Без продвинутых инструментов: как астрономы в XVIII веке ухитрились измерить вес Земли

Знание массы Земли позволило бы ему предсказать относительные массы каждого известного объекта в известной Вселенной, например, Солнца.

Сэр Исаак Ньютон был первым, кто определил, что все имеет свою собственную гравитационную силу. Он вывел математическую связь между массой планеты и периодом обращения тела, которое вокруг нее крутится — так, зная расстояние до Луны и период ее вращения, можно получить массу Земли. Но проблема в том, что таким образом мы не узнаем «чистую» массу планеты — мы получим массу, умноженную на константу — гравитационную постоянную, которая показывает, какую силу гравитации создает тело определенной массы. В связи с этим, ученым для начала нужно было вычислить эту константу.

Для этого нужно было знать массу какого-либо тела и силу, с которой оно притягивает к себе другие тела. Сам Ньютон, кстати, предполагал, что это можно сделать, измерив гравитацию горы, но со временем от этой идеи отказался. Однако в середине XVIII века Лондонское Королевское сообщество решило испытать эту идею и проспонсировало исследование, которое вошло в историю как Шихаллионский эксперимент (по названию горы, которую измеряли). Оно поручило эту миссию лучшему астроному того времени Чарльзу Мейсону. Ученому необходимо было найти подходящую гору, и он это сделал — симметричная одиноко стоящая гора Шихаллион в графстве Перт стала идеальным вариантом.

Однако за такую работу Мейсону полагались совсем небольшие деньги — по одной гинее (старая британская золотая монета), поэтому он отказался работать в таких условиях. Вместо него за работу взялся астроном Невил Маскелайн.

Маскелайн потребовал, чтобы на северных и южных склонах Шихаллиона были построены две наблюдательные станции. В этих местах были подвешены зенит-телескопы. Задумка была такова, что под воздействием притяжения горы, они будут отклоняться от строго вертикального притяжения Земли немного вбок. И если измерить разницу в наклоне гравитации с одной стороны горы и с другой, то можно вычислить влияние самой горы.

Зенит-телескопы могут смотреть строго вверх, поэтому с их помощью ученый по звездам сумел определить угол наклона, который составил 54,5 угловые секунды. Однако обсерватории находились друг от друга далеко, а о том, что Земля шарообразная, было уже известно, поэтому необходимо было учесть разницу в широте. После учета этой разницы выяснилось, что отклонение гравитации от вертикали составляет 11,5 угловых секунд.

Таким образом, гравитационное притяжение Шихаллиона было доказано, но работа только начиналась. Ученым предстояло вычислить массу горы. Они справедливо предположили, что для этого нужно плотность горы умножить на ее объем. Однако на массу влияет еще и форма горы, и на ее измерение ушло примерно три года. На этом этапе к команде присоединился математик Чарльз Хаттон.

После всех измерений ученые получили карту горы, покрытую множеством точек с различными данными. Все это нужно было как-то объединить.

К счастью, у Хаттона появилась гениальная идея — он взял карандаш и соединил эти точки вместе, нарисовав таким образом серию изолиний. Сам того не понимая, он изобрел контурные линии, которые по сей день используются в картографии.

В 1775 году Маскелайн представил окончательные результаты Королевскому обществу. К сожалению, полученный учеными вес Земли оказался неверным — эта цифра составляла только 20% от реальных показателей, полученных в 2007 году — 5,97 х 10²⁴ килограммов. Однако для XVIII века это исследование было поистине грандиозное. Так его результаты позволили ученым предположить, что внутри нашей планеты находится довольно тяжелое металлическое ядро.

Сегодня известно, что масса Земли составляет 5.9742 × 10²⁴ килограммов. Это 5,976 секстиллионов тонн, число с 21 цифрой после запятой. Конечно, массу других планет Солнечной системы человек тоже способен измерить. Да и выход за рамки нее ученым не чужд. Например, сегодня мы знаем (не совсем точно, но все же) массу Плутона — планеты, которая некогда входила в нашу «космическую семью»: (1,303 ± 0,003) × 1022 кг.

Однако иногда астрономам удобнее брать за единицу измерения массу нашей планеты. Это позволяет понять, сколько весит космическое тело в сравнении с Землей. В расчетах эту единицу пишут как M⊕, где ⊕ — это значок Земли.

Так, например, в Земле:

Массы Меркурия и Венеры тоже можно сравнить с массой Земли. Так, масса Меркурия равна 3,3010 х 10²³ килограмма, это примерно пять с половиной процентов от того, сколько весит голубая планета. А масса Венеры уже более близка к нашей — она составляет 4,87 х 10²⁴ кг, это 81,5 процентов земной массы.

