先駆的な SF 作家ジュール ヴェルヌが 1864 年に「地球の中心への旅」を書いたとき、彼はおそらく自分の筋書きが純粋なファンタジーであることを知っていたでしょう。ヴェルヌの登場人物は数マイルしか降りませんでしたが、地球の中心部まで旅行することを誰もが考えることができるという考えは、ビクトリア時代以前に却下されていました.
実際、今日でも、私たちが掘削した地球の最も遠いところは約 12 km ですが、中心までの距離は 500 倍以上の 6,370 km です。
では、その下にあるものをどうやって知るのでしょうか?地球の中心に何があるかを解明することは、壮大な科学的パズルです。
地球が丸いとどうしてわかるの?
地球が意味のある中心を持つという考えは、惑星がボールのような形をしていることと密接に関連しています。私たちは長い間円盤の上に住んでいないことを知っています.
中世の人々が地球は平らだと思っていたというのは神話です。これは実際には、ビクトリア朝時代の反宗教的なプロパガンダと、当時の様式化された地図の誤解が混ざり合って生じたものです。
ギリシャの博学者エラトステネスが地球の球の周りの距離を初めて測定したのは 2,200 年以上前のことであり、それ以来、地球には中心があるに違いないことが明らかになっています。
ただし、これは、初期の哲学者が今日のように地球について考えていたことを意味するものではありません。
古代ギリシャの物理学では、世界は、地球、水、空気、そして最後に火という 4 つの基本要素の一連の同心円状の球体で構成されているとされています。
この最古の科学的写真では、地球の球体の内部に空気が入ることができないため、惑星の中心は固体でなければなりませんでした.
明らかに、地球の球体は水に完全に囲まれていなかったり、乾燥した土地がなかったりしたため、地球の一部が突き出ていると考えられていました。つまり、大陸は 1 つしか存在しない可能性があるということです。
その結果、アメリカ大陸の発見は、実際、最初の実験的な科学的成果の 1 つであり、単一の大陸という考えを反証し、古代ギリシャの科学的思考を超えた方向への重要な一歩を示しました。
地球が完全に空洞である、またはヴェルヌの著書のように中心にまで到達する広大な洞窟があるという考えは、古くからフィクションや神話で人気があり、疑似科学や陰謀論でも取り上げられています.
しかし、1692 年に異常なコンパスの読みを説明するために中空の地球を提案した天文学者エドモンド・ハレー以外の科学者が、この考えを真剣に受け止めたことがあるかどうかは明らかではありません.
そして 1798 年、英国の科学者で風変わりな人が、「中空地球」仮説の棺桶に最後の釘を打ちました。ヘンリー・キャベンディッシュは、惑星の重量を正確に量る実験を行っています。
地球の重さは?
キャベンディッシュは変わった男で、面と向かって会うことを避けるためにメモを介してのみ召使とコミュニケーションをとっていました.
貴族の出自にもかかわらず、キャベンディッシュは生涯を科学に捧げ、化学と物理学の両方で働き、地球の密度を計算する実験を考案したことで最も有名です。
キャベンディッシュは、小さな対の 2 つの大きなボールの引力によって引き起こされるねじれ力の量を測定する単純なねじり天秤を使用して、2 つのボールのペア間のわずかな引力を計算することができました。
これを地球自身の引力と比較することで、彼は惑星の密度を割り出すことができました (そして、地球のサイズはすでに知られているので、その質量もまた)。
しかし、深部のどこかに非常に密度の高い未知の物質がない限り、密度の数値は私たちの惑星がほとんど固体であるに違いないことを示しました.
地球の核にあるものをどうやって知るのですか?
今日、私たちは地球の内部を 3 つの部分に分けています。外層である地殻は厚さ 5km から 75km で、マントルは約 2,900km の深さまで伸びており、コアの厚さは私たちの一部です。 'ここに興味があります – 地球の中心から約 3,500km 離れており、2 つの異なるセグメントがあります。
コアの中心部には、半径約 1,200km の非常に高温ですが、まだ固体のニッケル鉄球があります。この内核の温度は約 5,400°C で、太陽の表面と同じ温度です。残りは地球の液体の外核で、ほとんどがニッケル鉄でできており、同様の温度で、中心に向かって熱くなっています.
しかし、これほどアクセスできない場所について、どうすればそのような詳細を知ることができるでしょうか?
コアから 1,000 キロメートル以内に到達することは不可能に近いため、私たちの知識はすべて間接的であり、地震学 (地震の科学) に依存しています。
地震の後、地震波は地球を通過し、通過する物質に応じて形と方向を変えます。地球物理学者はこの情報を使用して、地球の核に何があるかを推測しています。
このような波を測定する装置である地震計は、地球の内部を調査するための望遠鏡に相当します。
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20 世紀初頭までに、私たちが地球を深く掘り下げるにつれて温度が上昇し、地震学者による地上の波の分析と相まって、地球の内部は少なくとも部分的に溶けていたことが示唆されました。これは、岩石や金属が液体に変わるほど高温です。
そして、重要な発見は、恥ずべきことにノーベル賞にノミネートされることさえなかった 2 人の科学者によってなされました。イギリスの地質学者リチャード・オールダムとデンマークの地震学者インゲ・レーマンです。
波は地球の構造について何を教えてくれるでしょうか?
