Масса Земли | |
---|---|
Общая информация | |
Система единиц | астрономия |
Единица | масса |
Символ | M ⊕ |
Конверсии | |
1 M ⊕ дюймов ... | ... равно ... |
Базовая единица СИ | (5,9722 ± 0,0006) × 10 24 кг |
В США обычный | ≈ 1,3166 × 10 25 фунтов |
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]
Объект | Масса Земли M ⊕ | Ссылка |
---|---|---|
Луна | 0,012 300 0371 (4) | [4] |
солнце | 332 946 0,0487 ± 0,0007 | [2] |
Меркурий | 0,0553 | [6] |
Венера | 0,815 | [6] |
земной шар | 1 | По определению |
Марс | 0,107 | [6] |
Юпитер | 317,8 | [6] |
Сатурн | 95,2 | [6] |
Уран | 14,5 | [6] |
Нептун | 17,1 | [6] |
Плутон | 0,0025 | [6] |
Эрис | 0,0027 | |
Gliese 667 Cc | 3.8 | [7] |
Кеплер-442б | 1,0 - 8,2 | [8] |
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 ]
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 ]
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 ]
- ↑ 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.).
- ^ 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).
- ^ См. Систему астрономических констант МАС (1976) .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ a b c d e f g h "Планетарный информационный бюллетень - отношение к Земле" . nssdc.gsfc.nasa.gov . Проверено 12 февраля +2016 .
- ^ "Каталог обитаемых экзопланет - Лаборатория обитаемости планет @ UPR Arecibo" .
- ^ "HEC: данные потенциальных обитаемых миров" .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ Джексон, Ян (1998). Мантия Земли - состав, структура и эволюция . Издательство Кембриджского университета. С. 311–378.
- ^ 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).
- ^ a b Пойнтинг, JH (1913). Земля: ее форма, размер, вес и вращение . Кембридж. С. 50–56.
- ^ PR Heyl, Повторное определение постоянной гравитации , Национальное бюро стандартов, журнал исследований 5 (1930), 1243–1290.
- ^ IAU (1976) Система астрономических констант
- ^ Маккензи, А. Стэнли, Законы гравитации; мемуары Ньютона, Бугера и Кавендиша вместе с отрывками из других важных мемуаров , American Book Company (1900 [1899]), с. 2.
- ^ "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
- ^ Феррейро, Ларри (2011). Мера Земли: Экспедиция Просвещения, изменившая наш мир . Нью-Йорк: Основные книги. ISBN 978-0-465-01723-2.
- 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 .
- ^ a b Дэнсон, Эдвин (2006). Взвешивание мира . Издательство Оксфордского университета. С. 115–116. ISBN 978-0-19-518169-2.
- ^ 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 .
- ^ Хаттон (1778), стр. 783.
- ^ Арчибальд Tucker Ritchie, динамическая теория формирования Земли т. 2 (1850), Longman, Brown, Green and Longmans, 1850, стр. 280 .
- ^ JGMädler в: Masius, Hermann, Die gesammten Naturwissenschaften , т. 3 (1859), с. 562.
- ^ 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».
- ^ Пойнтинг, Джон Генри (1894). Средняя плотность Земли . Лондон: Чарльз Гриффин. стр. 22 -24.
- ^ «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.
- ^ 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 .
- ^ "Фэнтези и научная фантастика: наука Пэт Мерфи и Пол Доэрти" .
- ^ «Земля теряет 50 000 тонн массы каждый год» . SciTech Daily . 5 февраля 2012 г.
- ^ 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
- ^ Картер, Линн. «Сколько метеоритов падает на Землю каждый год?» . Спросите астронома . Любопытная команда, Корнельский университет . Проверено 6 февраля +2016 .
- ^ Дюран-Мантерола, HJ; Кордеро-Терсеро, Г. (2014). «Оценка энергии, массы и размера импактора Chicxulub». arXiv : 1403.6391 [ astro-ph.EP ].