地球物理学
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地球物理学（/ ˌdʒ iː oʊ ˈ fɪzɪk s /）は、地球とその周囲の宇宙環境のプロセスと特性を扱う物理科学であり、定量的および観測的な方法を用いて研究されます。主に地球の形状と重力、磁場、電磁場に焦点を当てています。また、内部構造、構成、ダイナミクス、そして地殻変動、火山活動、岩石形成におけるそれらの地表での表現も研究します。地球物理学はまた、海洋、大気、氷圏、電離圏、磁気圏、さらには太陽と地球の相互作用や月、他の惑星、それらの衛星における類似のプロセスなど、より広範な地球システムと惑星の視点も包含しています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
地球物理学は最も古い科学の一つであり、初期の地震計や磁気コンパスの開発に遡り、後にニュートン力学による潮汐、歳差運動、そして地球の物理的特性の解析へと発展しました。今日、地球物理学は、鉱物資源やエネルギー資源の探査、自然災害の評価と軽減、地下水と環境の研究、考古学調査、環境モニタリングなど、基礎科学的理解と実用的応用のために研究されています。[ 2 ]
地球物理学は、理論、観測、実験を統合し、多様な空間的・時間的スケールにわたって地球惑星系を研究します。その研究手法には、野外観測、室内実験、リモートセンシング、数値モデリング、そして自然記録と観測記録の両方のデータ解析（信号処理を含む）が含まれます。地球惑星研究における統一的な物理的枠組みとして、地球物理学は深部から上層大気、そして近宇宙環境に至るまでの現象を結びつけ、惑星の進化、ダイナミクス、そして居住可能性を理解するための基礎を提供します。
物理現象
地球物理学は非常に学際的な分野であり、地球物理学者は地球科学のあらゆる分野に貢献する一方で、一部の地球物理学者は惑星科学の研究を行っています。地球物理学とは何かをより明確に理解するために、このセクションでは、物理学で研究される現象と、それらが地球とその周囲とどのように関係しているかについて説明します。地球物理学者はまた、地球、その流体層、磁場の物理的プロセスと特性、そして他の惑星を含む 太陽系の地球近傍環境を調査します
自然
月と太陽の引力により、太陰暦の1日、つまり24時間50分ごとに2回の満潮と2回の干潮が発生します。そのため、満潮と干潮の間には12時間25分の間隔があります。[ 7 ]
重力は岩石をより深い岩石に押し付け、深さが増すにつれて密度が増します。[ 8 ]地球の表面およびその上における重力加速度と重力ポテンシャルの測定は、鉱床の探索に利用できます（重力異常と重力測定を参照）。[ 9 ]地表重力場は、プレート運動に関する情報を提供します。ジオイドと呼ばれるジオポテンシャル面は、地球の形状を定義する1つの方法です。ジオイドは、海洋が平衡状態にあり、大陸間（非常に狭い運河など）まで広がることができる場合、地球の平均海面となります。[ 10 ]
振動
地震波は、地球内部または表面を伝わる振動です。[ 11 ]地球全体も、地球の固有振動または自由振動と呼ばれる形で振動することがあります。波動または固有振動による地盤の揺れは、地震計を用いて測定されます。地震や爆発などの局所的な発生源から波が来る場合、複数の地点での測定によって発生源を特定することができます。地震の発生場所は、プレートテクトニクスやマントル対流に関する情報を提供します。[ 12 ] [ 13 ]
制御された発生源からの地震波を記録することで、波が伝播する領域に関する情報が得られます。岩石の密度や組成が変化すると、波は反射されます。反射地震学を用いて記録された反射波は、数キロメートルの深さまでの地球の構造に関する豊富な情報を提供することができ、地質学への理解を深めるだけでなく、石油やガスの探査にも利用されています。[ 9 ]屈折と呼ばれる伝播方向の変化は、地球の深部構造を推測するために利用できます。[ 13 ]
