Klausimas kiek sveria Žemė skamba paprastai, bet jis iškart susiduria su problema, planetos negalime padėti ant svarstyklių. Vis dėlto mokslas turi būdų nustatyti, kiek medžiagos sudaro mūsų planetą, todėl gauname labai tikslią reikšmę. Kasdienėje kalboje sakome svoris, bet fizikoje tiksliau kalbėti apie masę.
Žemės masė rodo, kiek materijos yra jos branduolyje, mantijoje, plutoje, vandenynuose ir atmosferoje. Skirtingi sluoksniai turi skirtingą tankį, tačiau bendra suma yra viena didelė skaitinė vertė. Ji yra tokia milžiniška, kad ją sunku įsivaizduoti, bet ją galima apskaičiuoti.
Mokslininkai Žemę tarsi pasveria ne kilnojant, o stebint gravitaciją ir orbitas. Tam prireikė ir teorijos, ir kruopščių laboratorinių matavimų, kurie pradėti dar nuo Niutono laikų. Šiandien tie patys principai taikomi dar tiksliau, nes turime palydovus ir labai gerus matavimo metodus.
Kokia yra Žemės masė?
Žemės masė yra maždaug 5,972 × 10^24 kilogramo, tai beveik šeši kvadrilijonai kilogramų. Skaičius toks didelis, kad patogiau jį rašyti moksline forma, nes kitaip reikėtų daugybės nulių. Astronomijoje dažnai lyginama ir santykinė masė, pavyzdžiui, Žemė yra apie 81 Mėnulio masė.
Svarbu suprasti, kad pati masė nekinta priklausomai nuo vietos, o svoris priklauso nuo gravitacijos stiprumo. Todėl žmogus Mėnulyje svertų mažiau, nors jo masė išliktų tokia pati. Dėl šios priežasties klausimą apie Žemę teisingiau formuluoti kaip klausimą apie masę.
Kodėl fizikoje sakoma masė, o ne svoris?
Svoris yra jėga, kurią gravitacija veikia kūną, todėl ji keičiasi priklausomai nuo planetos ar aukščio. Masė yra materijos kiekis, ir ji yra kūno savybė, nepriklausanti nuo to, kur jis yra. Kai kalbame apie planetą, mums reikia būtent masės, nes ji lemia, kaip stipriai planeta traukia kitus kūnus.
Jeigu bandytume kalbėti apie Žemės svorį, turėtume nurodyti, kokioje gravitacijoje ją sveriame, o tai skamba absurdiškai. Todėl mokslas naudoja masę kaip universalią reikšmę, tinkančią skaičiavimams ir palyginimams. Būtent masė leidžia prognozuoti orbitas ir suprasti, kaip veikia gravitacija Saulės sistemoje.
Kaip masė išvedama iš Niutono dėsnių?
Niutono visuotinės traukos dėsnis pasako, kad dviejų kūnų traukos jėga priklauso nuo jų masių ir atstumo tarp jų. Iš to paties dėsnio gauname ryšį tarp Žemės masės, jos spindulio ir gravitacinio pagreičio paviršiuje, kuris yra apie 9,81 metro per sekundę kvadratu. Jei žinome šiuos dydžius ir turime gravitacijos konstantą, galime išspręsti lygtį ir gauti Žemės masę.
Čia svarbiausias nežinomasis ilgą laiką buvo gravitacijos konstanta, nes ją labai sunku išmatuoti laboratorijoje. Gravitacinė sąveika tarp nedidelių kūnų yra itin silpna, todėl matavimus iškraipo menkiausi virpesiai ar oro judėjimas. Dėl to reikėjo ypatingai jautraus eksperimento, kuris leistų nustatyti konstantą pakankamai tiksliai.
Ką davė Kavendišo eksperimentas ir šiuolaikinės orbitos?
1798 metais Henris Kavendišas panaudojo sukimo svarstykles ir išmatavo trauką tarp žinomų masių. Nors jo tikslas buvo įvertinti Žemės vidutinį tankį, rezultatai leido gauti ir vieną pirmųjų rimtų Žemės masės įvertinimų. Tai tapo esminiu žingsniu, nes be gravitacijos konstantos neįmanoma tiksliai apskaičiuoti planetos masės.
Šiandien dar svarbesni tapo palydovų orbitų stebėjimai, nes jie leidžia labai tiksliai nustatyti dydį, vadinamą GM. Tai yra gravitacijos konstantos ir Žemės masės sandauga, kurią galima išmatuoti stebint, kaip Žemė traukia palydovus. Padalinus GM iš laboratorijoje išmatuotos konstantos G, gauname Žemės masę itin dideliu tikslumu.
Ar Žemės masė gali kisti?
Žemės masė nėra absoliučiai nekintanti, nes į atmosferą kasmet patenka mikrometeoritų ir kosminių dulkių. Tuo pat metu dalis lengvų dujų, ypač vandenilis ir helis, pamažu pabėga į kosmosą. Šie pokyčiai yra labai maži palyginti su bendra mase, todėl kasdienėje perspektyvoje jų beveik nejaučiame.
Kinta ir masės pasiskirstymas Žemėje, kai tirpsta ledynai, juda tektoninės plokštės ar persiskirsto vanduo vandenynuose. Tokie pokyčiai keičia vietinį gravitacijos lauką, todėl juos galima stebėti palydoviniais matavimais. Tai svarbu geofizikai, nes leidžia suprasti procesus, vykstančius planetos viduje ir paviršiuje.
Kodėl Žemės masės žinojimas yra praktiškas?
Žemės masė reikalinga norint tiksliai apskaičiuoti palydovų, raketų ir kosminių zondų trajektorijas. Be jos nebūtų įmanoma patikimai planuoti orbitų, korekcijų ir saugių praskridimų. Ji taip pat leidžia palyginti planetas tarpusavyje ir suprasti jų sandarą bei evoliuciją.
Šis skaičius yra daugiau nei smalsumo patenkinimas, jis yra visos dangaus mechanikos pagrindas mūsų aplinkoje. Žinodami masę, suprantame, kodėl Mėnulis skrieja taip, kaip skrieja, ir kaip Žemė veikia aplinkinius kūnus. Tad į klausimą kiek sveria Žemė tiksliausia atsakyti taip, jos masė yra apie 5,972 × 10^24 kilogramo.
Nuotraukos asociatyvinės © Canva.
