098 / rstl.1778.0034 .
  24. ^ Хаттон (1778), стр. 783.
  25. ^ Арчибальд Tucker Ritchie, динамическая теория формирования Земли т. 2 (1850), Longman, Brown, Green and Longmans, 1850, стр. 280 .
  26. ^ JGMädler в: Masius, Hermann, Die gesammten Naturwissenschaften , т. 3 (1859), с. 562.
  27. ^ Эдмунд Беккет Барон Гримторп, Астрономия без математики (1871), стр. 254. Макс Эйт, Der Kampf um die Cheopspyramide: Erster Band (1906), стр. 417 цитирует «вес земного шара» ( Das Gewicht des Erdballs ) как «5273 квинтиллиона тонн».
  28. ^ Пойнтинг, Джон Генри (1894). Средняя плотность Земли . Лондон: Чарльз Гриффин. стр.  22 -24.
  29. ^ «Поскольку геоцентрическая гравитационная постоянная [...] теперь определена с относительной точностью 10 −6 , наши знания о массе Земли полностью ограничены низкой точностью наших знаний о гравитационной постоянной Кавендиша». Загитов (1970 [1969]), с. 718.
  30. ^ Шламмингер, Стефан (18 июня 2014 г.). «Фундаментальные константы: отличный способ измерить большую G». Природа . 510 (7506): 478–480. Bibcode : 2014Natur.510..478S . DOI : 10,1038 / природа13507 . PMID 24965646 . S2CID 4396011 .  
  31. ^ "Фэнтези и научная фантастика: наука Пэт Мерфи и Пол Доэрти" .
  32. ^ «Земля теряет 50 000 тонн массы каждый год» . SciTech Daily . 5 февраля 2012 г.
  33. ^ Зук, Herbert A. (2001), "Космический корабль Измерение космической пыли Flux", Аккреция внеземного вещества На протяжении всей истории Земли , стр 75-92,. Дои : 10.1007 / 978-1-4419-8694-8_5 , ISBN 978-1-4613-4668-5
  34. ^ Картер, Линн. «Сколько метеоритов падает на Землю каждый год?» . Спросите астронома . Любопытная команда, Корнельский университет . Проверено 6 февраля +2016 .
  35. ^ Дюран-Мантерола, HJ; Кордеро-Терсеро, Г. (2014). «Оценка энергии, массы и размера импактора Chicxulub». arXiv : 1403.6391 [ astro-ph.EP ].