地震は人類にとって危険をもたらします。地震の種類（例えば、プレート内地震や深発地震）に応じて発生するメカニズムを理解することは、地震リスクのより正確な推定と地震工学の進歩につながります。[ 14 ]
電気
地表近くには常に平均1メートルあたり120ボルトの下向きの電界があります。[ 15 ]銀河宇宙線が大気圏を貫通すると、固体地球に対して電離が起こり、正味の正電荷が残ります。[ 16 ]地球全体の回路には約1800アンペアの電流が流れています。 [ 15 ]この電流は電離層から地球の大部分の上空を下向きに流れ、雷雨によって上向きに戻ります。この流れは、雲の下では稲妻、上空では スプライトとして現れます
地球物理探査では、様々な電気的手法が用いられます。その中には、人為的または自然擾乱によって地中に生じる電位である自然電位を測定する方法もあります。地電流は地球と海洋を流れています。地電流には、時間とともに変化する外部起源の地磁気による電磁誘導と、地球の永久磁場を横切る導体（海水など）の動きという2つの原因があります。 [ 17 ]地電流密度の分布は、地下構造物の電気抵抗率の変化を検出するために利用できます。地球物理学者は、自ら電流を測定することもできます（誘導分極と電気抵抗率トモグラフィーを参照）。
電磁波
電磁波は地球の外核だけでなく、電離層、磁気圏でも発生します。夜明けの合唱は、ヴァン・アレン放射線帯に捕らえられた高エネルギー電子によって引き起こされると考えられています。ホイッスラーは落雷によって発生します。ヒスは両方によって発生する可能性があります。電磁波は地震によっても発生する可能性があります（地震電磁気学を参照）。
外核の導電性の高い液体鉄では、電磁誘導による電流によって磁場が発生します。アルヴェン波は、磁気圏、すなわち地球の核における磁気流体波です。核においては、アルヴェン波は地球の磁場に観測可能な影響をほとんど及ぼさないと考えられますが、磁気ロスビー波などの低速波は、地磁気永年変化の要因の一つである可能性があります。[ 18 ]
地球物理学的調査に用いられる電磁気学的手法には、過渡電磁気学、マグネトテルリック法、表面核磁気共鳴法、電磁海底検層法などがある。[ 19 ]
磁気
地球の磁場は、地球を危険な太陽風から守り、古くから航海に利用されてきました。磁場は外核の流体運動に起因します。[ 18 ]上層大気の磁場はオーロラを発生させます。[ 20 ]
地球の磁場は、おおよそ傾いた双極子のような形をしていますが、時間の経過とともに変化します（地磁気永年変化と呼ばれる現象）。ほとんどの場合、地磁気極は地理学的極の近くに留まりますが、平均して 44 万年から 100 万年程度のランダムな間隔で、地球の磁場の極性が反転します。地磁気極性時間スケールで分析されたこれらの地磁気の反転は、過去 8,300 万年間で 184 の極性間隔を含み、時間の経過とともに頻度が変化しています。最近の短時間の完全反転は、最終氷期中の 41,000 年前に発生したラシャンプ イベントです。地質学者は、地磁気層序相関（自然残留磁化を参照）を通じて火山岩に記録された地磁気の反転を観察しており、その特徴は海底の平行な線状磁気異常の縞として見ることができます。これらの縞は、プレートテクトニクスの一部である海底拡大に関する定量的な情報を提供します。これらは磁気層序学の基礎であり、磁気反転を他の地層と相関させて地質学的時間スケールを構築する。[ 22 ]さらに、岩石の磁化は大陸の動きを測定するために使用できる。[ 18 ]
放射能
放射性崩壊は地球内部の熱の約80%を占め、地球ダイナモとプレートテクトニクスの動力源となっている。[ 23 ]主な熱発生同位体はカリウム40、ウラン238、ウラン235、トリウム232である。[ 24 ]放射性元素は、地質年代学において絶対的な時間スケールを確立するための主要な方法である放射年代測定 に利用されている。
