地球の内核

地球の内核は、地球の最も内側の地質層です。内核は主に固体の球体で、半径は約1,220 km（760マイル）で、地球の半径の約20％、月の半径の70％に相当します。^{[1] [2]}

地球のマントルの場合のように、核のサンプルを直接測定することはできません。^{[3]核の特性は、主に}地震波と地球の磁場の測定から推測されています。^[4]内核は、鉄ニッケル合金と他のいくつかの元素で構成されていると考えられています。その表面温度は、太陽の表面温度とほぼ同じ、およそ 5,700 K (5,430 °C、9,800 °F) と推定されています。^[5]

内核はシモン・グラッツェル方程式に従って、高圧のため高温でも固体である。^[6]

地球には、溶融した外核とは別の固体の内核があることが、1936年にデンマークの地震学者インゲ・レーマン[ ^{7] [8]}による、地表の高感度地震計で検出されたニュージーランドの地震の地震記録の研究によって発見されました。彼女は地震波が内核の境界で反射することを推測し、内核の半径を1,400 km (870 mi)と推定しました。これは、現在受け入れられている1,221 km (759 mi)という値とそれほど変わりません。^{[9] [10] [11]} 1938年、ベノ・グーテンベルクとチャールズ・リヒターはより広範なデータを分析し、外核の厚さを1,950 km（1,210マイル）と推定し、内核への厚さの遷移は急峻だが連続的に300 km（190マイル）であり、内核の半径は1,230〜1,530 km（760〜950マイル）であると示唆した。^{[12] : p.372}

数年後の1940年に、この内核は固体鉄でできているという仮説が立てられました。1952年にフランシス・バーチは入手可能なデータの詳細な分析を発表し、内核はおそらく結晶鉄であると結論付けました。^[13]

内核と外核の境界は「レーマン不連続面」と呼ばれることもあるが^{[14]、この名前は通常は}別の不連続面を指す。キース・エドワード・ブレンにちなんで「ブレン」または「レーマン・ブレン不連続面」という名前が提案されたことがあるが^[15]、その使用はまれであるようだ。内核の剛性は1971年に確認された^[16]。

アダム・ジェウォンスキーとジェームズ・フリーマン・ギルバートは、大地震によって引き起こされる地球の通常振動モードの測定結果が、外核が液体であることと一致することを明らかにした。 ^[17] 2005年には、内核を通過するせん断波が検出され、当初はこれらの主張は物議を醸したが、現在では受け入れられつつある。^[18]

科学者が内核の物理的特性について持っているほぼすべての測定値は、そこを通過する地震波です。深発地震は、地球の表面から 30 km 以上下 (マントルが比較的均質な場所) で最も有益な波を生成し、それが地表に到達すると、世界中で地震計によって記録されます。 ^{[引用が必要]}

地震波には、固体または液体の物質を伝わる圧縮波である「P」（一次または圧力）波と、剛性弾性固体のみを伝わる「S」（二次またはせん断）せん断波があります。この 2 つの波は速度が異なり、同じ物質を伝わるときに 減衰する速度も異なります。

特に興味深いのは、いわゆる「PKiKP」波である。これは、表面近くで始まり、マントルとコアの境界を横切り、コア (K) を通過し、内核境界 (i) で反射し、再び液体コア (K) を通過し、マントルに戻り、表面で圧力波 (P) として検出される圧力波 (P) である。また、表面 (i) で反射されるのではなく、内核 (I) を通過する「PKIKP」波も興味深い。これらの信号は、ソースから検出器までの経路が直線に近い場合、つまり、反射 PKiKP 波の場合は受信機がソースの真上にあり、送信 PKIKP 波の場合は受信機がソースの反対側にある場合、解釈が容易である。 [ ^19]

