أشياء يعرفها المانحون: كيف وزنوا الأرض وماذا نفعل بها؟

ويسأل حجاي: كم وزن الأرض وكيف وزنتها؟

كيف تزن نجما أو كوكبا؟ مثل وزن الطماطم في السوق، نستخدم الجاذبية.

عندما تزن البضائع في السوبر ماركت أو وزنك في حوض الاستحمام، فإنك تقيس القوة التي تسحب بها الأرض الجسم نحوها. كلما زادت كتلة الجسم (يحتوي على مادة أكثر)، سيتم سحبه نحو مركز الأرض بقوة أكبر. وفي «المعهد الدولي للأوزان والمقاييس» في بلدة سيفر قرب باريس، يوجد وزن مصنوع من البلاتين والإيريديوم: وهو نوع من المعادن الثمينة التي لا تتعرض لخطر التفاعل مع الهواء. كتلة الوزن هي كيلو جرام بالضبط وعلى أساسها تتم معايرة الأوزان القياسية للمعاهد القياسية في العالم. في كل مرة يضع اليشم كيس البطاطس على الميزان، يتم عرض الوزن على الشاشة، من خلال سلسلة من المعايرة، بمضاعفات هذا الوزن القياسي للكيلوجرام. وهذا ممكن لأن الأرض تؤثر على كيس خضروات يزن 2 كجم ضعف القوة التي تؤثر بها على الوزن المنسوب في فرنسا.

في القرن السابع عشر، صاغ أبو الفيزياء، إسحاق نيوتن، قانونًا رائعًا: قانون الجاذبية العالمية. علمنا نيوتن أن أي جسم سيؤثر على كل جسم آخر بقوة جاذبية، ويعتمد حجم القوة فقط على كتلة الأجسام والمسافة بينهما (تزداد القوة مع الكتلة وتتناقص مع مربع المسافة) ). كلما زادت كتلة الجسم، زادت قوة الجاذبية. ليست الأرض فقط هي التي تجذبك إليها، بل أيضًا جدران الغرفة والذبابة على النافذة. في حياتنا اليومية، لا نشعر بقوة الجاذبية التي تمارسها الأجسام الصغيرة لأنها لا تكاد تذكر مقارنة بالقوة التي تمارسها علينا الأرض السمينة. ومع ذلك: فحتى الأجسام الصغيرة تتجاذب، وكل ما نحتاجه لحساب كتلة الأرض هو معرفة مقدار قوة الجاذبية التي تمارسها على جسم نعرف كتلته.

أكبر الأجسام التي يمكننا تقديرها من حولنا هي الجبال. في عام 1774، شرع عالم الفلك تشارلز ماسون (تشارلز ماسون) في قياس قوة الجاذبية التي يمارسها جبل شيهاليون (اسكتلندا) على الأجسام المحيطة به. تم اختيار هذا الجبل لأنه معزول نسبياً عن محيطه ولأن شكله بسيط بما يكفي لتقدير حجمه. وكان من الضروري رسم خريطة دقيقة للجبل، وهو أول موقع في العالم يتم إعداد خريطة طبوغرافية له. خطوط الارتفاع المألوفة لأي شخص تعلم البحث عن "القبة" و"الكابولي" و"السرج" في دروس الملاحة هي نتيجة ثانوية لهذا البحث. أخذ ميسون معه إلى الجبل قضيبًا مربوطًا بخيط طويل. في المستوى المثالي، سوف يسقط السلك تمامًا "لأسفل"، أي باتجاه مركز الأرض، لكن الجبل القريب أيضًا يمارس قوة جذب تسحب السلك نحوه.

كان التحدي يتمثل في العثور على الاتجاه "لأسفل" بدقة كبيرة، ولهذا تطلب الأمر سلسلة طويلة من الملاحظات الفلكية لحساب الزاوية بين البندول والنجوم (وهي ليست مهمة سهلة خاصة في اسكتلندا الملبدة بالغيوم). وتبين أن نيوتن كان على حق: فقد انحرف الخيط الموجود بالقرب من الجبل عن الاتجاه الرأسي بمقدار 11 ثانية تقريبًا (0.003 درجة). وقد مكّن هذا الانحراف البسيط من تحديد النسبة بين كتلة الجبل (والتي تم حسابها من حجم وكثافة الصخور) وكتلة الأرض وبالتالي تقدير كتلة العالم. وكان الفارق بين هذا القياس والقيمة المقبولة اليوم 20%.

وبعد 14 عاما من الرحلة الرائدة إلى اسكتلندا، تمكن العالم البريطاني كافنديش من تحسين الدقة دون تسلق الجبال البعيدة وفي الواقع دون مغادرة منزله على الإطلاق. كان هنري كافنديش عبقري غريب الأطوار وخجولًا، وكان يتجنب كل التفاعلات الاجتماعية تقريبًا ولم يكن قادرًا على التواصل أو التواجد في حضور النساء. كرس وقت عزلته للتجارب العلمية. ولوزن الأرض، قام بموازنة وزنين على قضيب طوله 180 سم وربطه بخيط إلى سقف غرفة مغلقة، وعندما قام بتقريب أوزان الرصاص التي يبلغ وزنها 350 رطلاً (حوالي 159 كجم) من تلك المعلقة في الهواء، كانت قوة الجذب الصغيرة بين الأوزان كافية لتدوير القضيب قليلًا، وبالتالي تحريف الخيط الذي كان معلقًا عليه قليلًا. من التفاف الخيط الذي شاهده أثناء تكبير التلسكوب، قام كافنديش بحساب قوة جاذبية الوزن ومن النسبة بين هذه القوة وقوة الجاذبية التي تمارسها الأرض قام بحساب كتلتها. منذ كافنديش، تحسنت قدرات القياس لدينا واليوم تقدر كتلة الأرض بـ 5.972×10^24
كجم أو 5,974,200,000,000 مليار طن.