不安定同位体は予測可能な速度で崩壊し、異なる同位体の崩壊速度は数桁にわたるため、放射性崩壊は最近の出来事と過去の地質時代の出来事の両方の正確な年代測定に使用できます。[ 25 ]地上および空中ガンマ線分光法を使用した放射測定マッピングは、地球の表面近くの放射性同位体の濃度と分布をマッピングするために使用でき、岩相と変質のマッピングに役立ちます。[ 26 ] [ 27 ]
地球構造
磁気圏、大気、海洋、マントル、核では流体の動きが生じます。マントルは非常に高い粘性を持つにもかかわらず、長い時間間隔で流体のように流れます。この流れは、アイソスタシー、後氷期リバウンド、マントルプルームなどの現象に反映されています。マントルの流れはプレートテクトニクスを駆動し、地球の核の流れは地球ダイナモを駆動します。[ 18 ]
地球流体力学は、海洋物理学および気象学における主要なツールです。地球の自転は、地球の流体力学に大きな影響を与えており、これはしばしばコリオリ効果によるものです。大気圏では、ロスビー波のような大規模なパターンを生み出し、嵐の基本的な循環パターンを決定します。海洋では、海面におけるケルビン波やエクマン螺旋に加え、大規模な循環パターンを駆動します。 [ 28 ]地球の中心部では、溶融鉄の循環はテイラー柱によって構造化されています。[ 18 ]
磁気圏内の波やその他の現象は、磁気流体力学を使用してモデル化できます。
熱の流れ
地球は冷却しており、その結果生じる熱流が地球ダイナモとマントル対流を通じたプレートテクトニクスによって地球の磁場を発生させる。[ 29 ]熱の主な発生源は、地球の冷却による原始熱と惑星上部地殻の放射能である。 [ 30 ]相転移による寄与もある。熱は主に熱対流によって地表に運ばれるが、熱は伝導によって輸送される2つの熱境界層（核・マントル境界とリソスフェア）が存在する。[ 31 ]熱の一部はマントルの底からマントルプルームによって上昇する。地球表面の熱流量は約4.2 × 10 13 Wで、地熱エネルギーの潜在的な発生源である。[ 32 ]
鉱物物理学
地震学、地温勾配、その他の情報源から地球内部の組成を推測するには、鉱物の物理的特性を理解する必要があります。鉱物物理学者は、鉱物の弾性特性、高圧状態図、高圧下での融点と状態方程式、そして岩石のレオロジー特性、つまり流動性を研究します。岩石はクリープ変形によって流動性を獲得しますが、短時間では脆くなります。岩石の粘性は温度と圧力の影響を受け、プレート運動の速度を決定します。[ 8 ]
水は非常に複雑な物質であり、その独特な性質は生命にとって不可欠である。[ 33 ]その物理的性質は水圏を形作り、水循環と気候の重要な部分を担っている。その熱力学的性質は蒸発と大気中の温度勾配を決定する。多くの種類の降水は凝集、過冷却、過飽和などの複雑なプロセスの組み合わせを伴う。[ 34 ]沈殿した水の一部は地下水となり、地下水の流れには浸透などの現象が含まれ、水の伝導性により電気的および電磁気的方法が地下水の流れの追跡に役立つ。塩分濃度などの水の物理的性質は海洋における水の動きに大きな影響を与える。[ 28 ]
氷圏は氷の様々な相から構成されており、氷床、氷河、海氷、淡水氷、雪、凍土（永久凍土）などの形態をとる。[ 35 ]
地球の地域
地球の大きさと形
一般に信じられているのとは異なり、地球は完全な球形ではなく、一般的に楕円体の形をしています。これは、惑星が絶え間なく運動することによって発生する遠心力の結果です。[ 36 ]これらの力により、惑星の直径が赤道に向かって膨らみ、楕円体の形状になります。[ 36 ]地球の形状は常に変化しており、氷河等圧反発（大きな氷床が溶けて圧力が解放されるため、地球の地殻が反発する[ 37 ] ）、山や海溝などの地質学的特徴、プレートテクトニクス、自然災害などのさまざまな要因が、惑星の形状をさらに歪める可能性があります。[ 36 ]