S波はそのままでは内核に到達したり、内核から出たりすることはできませんが、P波は内核と外核の境界に斜めに当たることでS波に変換され、その逆も可能です。「PKJKP」波はPKIKP波に似ていますが、内核に入るとS波に変換され、S波（J）として内核を通過し、内核から出ると再びP波に変換されます。この現象により、内核はS波を伝播することができ、したがって固体であることがわかっています。

内核に関するその他の情報源としては、

• 地球の磁場。外核の流体と電流によって主に生成されるようですが、それらの電流は固体の内核の存在とそこから流出する熱によって強く影響されます。（鉄でできていますが、コアはキュリー温度以上であるため強磁性ではありません。）^[要出典]
• 地球の質量、重力場、角慣性。これらはすべて内層の密度と大きさによって影響を受けます。^[20]
• 大地震によって地球が鐘のように「鳴る」とき、地球全体の振動の固有振動数とモード。これらの振動は、内層の密度、大きさ、形状にも大きく依存します。^[21]

核内のS波の速度は、中心部の約3.7 km/sから表面の約3.5 km/sまで滑らかに変化します。これは、下部地殻のS波速度（約4.5 km/s）よりもかなり遅く、外核のすぐ上にある深部マントルの速度（約7.3 km/s）の半分以下です。^{[5] ：図2}

核内のP波の速度も、中心核で約11.4 km/sから表面で約11.1 km/sまで、内核を通じて滑らかに変化します。その後、速度は内核と外核の境界で約10.4 km/sまで急激に低下します。^{[5] ：図2}

地震データに基づくと、内核の半径は約1221km（直径2442km）と推定されており、^[5]これは地球の半径の約19％、月の半径の70％に相当します。

その体積は約76億立方km（7.6×10 ¹⁸ m ³）で、地球全体の体積の 約1 ⁄ 146 （0.69%）に相当します。

その形状は地球の表面のような扁平回転楕円体に近いと考えられていますが、より球形に近いものです。扁平率 f は1 ⁄ 400から1 ⁄ 416の間と推定されています^{[20] : f.2 は}、地球の軸に沿った半径が赤道の半径よりも約 3 km 短いことを意味します。比較すると、地球全体の扁平率は1 ⁄ 300に近く、極半径は赤道半径よりも 21 km 短いです。   

地球の内核の圧力は、外核と内核の境界よりもわずかに高く、約330～360ギガパスカル（330万～360万気圧）の範囲です。^{[5] [22] [23]}

内核表面での重力加速度は4.3 m/s ²と計算され、^[24]これは地球表面の値（9.8 m/s ²）の半分以下です。

内核の密度は、中心部の約 13.0 kg/L (= g/cm ³ = t /m ³ ) から表面の約 12.8 kg/L まで滑らかに変化すると考えられています。他の物質特性と同様に、密度は表面で急激に低下します。内核のすぐ上にある液体は、約 12.1 kg/L と、大幅に密度が低いと考えられています。^[5]比較すると、地球の上部 100 km の平均密度は約 3.4 kg/L です。

この密度は内核の質量が約 10 ²³ kg であることを意味し、これは地球全体の質量の 1 ⁄ 60 (1.7%) に相当します。

内核の温度は、内核の境界で鉄が受ける圧力（約330  GPa）における不純な鉄の融点から推定できる。これらの考察から、2002年にD. Alfèらは、その温度を5,400 K（5,100 °C、9,300 °F）から5,700 K（5,400 °C、9,800 °F）の間と推定した。^[5]しかし、2013年にS. Anzelliniらは、鉄の融点として実験的にかなり高い温度、6,230 ± 500 K（5,957 ± 500 °C、10,754 ± 900 °F）を得た。^[25]