波といえば、海上で見られるような表面波を思い浮かべるでしょう。しかし、多くの波 (音など) は物質の本体を通過します。
地震で被害を与える地震波は地表を伝わるものですが、地球の中を伝わる「実体波」には2種類あります。 P 波 (「P」は「一次」の略) は、音と同じ縦波です。
それらは進行方向に振動し、通過するときに地球を押しつぶして膨張させます。
P 波は急速に移動します。花崗岩のような岩石では毎秒約 5 km、マントルの最も密度の高い部分では最大で毎秒 14 km です。
身体波の 2 番目のタイプである S 波 (「S」は「二次」を表します) は、ゆっくりとした横波で、左右に移動します。 P 波とは異なり、液体の中を移動することはできません。そのため、この 2 種類の波が、地球のコアを理解するのに不可欠であることが証明されました。
大地震があったとします。波が地球を移動し始めます。
P 波は前方に発射され、S 波は約半分の速度で後方に続きます。どちらのタイプの波も、地球全体の地盤の振動を測定するために使用される地震計によって検出されます。
しかし、波がコアを通過して遠くの測定ステーションに到達する場所には、いわゆるシャドー ゾーンがあります。地震の震源地から地球の周囲を約 104°移動すると、波は消えます。しかし、140°以降では、S 波を伴わずに P 波が再び現れます。
1906 年には早くも、リチャード オールダムはこの奇妙な影の意味に気付きました。オールダムはキャリアのほとんどをインド地質調査所で過ごし、しばしばヒマラヤで働きました。
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1903 年に英国に引退したとき、彼は過去数年間に蓄積されたデータを利用して、地球の内部を調査しました。彼は、観測された P 波と S 波の挙動は、地球の中心が液体である場合に説明できることに気付きました。
そのような場合、P 波は液体によって屈折し、光が水から空気に移動するときに曲がるように曲がり、独特の影が残ります。対照的に、S 波は液体コアによって完全に阻止されます。
オールダムの画期的な発見により、溶融コアの画像が広く受け入れられましたが、30 年後、インゲ レーマンは、オルダムのアイデアが単純すぎることに気付きました。
地球の中心にある高密度の液体による P 波の屈折により、完全な影が生成されたはずです。
実際、リーマンの時代までに利用可能だったより感度の高い地震計で行われた測定では、かすかな P 波がまだ影のゾーンに到達していることが示されました。
1929 年のニュージーランド地震から惑星を通過するデータを研究することにより、レーマンは、これらの波が内側の固体コアと外側の液体の間の境界から反射されていることを提案しました.
1936 年に発表された彼女の結果は、2 年後にベノ グーテンベルクとチャールズ リヒターによって確認されました。彼らは固体コアの効果を正確にモデル化しました。
これらの反射地震波の直接測定は、1970 年にようやく行われました。
地球の核は何でできていますか?
さらなる研究により、到着が遅れたため、内核で横方向の S 波に変換される前に、液体の外核を P 波として横切らなければならなかった、さらに微妙な波が検出されました。
この発見は、2005 年に確認されたばかりで、固体コアのさらなる証拠でした。
それでも、内核の正確な性質は重要な議論の対象です.たとえば、温度は、材料が加圧下でどのように溶融および固化するかについての実験的研究からのみ計算できます。
実際、コアが主に鉄とニッケルで構成されているという仮定は、天の川の私たちの地域でさまざまな元素が発生する頻度と、私たちの惑星がどのように形成されたかについての私たちの理解の組み合わせから来ています.
地球の中心にある巨大な圧力 (大気圧の 300 万倍以上) の下では、物質は通常の状態とは大きく異なる働きをする可能性があります。
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内核の最も明白な候補は固体のニッケル鉄合金ですが、非常に高密度のプラズマ (星に見られる物質の状態) が同様の特性を持つ可能性があります。ここでの困難の 1 つは、このような極端な環境で材料がどのように動作するかを知ることです。
ダイヤモンドアンビルセルに入る。
この驚くべきデバイスでは、直径わずか 1 ミリの 2 つのダイヤモンドの先端がくっついています。
小さな領域に力を加えると、広い領域に力を加えるよりも大きな圧力がかかります。そのため、スティレット ヒールで踏まれると、平らな靴底よりもはるかに痛みを伴います。
ダイヤモンドの金床は、地球のコアの最大 2 倍の圧力を発生させ、レーザーを使用して加熱します。
金属サンプルを粉砕し、コアのような状態に加熱すると、結果は地球の中心に結晶性固体があることを示唆しています。
現実的には、地球の核に近づくことはありません。
熱、圧力、放射能 (内部加熱の主な原因の 1 つ) のレベルが非常に高いため、たとえ 6,000km を超える岩石や金属を掘削できたとしても、探査機は生き残れません。
コアに到達することに比べれば、太陽系の外側に到達することは些細なことです。
しかし、地震によって生み出され、Inge Lehmann のような独創的な科学者によって解釈された私たちの惑星自体の振動は、私たちが直接訪れることのない場所を心で探検する手段を私たちに与えてくれます。
- この記事は、BBC Focus の第 304 号に最初に掲載されました
重要な用語
縦波 - これらの波は、その長さに沿って押された弾力のあるバネのように、進行方向への一連の圧縮と弛緩から構成されます。例には、音波と P 波が含まれます。屈折 - 波が 2 つの物質の間の境界に当たると、ある角度で進行し、方向が変わります。たとえば、光波は水と空気の間を通過するときに屈折し、まっすぐな物体が曲がって見えるようになります。
地震学 - 地震の研究。さまざまな種類の地震波が地球をどのように伝わるかを分析することで、地球の内部構造をつなぎ合わせることができました。
トーションバランス - この装置は、ねじれた繊維によってフレームから吊り下げられたバーで構成されています。バーが横に動くと、繊維に力がかかります。ねじれるほど力が大きくなります。
横波 - これらの波は、一方の端を上下に動かすことによってロープを介して送信される波のように、一連の左右の振動で構成されます。例には、光と S 波が含まれます。