内部の構造
地震学、地表の熱流、鉱物物理学からの証拠は、地球の質量と慣性モーメントと組み合わされ、地球内部の組成、密度、温度、圧力を推測します。たとえば、地球の平均比重( 5.515 ) は地表の岩石の典型的な比重 ( 2.7～3.3 ) よりもはるかに高く、深部の物質の方が密度が高いことを示しています。これは、地球の慣性モーメントが低い( 0.33 MR 2、密度一定球の0.4 MR 2と比較して低い) ことによっても示されています。ただし、密度の増加の一部は、地球内部の巨大な圧力による圧縮によるものです。圧力の影響は、アダムス・ウィリアムソンの式を使用して計算できます。結論として、圧力だけでは密度の増加を説明できません。代わりに、地球の核は鉄と他の鉱物の合金で構成されていることがわかっています。[ 8 ]
地球深部における地震波の再構成により、外核にはS波が存在しないことが示されています。これは、液体はせん断力に耐えられないため、外核が液体であることを示しています。外核は液体であり、この導電性の高い流体の運動が地球磁場を生み出しています。しかし、地球の内核は巨大な圧力のために固体です。[ 10 ]
地球深部における地震反射の再構成により、地震波速度におけるいくつかの大きな不連続性が示され、地球の主要な層、すなわち内核、外核、マントル、リソスフェア、地殻が区分されている。マントル自体は、上部マントル、遷移層、下部マントル、D層に分けられる。地殻とマントルの間には、モホロビチッチ不連続面が存在する。[ 10 ]
地球の地震モデルだけでは地層の構成は決定されない。地球の完全なモデルには、地震波速度を組成の観点から解釈するための鉱物物理学が必要である。鉱物の特性は温度に依存するため、地熱も決定する必要がある。これには、熱伝導と対流、そして放射性元素の熱寄与に関する物理理論が必要となる。地球内部の放射状構造の主なモデルは、予備的参照地球モデル（PREM）である。このモデルの一部は、鉱物物理学における最近の知見（ポストペロブスカイトを参照）によって更新され、地震トモグラフィーによって補完されている。マントルは主にケイ酸塩で構成され、マントルの層間の境界は相転移と一致している。[ 8 ]
マントルは地震波に対しては固体として機能しますが、高圧高温下では変形し、数百万年かけて液体のように振る舞います。これがプレートテクトニクスを可能にします。
流体力学
惑星の磁場が十分に強い場合、太陽風との相互作用によって磁気圏が形成されます。初期の宇宙探査機は、地球の磁場の概算寸法を測量しました。この磁場は太陽に向かって地球半径の約10倍に広がっています。荷電粒子の流れである太陽風は、地球の磁場を迂回して流れ出し、磁気尾の背後、つまり地球半径の数百倍下流まで続きます。磁気圏内には、ヴァン・アレン放射線帯と呼ばれる、太陽風粒子が比較的密集した領域があります。[ 20 ]
方法
測地学
地球物理学的測定は、一般的に特定の時間と場所において行われます。正確な位置測定、地球の変形、重力測定は測地学の専門分野です。測地学と地球物理学は別々の分野ですが、両者は非常に密接に関連しているため、アメリカ地球物理学連合、カナダ地球物理学連合、国際測地学・地球物理学連合など、多くの科学団体が両方を包含しています。[ 38 ]
絶対位置は、全地球測位システム（GPS）を用いて最も頻繁に決定されます。3次元位置は、4基以上の可視衛星からのメッセージを用いて計算され、1980年の測地基準系を参照します。代替手段である光天文学では、天文座標と局所的な重力ベクトルを組み合わせて測地座標を取得します。この方法では2つの座標でのみ位置が得られ、GPSよりも使いにくいです。しかし、章動やチャンドラー・ウォブルなどの地球の運動を測定するのに有用です。2点以上の相対位置は、超長基線干渉法を用いて決定できます。[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]