تتيح هذه المعلومات الإجابة على سؤال فاديك روزنبليت: هل يمكن لكل ما بناه الإنسان على الأرض أن يؤثر على دوران الأرض.
من السهل أن نفهم العقلية التي تنتج مثل هذه الأسئلة، فنحن نتعرض للكثير من الأخبار القاتمة حول تأثير النشاط البشري على الكوكب. المشهد من حولنا يتغير، والمناطق البرية تختفي، وإذا كان عالمنا يتغير كثيرًا في مظهره، فلماذا لا يتغير في حركته؟

إن تأثيرنا على العالم مهم ومدمر في بعض الأحيان، لكن فيما يتعلق بالكوكب بأكمله فهو يقتصر على قشرة رقيقة. حوالي 6370 كيلومتر هي المسافة بيننا وبين مركز الأرض. أطول مبنى قمنا ببنائه: برج خليفة في دبي يبلغ ارتفاعه 828 متراً. وفي الاتجاه المعاكس: في عمق الأرض، حققنا نتائج أكثر إثارة للإعجاب. وأعمق "قبو" تم بناؤه هو مختبر جينبينغ تحت الأرض: وهو مختبر لدراسة جزيئات النيوترينو بعمق 2.4 كيلومتر. وأعمق حفر هو بئر نفط في قطر بعمق 12,289 متراً: إنجاز تكنولوجي مبهر ولكنه لا يبعد عن مركز الكرة سوى أقل من 2 جزء من الألف. وبالمناسبة، يمكن العثور على علامات الحياة على عمق حوالي 3 كيلومترات في أعماق الأرض حيث تتمكن البكتيريا شديدة المقاومة من التواجد وتعيش من الكبريت والحديد بشكل مستقل عن أشعة الشمس.

الأرض نظام مغلق (تقريبًا). لقد ظلت كتلته (تقريبًا) دون تغيير خلال الأربعة مليارات سنة الماضية، كما أن نشاطنا عليه أقل بكثير مما نعتقد. في السنوات الستين الماضية، منذ تحطم المركبة السوفيتية لونا 4 على سطح القمر، أخذنا ما يزيد قليلاً عن 60 طن من الأرض إلى الفضاء (معظم هذه الكتلة أحضرناها إلى فناء منزلنا الخلفي - القمر). هذه الكمية من المواد تتضاءل حتى بالمقارنة مع الحد الأدنى من تبادل الكتلة الطبيعية للأرض: عدة عشرات الآلاف من الأطنان التي تصل كنيازك من الفضاء وحوالي 2 طن من الهيدروجين والهيليوم التي يفقدها الغلاف الجوي سنويًا. ومع ذلك فمن الممكن أن يكون هيكل بشري واحد كبير بما يكفي لإحداث بعض التغيير في حركة الأرض،

سد القنوات الثلاث في الصين: أحد أكبر الأعمال الهندسية على الإطلاق، أدى إلى إنشاء بحيرة ضخمة يبلغ حجمها 39.3 كيلومتر مكعب (39 مليار طن) من المياه أو حوالي حجم 10 كينيرا عند مستوى الذروة. إن رفع مثل هذه الكتلة من الماء إلى ارتفاع حوالي 180 متراً يؤدي إلى تباطؤ دوران الأرض حول محورها قليلاً، تماماً كما يبطئ المتزلجون على الجليد دورانهم عندما يؤرجحون أذرعهم إلى الجانبين. كم هو قليل: وفقًا لحسابات وكالة ناسا، أطال هذا السد اليوم بمقدار 0.06 جزء من مليون من الثانية (60 جزءًا من مليار من الثانية). إن سرعة دوران الأرض أقل انتظامًا مما نفترضه. تتسبب جاذبية القمر في انحسار وتدفق مياه البحر وتبطئنا أكثر بكثير من السدود أو البحيرات الاصطناعية. في المائة عام الماضية، امتد اليوم بمقدار 1.7 جزء من الألف من الثانية، مما يعني أن القمر يسبب تغيرا أكبر في يوم واحد من أكبر شركات البناء البشرية. (ملاحظة المحرر: هذا على النقيض من التغيير المدمر الذي نحدثه في غلافنا الجوي. AB)

هل خطر في ذهنك سؤال مثير للاهتمام أو مثير للاهتمام أو غريب أو وهمي أو مضحك؟ أرسل إلى ysorek@gmail.com

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• السدود
• أمير المد والجزر
• كيف وصل القمر إلى ما هو عليه اليوم؟