Масса Земли

Масса Земли — физическая величина, определяющая количество вещества в планете Земля. Это одна из фундаментальных астрономических и геофизических характеристик, используемая для расчёта гравитационного взаимодействия, плотности и орбитальной динамики. Масса Земли также служит астрономической единицей массы (M⊕), применяемой для сравнения масс других планет и экзопланет.

Численное значение и методы определения

Современное значение массы Земли составляет 5,9722 × 10²⁴ килограммов (примерно 5,9722 септиллиона тонн). Эта величина не является абсолютной константой: она увеличивается за счёт падения метеоритов и космической пыли (примерно 40 000 тонн в год) и уменьшается вследствие утечки лёгких газов (водорода и гелия) в космическое пространство.

Первое достоверное измерение массы Земли было выполнено в 1798 году английским физиком Генри Кавендишем в эксперименте с крутильными весами. Опыт, изначально задуманный для определения гравитационной постоянной, позволил вычислить среднюю плотность Земли, а затем и её массу. Полученное Кавендишем значение (примерно 6,0 × 10²⁴ кг) отличалось от современного менее чем на 1 %.

В современной науке массу Земли определяют тремя основными способами:

• Гравиметрический метод — через измерение гравитационной постоянной G в лабораторных условиях и ускорения свободного падения g на поверхности. Масса вычисляется по формуле M = gR²/G, где R — средний радиус Земли.
• Астрономический метод — на основе третьего закона Кеплера, по параметрам орбиты Луны или искусственных спутников. Этот способ не требует знания гравитационной постоянной.
• Геодезический метод — через совместный анализ гравитационных аномалий, данных спутниковой альтиметрии и моделей внутреннего строения планеты.

Связь с другими характеристиками планеты

Масса Земли тесно связана с рядом других физических параметров. Средняя плотность планеты, вычисляемая как отношение массы к объёму, составляет 5515 кг/м³. Это наибольшее значение среди всех планет Солнечной системы, что объясняется наличием плотного железо-никелевого ядра.

Масса определяет силу тяжести на поверхности: ускорение свободного падения в среднем равно 9,80665 м/с² (стандартное значение). От массы также зависит вторая космическая скорость (11,186 км/с) — минимальная скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения планеты.

В астрономии масса Земли используется как единица измерения. Одна масса Земли (M⊕) равна 5,9722 × 10²⁴ кг. В этих единицах выражаются массы других планет земной группы, лун и экзопланет. Например, масса Марса составляет 0,107 M⊕, а масса Юпитера — 317,8 M⊕.

Составляющие массы

Масса Земли распределена неравномерно между её геосферами. Приблизительное распределение выглядит следующим образом:

• Ядро (радиус около 3500 км) — примерно 32,5 % массы, или 1,94 × 10²⁴ кг. Состоит преимущественно из железа и никеля.
• Мантия (толщина около 2900 км) — примерно 67 % массы, или 4,0 × 10²⁴ кг. Сложена силикатными породами.
• Земная кора (толщина 5–70 км) — менее 0,5 % массы, или около 2,4 × 10²² кг.
• Гидросфера (океаны, моря, подземные воды) — около 0,023 % массы, или 1,4 × 10²¹ кг.
• Атмосфера — около 0,0001 % массы, или 5,15 × 10¹⁸ кг.
• Биосфера (живое вещество) — ничтожно малая доля, около 1,2 × 10¹⁵ кг.

Изменение массы во времени

Масса Земли не остаётся постоянной на протяжении геологической истории. Основные процессы, влияющие на её изменение:

• Аккреция — постоянное поступление космического вещества: метеоритов, микрометеоритов и космической пыли. Ежегодный прирост оценивается в 40–50 тысяч тонн.
• Диссипация атмосферы — утечка водорода и гелия в космическое пространство. Потери составляют около 95 тысяч тонн водорода и 1,6 тысячи тонн гелия в год.
• Образование и сгорание ископаемого топлива — процесс, при котором углерод переходит из литосферы в атмосферу, но не покидает пределы планеты, поэтому на общую массу не влияет.
• Запуск космических аппаратов — безвозвратная потеря вещества, исчисляемая сотнями тонн за всю историю космонавтики.

Суммарный баланс в настоящее время отрицательный: Земля ежегодно теряет примерно 50–55 тысяч тонн массы, что составляет около 10⁻¹⁷ долей от общей массы. В масштабах миллиардов лет эти потери незначительны.

Значение в науке

Знание массы Земли необходимо для решения широкого круга задач: от расчёта орбит искусственных спутников и межпланетных траекторий до построения моделей внутреннего строения планеты и изучения гравитационного поля. Точные значения массы и её распределения внутри планеты позволяют геофизикам анализировать движение тектонических плит, процессы в мантии и динамику ядра.

Масса Земли также является ключевым параметром в определении гравитационной постоянной и в проверке теорий гравитации. Сравнение массы Земли с массами других небесных тел используется при классификации планет и поиске экзопланет, пригодных для жизни.