重力測定は、地球表面での測定値を基準座標系に関連付けるために必要であったため、測地学の一部となりました。陸上での重力測定は、地表またはヘリコプターによる上空飛行に設置された重力計を使用して行うことができます。1960年代以降、地球の重力場は衛星の動きを解析することによって測定されてきました。海面もレーダー高度測定法を使用して衛星によって測定され、より正確なジオイドの作成に貢献しています。[ 38 ] 2002年、NASAは重力回復および気候実験（GRACE）を打ち上げました。この実験では、2つの双子の衛星がGPSとマイクロ波測距システムを使用して2つの衛星間の距離を測定することで、地球の重力場の変動をマッピングします。GRACEによって検出された重力変動には、海流の変化、流出と地下水の枯渇、氷床と氷河の融解によって引き起こされるものが含まれます。[ 41 ]
衛星と宇宙探査機
宇宙衛星は、可視光領域だけでなく、電磁スペクトルの他の領域からもデータを収集することを可能にした。惑星は、重力と磁場といった力場によって特徴付けられ、地球物理学と宇宙物理学を通じて研究されている。
宇宙船が軌道を周回する際に受ける加速度の変化を測定することで、惑星の重力場を詳細にマッピングすることが可能になりました。例えば、1970年代には、月周回衛星によって月の海上空の重力場の擾乱が測定され、インブリウム盆地、セレニタティス盆地、クリシウム盆地、ネクタリス盆地、フモルム盆地の真下に質量集中部（マスコン）が発見されました。[ 42 ]
全地球測位システム（GPS）と地理情報システム（GIS）
地球物理学は地球の形状、ひいては地球の周囲および内部の特徴のマッピングに関係しているため、地球物理学的測定には高精度の GPS 測定が含まれます。これらの測定は、差分 GPS処理によって精度を高めるために処理されます。地球物理学的測定が処理され、インバートされると、解釈された結果が GIS を使用してプロットされます。ArcGISやGeosoftなどのプログラムは、これらのニーズを満たすように構築されており、上方接続や、第 1 鉛直導関数などの測定導関数の計算など、多くの地球物理学的機能が組み込まれています。 [ 9 ] [ 43 ]多くの地球物理学企業は、地球物理学的データセットの視覚化要件を満たすために、ArcGIS や GeoSoft より前に遡る社内地球物理学プログラムを設計しました。
リモートセンシング
探査地球物理学は応用地球物理学の一分野であり、様々なエネルギー、鉱物、水資源を調査することを目的とした様々な地震学的または電磁気学的方法の開発と利用を伴う。[ 44 ]これは、衛星、航空機、船舶、ドローン、ボーリングセンシング機器、地震受信機などの様々なリモートセンシングプラットフォームの使用を通じて行われる。これらの機器は、データを収集するために、磁気、重力測定、電磁気、放射測定、気圧測定などの様々な地球物理学的方法と組み合わせて使用されることが多い。探査地球物理学で使用されるリモートセンシングプラットフォームは完璧ではなく、プラットフォーム自体が収集されたデータに及ぼす可能性のある影響を正確に考慮するために調整を行う必要がある。たとえば、従来の固定翼航空機を使用して航空磁気データ（航空機が収集した磁気データ）を収集する場合、地球の磁場を通過するときに生成する可能性のある電磁気流を考慮してプラットフォームを調整する必要がある。[ 9 ]地球が自転したり、地球が太陽の周りを回ったり、月が地球の周りを回ったりするときに測定される電位場の強度の変化に関連した補正もあります。[ 9 ] [ 43 ]
磁気圏