Под тем, сколько весит Земля, подразумевается не только масса самого космического тела. При расчете массы учитывается и атмосфера, и гидросфера, а также все «слои» планеты. Давайте разрежем нашу Землю (понарошку и исключительно в мыслях) и разберёмся, как известная нам масса распределяется внутри и снаружи.

Итак, главный «виновник» большого веса Земли — мантия. Это то, что мы никогда не видели, но что делает нашу планету тяжелой. Состоит мантия из силикатов кальция, железа и магния. На этот «слой» приходится 4,043×10²⁴ кг. Напомним, что вся планета целиком весит 5,97×10²⁴кг. Существенная доля!

Ядро. Железная и никелевая «сердцевина» нашей (да и любой другой) планеты. Масса ядра Земли составляет 1,93×10²⁴ кг. Тоже тяжеловато, не так ли?

Земная кора, к которой мы можем прикоснуться. Она весит не очень много в сравнении с мантией или ядром: 0,026×10²⁴ кг.

Атмосферу тоже в счет возьмем (иначе чем бы мы дышали?). Все воздушные слои до ионосферы (к слову, атмосфера Земли заканчивается на высоте 118 километров) весят «всего ничего» — 0,0000051×10²⁴ кг. Ладно, это всё-таки очень много по земным меркам.

А что насчёт водички? Сколько она весит? Масса всей гидросферы Земли составляет 1,4х10²¹ кг. Это наше богатство, хоть оно и не такое тяжелое, как мантия.

Мы сказали, что вес Земли известен. Но, пока мы заняты своими человеческими делами, наша планета не стоит на месте во всех смыслах. С ней постоянно происходят различные процессы, которые влияют в том числе и на количество килограммов. Да, наша планета тоже может «худеть» и «толстеть», то есть становиться тяжелее или легче в зависимости от того, что с ней происходит.

Сегодня Земля не набирает, а теряет свою массу — каждый год она становится минимум на 50 тысяч тонн легче. Это кажется внушительным числом, однако стоит его сопоставить с известной нам массой Земли, и уже не кажется... А что становится причиной такого «похудения»? Ведь горы в космос не полетят, а ядро-то уж точно никуда не денется.

А, нет, денется! Каждый год из-за радиоактивного распада внутри ядра планета теряет примерно 1 600 000 кг. Ежегодно с Земли в космос улетучивается 95 тысяч тонн водорода. И гелий, сосед водорода по таблице Менделеева, являющийся одним из легчайших газов, тоже спешит покинуть нашу планету с помощью солнечного ветра. Почти такая же масса, как и в результате радиоактивного процесса внутри Земли ежегодно теряется из-за гелия. Ну куда ты, гелий? Мы чем будем воздушные шарики надувать?

Мы не могли забыть про то, что несколько сотен тонн улетает с Земли и по вине человека — в это число входят космические аппараты, запускаемые на орбиту. Но это совсем немного в сравнении с вышеперечисленными факторами. Однако и они не страшны: при улетучивании 60 000 тонн атмосферы в год нам понадобится 5 миллиардов лет, чтобы утратить всю свою атмосферу. И это при условии, если у нас не будет возможности ее пополнить.

Но Земля не только теряет вес. Происходят и обратные процессы, в результате которых масса нашей планеты, наоборот, растет. Как уже можно было догадаться, эти процессы не достаточно интенсивны для того, чтобы компенсировать потерю веса Земли.

Понятное дело, что при строительстве мегаполисов, возведении мостов и посадке растений человек не добавляет массы Земле. Во-первых, потому что все блага цивилизации сделаны из ресурсов нашей планеты (за кирпичами никто в космос не летал). А во-вторых, человек — существо маленькое и хрупкое, оно не способно, даже сплотившись с себе подобными, «притащить» на Землю какой-нибудь очень тяжёлый объект. Следовательно, масса Земли увеличивается не за счёт антропогенного фактора.

А происходит увеличение веса из-за метеоритов! Правда, если бы на нашу планету упал огромный камень из космоса, это стало бы интересной новостью. Но, кроме метеоров, прямо сейчас на Землю опускаются миллиарды микрометеоритов — то есть космической пыли, которая когда-то была маленькой частью астероида, кометы или другого космического объекта, а теперь размер её не превышает 200 мкм. Ежегодно около 5200 тонн такой пыли оседает на поверхности нашей планеты. Но волноваться не стоит, мы не запылимся.