鉄がこのような高温でも固体でいられるのは、その程度の圧力で融点が劇的に上昇するからである（クラウジウス・クラペイロンの関係を参照）。^{[26] [27]}

2010年、ブルース・バフェットは、液体の外核の 平均磁場が約2.5ミリテスラ（25 ガウス）であり、これは地表の最大強度の約40倍であると判定した。彼は、月と太陽が地表の海と同じように液体の外核に潮汐を引き起こすという既知の事実から出発した。彼は、局所的な磁場を通る液体の動きが電流を生み出し、オームの法則に従ってエネルギーを熱として消散させることを観察した。この消散は今度は潮汐運動を弱め、以前に検出された地球の章動運動の異常を説明する。後者の効果の大きさから、彼は磁場を計算することができた。^[28]内核内の磁場もおそらく同様の強さである。間接的ではあるが、この測定は地球の進化や核の組成に関する仮定に大きく依存しない。

地震波はコアが固体であるかのように伝播するが、測定では固体物質と極めて粘性の高い物質を区別することはできない。そのため、一部の科学者は、内核に（マントルに存在すると考えられているように）ゆっくりとした対流があるのではないかと考えた。これは、地震研究で検出された異方性の説明になるかもしれない。2009年、B.バフェットは内核の粘性を10 ¹⁸  Pa ·sと推定したが、^{[29]これは水の粘性の16兆倍、}ピッチの10億倍以上である。

内核の組成についてはまだ直接的な証拠はない。しかし、太陽系におけるさまざまな化学元素の相対的な存在比、惑星形成理論、そして地球の残りの部分の化学的性質によって課せられる、または暗示される制約に基づくと、内核は主に鉄とニッケルの合金で構成されていると考えられている。

コアの推定圧力と温度では、純粋な鉄は固体である可能性があるが、その密度はコアの既知の密度を約3％超えると予測される。この結果は、ニッケルの存在の可能性に加えて、シリコン、酸素、硫黄などのより軽い元素がコアに存在することを示唆している。 ^[30]最近の推定（2007年）では、最大10％のニッケルと2～3％の未確認の軽い元素が許容されている。^[5]

D.アルフェらの計算によれば、液体の外核には8～13%の酸素が含まれているが、鉄が結晶化して内核を形成すると、酸素はほとんど液体のまま残る。^[5]

実験室実験と地震波速度の分析によると、内核は六方最密充填（HCP ）構造を持つ金属の結晶形態であるε鉄で構成されているようです。この構造には、少量のニッケルやその他の元素が含まれる可能性があります。^{[19] [31]}

多くの科学者は当初、内核は均質であると予想していた。なぜなら、同じプロセスが形成全体を通じて均一に進行するはずだったからだ。地球の内核は鉄の単結晶である可能性さえ示唆されていた。^[32]

1983年、G. Poupinetらは、PKIKP波（内核を伝わるP波）の移動時間が、赤道面上の直線経路よりも南北方向の直線経路で約2秒短いことを観察しました。^[33]極での地球の平坦化（地球全体で約0.33％、内核で0.25％）と地殻および上部マントルの不均質性を考慮しても、この差は、P波（広範囲の波長）が内核を南北方向に伝わる方が、それに垂直な方向よりも約1％速く伝わることを示唆していました。^[34]

このP波速度異方性は、その後の研究によって確認されており、より多くの地震データ^[19]や地球全体の自由振動の研究^[21]も含まれています。一部の著者は、この差は最大4.8％と高いと主張していますが、2017年にダニエル・フロストとバーバラ・ロマノヴィッチは、この値が0.5％から1.5％の間であることを確認しました。^[35]

一部の研究者は、少なくとも内核の一部の領域では、P波の速度は南北軸に対して斜めまたは垂直な方向でより速いと主張している。^[36]しかし、これらの主張はフロストとロマノヴィッチによって異議を唱えられており、彼らは代わりに、最大速度の方向は地球の自転軸にできるだけ近い方向であると主張している。^[37]

実験データと理論計算によると、ε鉄のHCP結晶における圧力波の伝播も強い異方性を示し、1つの「高速」軸と2つの「低速」軸がある。コア内の結晶が南北方向に整列する傾向が、観測された地震異常を説明できる可能性がある。^[19]

