Egy heggyel mérték meg először, milyen nehéz a Föld

2021.10.09. 06:25

Ma már speciális mérőműszerek segítségével viszonylag pontos becslésünk van arról, milyen nehéz a bolygónk, és hogyan oszlik el a tömege. A legfrissebb mérések szerint 5,974 kvadrillió (5,9736·1024) kilogramm a Föld.

A 18. században azonban még megközelítő értékekkel sem rendelkeztek a tudósok, Newton gravitációs felfedezéseit követően viszont felélénkült az érdeklődés a téma iránt. Ahhoz ugyanis, hogy megértsék bolygónk viselkedését, illetve más bolygók méretéről közelítő adatot kapjanak, elengedhetetlennek tartották, hogy tisztában legyenek a Föld tömegével. A megoldást végül egy brit csillagász munkája és egy magányosan álló skót hegy biztosította.

Perthshire megyében, Skócia középső részén áll a Schiehallion hegy, melynek segítségével Nevil Maskelyne, a királyi csillagász és Charles Hutton matematikus 1774-ben meghatározta, mekkora lehet a Föld tömege. Maskelyne 1772-ben bízta meg a szintén csillagász Charles Masont azzal, keressen egy megfelelő méretű és anyagú mérhető hegyet. Mason megtalálta ezt a Schiehallion képében, de nem tetszett neki a több hónap, melyet a skót felvidéken kellett volna töltenie, így nem vitte végig a kísérletet, helyette Maskelyne és Hutton fejezték be. A módszert, melyet a britek alkalmazni terveztek majdnem fél évszázaddal korábban, az 1730-as években egy francia matematikus és geofizikus, Pierre Bouguer dolgozta ki, miközben a Newton-féle első gravitációs törvényben szereplő G érték méréseit végezte el terepen.

Bouguer és csapata az Andokban ingamérésekkel a tengerszinten, majd a tengerszint felett is meghatározta a gravitációs gyorsulást, ebből pedig Bouguer egyenleti értéket tudott megadni a G-re vonatkozóan. A francia elmélete helyes volt, ám nem számolt az izosztatikus hatással, így az egyenlettel megadott arány irreális volt. Munkája segítségével viszont gazdagabb lett a tudomány, mivel rávilágított, hogy a Föld átlagos sűrűsége meghaladja az Andok hegyeit alkotó kőzetekét, illetve egyenletével módszert biztosított a G mérésére. (Arra, hogy megtudják, a hegyek felszín alatti kiterjedésükkel kompenzálják tömegüket, a XIX. századig várni kellett.)

Maskelyne-ék a Schiehallionon végzett méréseinél azonban nem játszott szerepet az izosztatikus anomália, mivel a skót hegy környezetében nincsenek más, hasonló méretű magaslatok. A britek megmérték a hegy közelítő térfogatát, majd az 1088 méter magas Schiehalliont alkotó kőzet sűrűsége alapján megpróbálták meghatározni az átlagos sűrűségét is. Ezekből az értékekből Maskelyne már meghatározhatta volna, milyen nehéz maga a hegy, sőt a Föld sugarának ismeretében a mért értékeket skálaként használva a bolygó sűrűségének feltételezett értékével kiszámolhatta volna a bolygó nehézségét is. A királyi csillagász azonban személyesen, helyszíni mérésekkel akart dolgozni, a térfogatot illetően pedig pontos adatokat akart.

Az ingaméréseket a hegy meredekebb északi és déli lejtőin, a hegy tömegközéppontjához legközelebb eső pontokon végezték el. Maskelyne-nek bizonyítania kellett, hogy a felakasztott inga súlyát a Föld gravitációs vonzásából kimozdítja a Schiehallion saját gravitációs ereje. Ehhez a mérőállomások mindegyikéről nyomon követtek 43 különböző csillagot, melynek áthaladása háromszöget kellett hogy bezárjon az inga „igazi függőleges” szögével, vagyis azzal, amit az inga egy tökéletesen lapos síkságon kizárólag a Föld gravitációs vonzásának hatására zárt volna be. A kísérlettel sikerült bizonyítani, hogy a hegy mindkét oldalán az inga elmozdul a hegy saját gravitációjától.

A munka oroszlánrésze azonban csak az ingával történt mérések után következett. A hegy pontos térfogatának meghatározásához Hutton és csapata két éven keresztül végzett méréseket, aminek végeredménye egy több ezer magassági és hosszértékkel ellátott térkép lett. Hutton a hegyet az azonos magasságú pontok alapján több részre osztotta, majd ezeket a részeket nem pontos körként jelölte. Az általa megalkotott ábrázolási módszer a mai napig használatban van, ezek a szintvonalak, vagyis a földfelszín derékszögű vetületének síkra vetített ábrázolásai.

A Schiehallion térfogatának ismeretében Maskelyne és Hutton felállítottak egy tézist, miszerint a Föld négy és félszer sűrűbb, mint a víz, ezt követően pedig megpróbálták meghatározni bolygónk tömegét is. A végeredmény meglepően pontos lett, a jelenlegi, űrből érkező ultrakönnyű részecskéket (neutrínókat) észlelő detektoros mérésekkel összevetve 20 százalékos hibahatáron belül voltak a britek a Királyi Természettudományos Társaság előtt 1775-ben prezentált adataikkal.

Ma is tanultam valamit 5

Megint 150 vadonatúj, izgalmas téma ismét meglepő válaszokkal

MEGVESZEM
Ma is tanultam valamit 1-2-3-4-5

5 könyv
Több mint 600 meghökkentő, érdekes és tanulságos történet!

MEGVESZEM