Масса Земли и методы её измерения

Масса Земли — физическая величина, определяющая количество вещества в планете Земля. В астрономии и геофизике она обозначается символом M⊕ и составляет приблизительно 5,97 × 10²⁴ килограммов. Это одна из фундаментальных характеристик планеты, используемая для расчёта гравитационных взаимодействий, плотности, объёма и параметров орбитального движения.

Определение и числовое значение

Масса Земли не является абсолютно постоянной величиной. Она изменяется со временем вследствие падения метеоритов, космической пыли и потери атмосферных газов. Однако для практических расчётов принято использовать стандартное значение — 5,9722 × 10²⁴ кг. В относительных единицах масса Земли равна 1 M⊕, что служит эталоном для сравнения масс других планет Солнечной системы.

Средняя плотность Земли, рассчитанная на основе массы и объёма, составляет около 5,51 г/см³. Это наибольшая плотность среди всех планет Солнечной системы, что объясняется наличием плотного железо-никелевого ядра.

История измерения

Первые попытки и закон Ньютона

После публикации Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения в 1687 году теоретически появилась возможность вычислить массу Земли. Однако для этого требовалось знать гравитационную постоянную G, которая в то время оставалась неизвестной. Ньютон оценивал среднюю плотность Земли в диапазоне от 5 до 6 г/см³, но не имел инструментов для точного измерения.

Опыт Кавендиша

В 1797–1798 годах британский физик Генри Кавендиш провёл знаменитый эксперимент с крутильными весами, который позволил впервые измерить гравитационную постоянную. Используя свинцовые шары и тонкую кварцевую нить, он определил силу притяжения между телами известной массы. На основе этих данных Кавендиш рассчитал среднюю плотность Земли (5,45 г/см³) и, следовательно, её массу. Современные повторные измерения с использованием усовершенствованных установок дали значение G = 6,674 × 10⁻¹¹ м³/(кг·с²), что позволило уточнить массу Земли.

Современные методы

В XX–XXI веках масса Земли определяется несколькими независимыми способами:

• Гравиметрические измерения — анализ орбит искусственных спутников Земли позволяет с высокой точностью вычислять гравитационное поле планеты и её массу.
• Динамический метод — расчёт по параметрам орбиты Луны с учётом гравитационного взаимодействия в системе Земля—Луна.
• Радиоальтиметрия — измерение высоты поверхности океана спутниками для уточнения геоида.

Составляющие массы

Масса Земли распределена между несколькими основными геосферами:

Ядро Земли, состоящее преимущественно из железа и никеля, имеет радиус около 3500 км и температуру до 6000 °C. Мантия сложена силикатными породами и простирается до глубины 2900 км. Кора — тонкая внешняя оболочка толщиной от 5 до 70 км.

Динамика массы

Масса Земли не остаётся неизменной. Ежегодно планета приобретает около 40 000 тонн космического вещества — метеоритов, микрометеоритов и межпланетной пыли. Одновременно Земля теряет примерно 95 000 тонн водорода и гелия, улетучивающихся из верхних слоёв атмосферы в космическое пространство. Таким образом, чистая потеря массы составляет около 55 000 тонн в год — ничтожная величина по сравнению с общей массой планеты (относительная потеря менее 10⁻¹⁴ в год).

Значение в науке

Знание массы Земли необходимо для решения широкого круга задач:

• Расчёт гравитационной постоянной и параметров гравитационного поля.
• Определение масс других небесных тел через гравитационные взаимодействия.
• Моделирование внутреннего строения планеты — распределение плотности, давления и температуры по глубине.
• Баллистика и космонавтика — расчёт орбит спутников, траекторий межпланетных зондов и условий запуска.
• Геодезия — построение моделей фигуры Земли (эллипсоида и геоида).

Сравнение с другими планетами

Масса Земли используется как единица измерения в планетологии. Для сравнения:

• Масса Луны — 0,0123 M⊕ (7,35 × 10²² кг).
• Масса Марса — 0,107 M⊕ (6,42 × 10²³ кг).
• Масса Венеры — 0,815 M⊕ (4,87 × 10²⁴ кг).
• Масса Юпитера — 317,8 M⊕ (1,90 × 10²⁷ кг).

Источники

• Физическая энциклопедия / под ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1988–1998.
• Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. — М.: Наука, 1990.
• Джеффрис Г. Земля, её происхождение, история и строение. — М.: Иностранная литература, 1960.
• Данные Международного астрономического союза (IAU) о фундаментальных астрономических постоянных.