このような部分的な整列を引き起こす可能性がある現象の 1 つは、内核内部の赤道から極へ、またはその逆のゆっくりとした流れ (「クリープ」) です。この流れにより、結晶は流れの方向に応じて部分的に向きを変えることになります。1996 年に、吉田 誠らは、このような流れは赤道での凍結率が極緯度よりも高いために発生する可能性があると提唱しました。赤道から極への流れが内核に発生し、表面のアイソスタティック平衡を回復する傾向があります。 ^{[38] [31]}

他の人たちは、必要な流れは内核内部のゆっくりとした熱対流によって引き起こされる可能性があると示唆した。1998年に行武はそのような対流運動は起こりそうにないと主張した。 [39 ^]しかし、2009年にB.バフェットは内核の粘性を推定し、特に核が小さかったときにはそのような対流が起こった可能性があることを発見した。^[29]

一方、1997年にM.バーグマンは、鉄の結晶軸が冷却熱流の方向と一致すると鉄の結晶がより速く成長するという観察された傾向が異方性の原因であると提唱した。したがって、彼は内核からの熱流が放射方向に偏っていると提唱した。^[40]

1998年、S.カラトは磁場の変化によって内核も時間の経過とともにゆっくりと変形する可能性があると提唱した。^[41]

2002年、M.イシイとA.ジェウォンスキーは、固体の内核に、その周囲の殻とは多少異なる特性を持つ「最内核」（IMIC）が含まれているという証拠を提示した。IMICの違いの性質と半径は2019年現在も未解決であり、後者については300 kmから750 kmの範囲であると提案されている。^{[42] [43] [44] [37]}

A. ワンとX. ソンは2018年に、半径約500 kmの「内核」（IIC）、厚さ約600 kmの「外核」（OIC）、厚さ100 kmの等方性シェルからなる3層モデルを提唱した。このモデルでは、「より速いP波」の方向はOICでは地球の軸と平行になるが、IICではその軸と垂直になる。^[36]しかし、この結論は、内核に急激な不連続性がある必要はなく、深さとともに特性が徐々に変化するだけでよいという主張によって異論が唱えられている。^[37]

2023年、ある研究で「異方性の特徴を持つ最内核」、つまり厚さ約650kmの球状の最内核と「その弱い異方性の外殻への移行に関する新たな証拠が報告された。これは過去の重要な地球規模の出来事の化石記録である可能性がある」と報告された。研究によると、IICの原子は外層とはわずかに異なる方法で[詰め込まれている]ため、地震波は周囲の核とは異なる速度でIICを通過する（P波の速度は地球の自転軸から約50°で約4％遅くなる）と示唆されている。^{[45] [説明が必要]}

1997年、田中誠と浜口秀夫は地震データに基づいて、内核物質の異方性はN−S方向に向いているものの、内核の「東」半球（東経約110度、おおよそボルネオ島直下）の方が「西」半球（西経約70度、おおよそコロンビア直下）よりも顕著であると主張した。^{[46] : fg.9}

アルブセールらは、この非対称性は東半球での融解と西半球での再結晶化によるものであると提唱した。^[47] C.フィンレイは、このプロセスが地球の磁場の非対称性を説明できると推測した。^[48]

しかし、2017年にフロストとロマノヴィッチは、データは弱い異方性しか示しておらず、南北方向の速度は赤道方向よりも0.5％から1.5％速いだけであり、東西方向の変化の明確な兆候は見られないと主張し、以前の推論に異議を唱えました。^[35]

他の研究者は、内核の表面の特性は、1 km ほどの距離でも場所によって異なると主張しています。内核の境界に沿った横方向の温度変化は極めて小さいことが知られているため、この変化は驚くべきものです (この結論は磁場の観測によって確実に制約されています)。^{[引用が必要]}

