淺談地球質量的變化

吳亞飛++王培亮++黃凱旋

[摘 要]從人造衛星運動的資料分析得知，地心引力常數逐年減小，這很可能是由地球質量減小引起的。地球質量的變化還受到太陽熱輻射，地心核裂變，地球自轉，宇宙塵埃和隕石等方面的影響。

[關鍵詞]地球質量 引力常數 大氣分子 宇宙塵埃

中圖分類號：TM963 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）16-0145-01

1、引言

從地球自轉的長期變化分析方面來看，地心引力常數逐年減小很可能是由地球質量減小引起的。我們不能排除萬有引力常數的變化對地心引力常數的影響，所以只能說地球的質量可能在減小，而地球質量為什么減少？以什么形式減少？目前還有待考究，但以現有知識來分析的話，很可能主要是通過大氣逸散到宇宙空間的、像太陽輻射壓以及大氣分子的動能，都有可能使大氣分子逃逸地球的引力場，而這一切又與太陽輻射以及大氣溫度有關。

2、從地心引力常數方面淺析地球質量變化

2.1 地心引力常數的概念

地心引力常數是萬有引力常數和地球總質量的乘積，是最基本的天文常數之一。

2.2 地心引力常數的變化

1964年召開的第12屆國際天文學協會通過的天文常數中，包括地心引力常數一項，當時采用的數值是：GM=398603*10^9（米^3/秒^2）。近幾年來，采用同樣觀測所求得的結果，卻有所不同，且GM值存在逐年下降的趨勢[1]。

2.3 地心引力常數變化的原因分析

地心引力常數逐年減小很可能是由地球質量減小引起的。若M減小則自轉加速，若G減小，可能伴隨著地球半徑的增大，這就可能導致自轉減慢。在考慮了地球質量減小的因素下，理論值和實測值是基本相符的。研究表明，月潮引起的地球自轉加速，相當于每世紀使日長變長0.0018秒；日潮對地球自轉的影響相當于每世紀使日長變長0.0005秒；海平面變化對地球自轉的影響相當于每世紀使日長變長0.0007秒；大氣潮對地球自轉的影響相當于每世紀使日長變短0.0001秒；行星際電磁矩對地球自轉的影響相當于每世紀使日長變長0.0005秒[2]。

地球質量變化對自轉的影響可由下式計算：/Ω=-/M

從人造衛星運動分析出的地心引力常數的變化率是-2x10^（-10）/年，如果這是質量變化引起的，即/M=-2x10^（-10），由此可以計算出地球自轉速度的變化=4.62x10^（-22）弧度/秒^（-2）=949”世紀^（-2）， 相當于每世紀使日長變短0.0017秒

3、大氣分子的逃逸

3.1 背景

地球的質量包括兩部分，地球大地實體的質量和被它所吸附的大氣層的質量。大氣層的成分主要有氮氣（78.1%）；氧氣（20.9%）；氬氣（0.93%）；還有少量的二氧化碳、稀有氣體以及水蒸氣。

3.2 確定大氣密度隨高度的分布

3.3 確定大氣溫度隨高度的變化

根據NASA大氣模式MSISE-1990的執行軟件對2000年4月1日、世界時14時、緯度、經度所測量的大氣溫度隨高度的變化[3]可以得知，在高度高于三十千米時，由于大氣密度及其稀薄，其可逃逸總量特別小，所以只需考慮三十千米以內的大氣溫度即可。

由于不同高度下氣體分子的密度與溫度均不同，所以不同高度下壓強也不同。在一般情況下，大氣分子的壓強隨高度的變化滿足關系[4]：

3.4 一天的日溫變化曲線

一天內的最高溫度與最低溫度的溫度差，考慮氣體的物態方程：，在只要求定性計算中，對不同高度下的氣體采取近似，用的數據代表的所有情形，用的數據代表的所有情形，以此類推。求出該區域內的結論后，再乘以

3.5 溫度的變化對大氣分子逃逸的影響

由于在地面室溫下，氣體的，從而計算出地球表面的分子數密度為：，再根據已經計算出的不同高度下的分子數密度，與各個高度層所能包含的氣體體積，計算出各個高度層的逃逸的總量。再依據大氣分子的平均摩爾質量，便可以計算出各個高度層次能逃逸的氣體質量。

按照地球年齡，一年中有365天，所以該部分能夠逃逸的量為

計算可知。由于地球的質量約為，所以大氣分子的逃逸對地球質量的影響，占地球總質量的3.8%

4、地心核裂變對地球質量的影響

4.1 各種能量的來源

經過40多億年的熊熊燃燒，這個處于地核中心的核反應堆已從12公里縮小到8公里，地球的所有能量，包括磁場、火山爆發及大陸板塊的位移無不源自它賦予的神奇力量。地核內部進行著超級核反應比固體鐵鎳內核的傳統理論更合理地解釋了某些自然現象。

4.2 地球質量的減小

一般認為，是由于地球物質中所含的放射性元素衰變產生的熱量。有人估計，在地球的歷史中，地球內部由于放射性元素衰變而產生的熱量，平均為每年5萬億億卡，相當于現在全球能源消耗總量的45萬倍。

5、宇宙塵埃和隕石

5.1 宇宙塵埃

據測定，其中塵埃粒徑大于60微米的顆粒，年降落量約為。如果需要考慮所有粒徑的塵埃，可以根據大洋中深海沉積物的沉積速度，及其中含有的宇宙塵埃的總量進行有關測定。據相關計算，每年約有的宇宙塵埃進入地球，被地球所捕獲[5]。

按照地球年齡年，所以宇宙塵埃對地球質量的影響總和為，所以宇宙塵埃的總堆積量約為。

由于地球質量約為，所以堆積總量僅占地球質量的。從數量級上來判斷，的數值僅為地球總質量的一千萬分之一。

5.2 隕石

在考慮隕石下落到地球，對地球質量的影響過程中，應考慮將落入地球的隕石整體，而不是已經穿過大氣層經燃燒后落在地球表面的整體隕石的部分。因為在大氣層中的燃燒，其燃燒的生成部分，會仍保留在大氣層中，仍是地球質量的一部分。

5.3 結論

所以，從宇宙塵埃和隕石的角度考慮，地球質量在持續增加，并以十萬年左右存在峰值。經我們的計算可知，用表示塵埃的堆積和隕石的落下，對地球總質量的總體影響，其，但僅占地球質量的，即其數量級僅為地球質量的一千萬分之一。

6、總結

大氣分子逃逸、地心核裂變導致的地球質量的減小的量比宇宙塵埃和隕石導致地球質量的增大的量多，所以總的來說地球質量在減小。