地球物理学的測定は、多くの場合、 GPS位置情報とともに時系列データとして記録されます。信号処理には、重力データにおける航空機の振動など、測定プラットフォームによって導入される不要なノイズや誤差に対する時系列データの補正が含まれます。また、磁気データにおける日周補正などのノイズ源の削減も含まれます。[ 9 ] [ 43 ]地震データ、電磁気データ、重力データでは、誤差補正後も計算地球物理学的処理が継続され、地球物理学的データの最終的な解釈は、地球物理学的測定の地質学的解釈へとつながります[ 9 ] [ 43 ]
歴史
地球物理学は、自然地理学、地質学、天文学、気象学、物理学の交差点から、19世紀になって初めて独立した学問分野として現れました。 [ 45 ] [ 46 ]地球物理学という言葉が最初に使用されたのは、1834年にユリウス・フレーベルがドイツ語で「Geophysik」と書いたときです。 [ 47 ]しかし、地球の磁場や地震など、多くの地球物理学的現象は古代から研究されてきました。
古代と古典時代
磁気コンパスは紀元前4世紀に中国に存在していました。陸上での航海だけでなく、風水にも用いられていました。良質の鋼鉄製の針が鍛造されるまで、コンパスは海上での航海に用いられることはありませんでした。それ以前は、コンパスは磁力を長く保てず、実用に耐えませんでした。ヨーロッパでコンパスに関する最初の記録は1190年です。[ 48 ]
紀元前240年頃、キュレネのエラトステネスは地球が丸いと推測し、地球の円周を非常に正確に測定しました。[ 49 ]彼は緯度と経度のシステムを開発しました。[ 50 ]
地震学への最も初期の貢献は、おそらく132年に多作な発明家である張衡によって発明された地震計であろう。 [ 51 ]この装置は、竜の口から青銅の球をヒキガエルの口に落とすように設計されていた。8匹のヒキガエルのうちどのヒキガエルが球を持っているかを見ることで、地震の方向を特定できた。ヨーロッパで最初の地震計の設計図がジャン・ド・ラ・オートフイユによって発表される1571年前のことである。しかし、この地震計は結局作られなかった。[ 52 ]
近代科学の始まり
17世紀には、近代科学の幕開けを象徴する重要な出来事がありました。1600年、ウィリアム・ギルバートは『磁石論』（ De Magnete ）という著書を発表し、天然磁石（ 「ロードストーン」と呼ばれる）と人工的に磁化した鉄の両方を用いた一連の実験を行いました。 [ 53 ]彼の実験は、球状磁石に接触させた際に磁気挙動を再現する小型コンパスの針（ベルソリウム）の観察と、水平軸を軸として回転させた際に「磁気の傾斜」を経験することにつながったのです。[ 53 ]彼の発見は、地球自体が巨大な磁石であるため、コンパスが北を指すという推論につながりました。[ 53 ]
1687年、アイザック・ニュートンは、天文学や物理学などの近代科学分野の発展に極めて重要な著作『プリンキピア』を出版した。[ 54 ]この著作の中で、ニュートンは古典力学と重力の基礎を築き、また、春分点歳差運動（黄道軸に沿った星全体の軌道）などのさまざまな地球物理学的現象を説明した。[ 55 ]ニュートンの重力理論は非常に大きな成功を収め、その時代における物理学の主な目的は、自然界の基本的な力とその法則による特徴づけを解明することへと変化した。[ 54 ]
最初の地震計は地震活動を継続的に記録できる機器で、1844年にジェームズ・フォーブスによって作られました。 [ 52 ]
参照
- 国際測地学・地球物理学連合（IUGG）
- ブラジル測地学・地球物理学協会
- 地球システム科学 – 地球の球体とその自然統合システムの科学的研究
- 地球物理学者一覧 – 著名な地球物理学者
- 地球物理学の概要 – 地球とその周辺における物理学の話題
- 地球力学 – 地球の力学の研究
- 惑星科学 – 惑星と惑星系の科学
- 地質工学
- 物理学
- 宇宙物理学
- 地球科学
- 測地学
- 航空磁気調査
注記
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外部リンク