地球の内核は、地球内部の緩やかな冷却（10億年あたり約100度）により、内核との境界にある液体の外核が冷えて固まるにつれて、ゆっくりと成長していると考えられています。^[49]

アルフェらの計算によると、鉄が内核に結晶化すると、そのすぐ上の液体は酸素に富み、外核の残りの部分よりも密度が低くなる。このプロセスにより外核に対流が生じ、これが地球の磁場を作り出す電流の主な駆動力であると考えられている。^[5]

内核の存在は外核内の液体の動的運動にも影響を与え、磁場を固定するのに役立つ可能性がある。^[要出典]

内核は地球の固体マントルとしっかりとつながっていないため、地球の他の部分よりもわずかに速くまたは遅く回転している可能性が長い間考えられてきました。 ^{[50] [51]} 1990年代、地震学者は、数十年にわたって内核を通過する地震波の特性の変化を観察することによって、この種の超回転を検出できるというさまざまな主張をしました。これは、内核がいくつかの方向に波をより速く伝達するという前述の特性を利用したものです。1996年に、X. SongとP. Richardsは、マントルに対する内核のこの「超回転」を1年に約1度と推定しました。^{[52] [53]} 2005年に、彼らとJ. Zhangは「地震ダブレット」（同じ観測所による、地球の反対側の同じ場所で数年の間隔を置いて発生した地震の記録）の記録を比較し、その推定を1年に0.3〜0.5度に修正しました。^[54] 2023年には、2009年頃にコアが惑星の表面よりも速く回転するのをやめ、現在はおそらく表面よりも遅く回転していると報告されました。これは大きな影響を与えるとは考えられておらず、振動の1サイクルは約70年であると考えられており、「特に日の長さと磁場」などの他のいくつかの地球物理学的周期と一致しています。^{[55] [56]}

1999 年、M. Greff-Lefftz と H. Legros は、海洋の潮汐の原因となる太陽と月の重力場が地球にもトルクを加え、地球の自転軸に影響を与え、自転速度を遅くしていることに注目しました。これらのトルクは主に地殻とマントルによって感じられるため、それらの自転軸と速度は、外核の流体の全体的な回転や内核の回転とは異なる場合があります。内核の電流と磁場のために、ダイナミクスは複雑です。彼らは、内核の軸が約 1 日の周期でわずかに揺れる (章動する) ことを発見しました。地球の進化に関するいくつかの仮定に基づいて、彼らは、外核の流体の動きが過去数回 (30 億年前、18 億年前、3 億年前) 潮汐力と共鳴したであろうと結論付けています。それぞれ2億～3億年続いたこれらの時代では、より強い流体運動によって発生した余分な熱が内核の成長を止めた可能性がある。^[57]

核の年齢に関する理論は、地球の歴史に関する理論の一部です。地球の固体内核は、地球が冷却するにつれて、最初は完全に液体だった核から形成されたと広く信じられています。しかし、このプロセスが始まった時期は不明です。^[4]

内核の年齢を推定するために、地球の冷却の熱力学的モデル化と古地磁気の証拠の分析という 2 つの主なアプローチが使用されてきました。これらの方法によって得られた推定値は、5 億年から 20 億年前までさまざまです。

内核の年齢を推定する方法の1つは、地球の冷却をモデル化し、コア・マントル境界（CMB）の熱流束の最小値で制約することである。この推定は、地球の磁場は主にコアの液体部分の対流によって引き起こされるという一般的な理論と、その対流を維持するために最小限の熱流束が必要であるという事実に基づいている。現時点でのCMBの熱流束は、地球表面で測定された熱流束と測定されたマントル対流速度に関連しているため、確実に推定できる。^{[69] [58]}

2001年、S.ラブロスらは、核に放射性元素が含まれていないと仮定して、内核の年齢を1±0.5億年と推定した。これは、地球とその液体核の推定年齢（約45億年）よりもかなり若い。 ^[58] 2003年、同じグループは、核に適度な量の放射性元素が含まれていれば、内核の年齢は数億年古い可能性があると結論付けた。^[59]

2012年、M.ポッツォらによる理論計算では、鉄やその他の仮想核物質の電気伝導率は、そこで予想される高圧高温下では、以前の研究で想定されていたよりも2～3倍高いことが示されました。^[70]これらの予測は、2013年に五味らによる測定で確認されました。^{[71]電気伝導率のより高い値により、}熱伝導率の推定値は90 W/m·Kに増加し、その結果、その年齢の推定値は7億年未満に引き下げられました。^{[62] [64]}

しかし、2016年にコノプコバらは、内核の状態での固体鉄の熱伝導率を直接測定し、18～44 W/m·Kというはるかに低い値を得ました。これらの値から、彼らは内核の年齢の上限を42億年と算出し、古地磁気の証拠と一致しました。^[65]

2014年、ドリスコルとベルコヴィチは、マントルの熱的大惨事と新核パラドックスを回避するために、崩壊による3TWの放射性加熱を仮定した地球の熱史を発表しました。⁴⁰
け
核におけるKのこのような高い存在量は実験的な分配研究によって裏付けられておらず、そのためこのような熱史は依然として非常に議論の余地がある。^[61]

地球の年齢を推定する別の方法は、地球の歴史の中での磁場の変化を分析することである。磁場はさまざまな時期に形成された岩石に閉じ込められている（「古地磁気記録」）。固体の内核の有無によって、核内でさまざまな動的プロセスが発生し、磁場に顕著な変化が生じる可能性がある。^[72]

2011年、スミルノフらは、新始生代（28～25億年前）と原生代（25～5億4100万年前）に形成された岩石の大規模なサンプルの古地磁気分析を発表した。彼らは、新始生代中は地磁気が磁気双極子に近かったことを発見した。彼らはその変化を、その時代にはダイナモ効果が核に深く根付いていたが、後期には核とマントルの境界に近い電流が重要になった証拠だと解釈した。彼らはさらに、その変化は35～20億年前の固体内核の成長によるものかもしれないと推測している。^[60]

2015年、ビギンらは、広範囲かつ慎重に選ばれた先カンブリア時代のサンプルの分析結果を発表し、約10億～15億年前に地球の磁場の強度と変動が顕著に増加したことを観測した。この変化は、十分な堅牢な測定がなかったため、これまで注目されていなかった。彼らは、この変化は地球の固体内核の誕生によるのではないかと推測した。彼らは、年齢の推定から外核の熱伝導率のかなり控えめな値を導き出し、地球の熱進化のより単純なモデルを可能にした。^[63]

2016年、P. Driscollは、0.0～2.0 Gaの古地磁気場の進化を詳細に予測した数値的進化ダイナモモデルを発表しました。進化ダイナモモデルは、DriscollとBercovici（2014）の熱履歴解析によって生成された時間可変境界条件によって駆動されました。進化ダイナモモデルは、1.7 Ga以前の多極強磁場ダイナモ、1.0～1.7 Gaの主に双極子強磁場ダイナモ、0.6～1.0 Gaの非軸双極子弱磁場ダイナモ、および0.0～0.6 Gaの内核形成後の主に双極子強磁場ダイナモを予測しました。^[73]

2019年にボノらが発表したエディアカラ紀（約5億6500万年前に形成された）の岩石サンプルの分析では、当時の地磁気の強度が異常に低く、2つの異なる方向があったことが明らかになり、ドリスコル（2016）の予測を裏付けている。その頃の磁場の高頻度反転の他の証拠を考慮して、彼らはこれらの異常は内核の形成開始によるものであり、その年齢は5億年になるのではないかと推測している。^[66] P.ドリスコルによるニュースと見解は、ボノの結果を受けて磁場の状態を要約している。^[74]カンブリア紀の新しい古地磁気データは、この仮説を裏付けているようだ。^{[75] [76]}

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