地球の外核

地球の外核は、鉄または鉄ニッケル合金だけで構成されているとは考えられません。なぜなら、それらの密度は地球の外核の密度の地球物理学的測定値よりも高いからです。 ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}外核の密度は、地球の核の温度と圧力における鉄の密度よりも約5～10パーセント低いのです。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}そのため、原子番号の小さい軽元素が地球の外核の一部を構成しているという説が、その密度を下げる唯一の実現可能な方法として提唱されています。 ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

地球の外核は直接サンプリングできないものの、^{[ 14 ] [ 15 ] [ 18 ]}軽元素の組成は、高圧実験、地震測定に基づく計算、地球形成モデル、および炭素質コンドライト隕石とバルクケイ酸塩地球（BSE）との比較によって意味のある制約を受けることができる。^{[ 12 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 18 ] [ 19 ]} 2023年現在地球の外核は鉄と、重量比で水素0～0.26% 、炭素0.2% 、酸素0.8～5.3% 、ケイ素0～4.0% 、硫黄1.7% 、ニッケル5%で構成されており、核とマントルの境界と内核の境界の温度はそれぞれ4,137～4,300 Kと5,400～6,300 Kの範囲であると推定されている。^{[ 14 ]}

制約

集積

地球の外核に存在する軽元素の種類は、地球の集積によって部分的に制限されている。^{[ 16 ]}つまり、含まれる軽元素は地球の形成時に豊富に存在し、低圧で液体鉄に分配され、地球の集積過程中に揮発して逃げ出さないものでなければならない。^{[ 14 ] [ 16 ]}

CIコンドライト

CIコンドライト隕石は、初期太陽系と同じ割合で同じ惑星形成元素を含んでいると考えられており、^{[ 14 ]} CI隕石とBSEの違いは、地球の外核の軽元素組成についての洞察を与えてくれる可能性がある。^{[ 20 ] [ 14 ]}例えば、 CI隕石と比較した地球の原始マントルのケイ素の枯渇は、ケイ素が地球の核に吸収されたことを示している可能性があるが、地球の外核と内核のケイ素濃度には幅広い範囲が存在する可能性がある。^{[ 14 ] [ 21 ] [ 22 ]}

地球の外核における軽元素の濃度に対する制約をより厳密にすることで、地球の集積と核形成の歴史をよりよく理解できるようになるだろう。^{[ 14 ] [ 19 ] [ 23 ]}

地球の核形成への影響

地球のマントルにおける親鉄元素のコンドライト隕石に対する枯渇は、地球の核の形成中の金属-ケイ酸塩反応に起因する。 ^{[ 24 ]}これらの反応は酸素、ケイ素、硫黄に依存しており、^{[ 14 ] [ 25 ] [ 24 ]}地球の外核におけるこれらの元素の濃度に対する制約をより正確にすることで、地球の核の形成条件を解明するのに役立つだろう。^{[ 14 ] [ 23 ] [ 25 ] [ 24 ] [ 26 ]}

別の例として、地球の外核に水素が存在する可能性は、地球の水の集積^{[ 14 ] [ 27 ] [ 28 ]}が地球の集積の最終段階^{[ 23 ]}に限られておらず、水が含水マグマオーシャンを通して核形成金属に吸収された可能性があることを示唆している^{[ 14 ] [ 29 ]}。

地球の磁場は、熱対流と化学対流によって駆動されます。化学対流とは、内核から軽い元素が排除され、流動した外核内で上昇し、より密度の高い元素が沈降する現象です。^{[ 17 ] [ 30 ]}この化学対流によって重力エネルギーが放出され、それが地球の磁場を生成するジオダイナモの動力源として利用されます。 ^{[ 30 ]}大きな不確実性を伴うカルノー効率は、組成対流と熱対流がそれぞれ地球のジオダイナモの動力に約80%と20%寄与していることを示唆しています。^{[ 30 ]}

従来、地球の内核が形成される前は、地球のジオダイナモは主に熱対流によって駆動されていたと考えられていた。^{[ 30 ]}しかし、2020年現在、地球の核の温度と圧力における鉄の熱伝導率がこれまで考えられていたよりもはるかに高いという主張は、核の冷却が主に伝導によるものであり、対流によるものではないことを示唆しており、熱対流が地磁気ダイナモを駆動する能力を制限している。 ^{[ 14 ] [ 17 ]}この難問は、新しい「核のパラドックス」として知られている。^{[ 14 ] [ 17 ]}地球の地磁気ダイナモを維持できた可能性のある別のプロセスでは、地球の核が最初に酸素、マグネシウム、ケイ素、およびその他の軽元素を溶解するのに十分なほど高温であったことが必要となる。^{[ 17 ]}地球の核が冷え始めると、これらの軽元素が過飽和状態になり、その後、下部マントルに沈殿して酸化物を形成し、異なる種類の化学対流につながる。^{[ 14 ] [ 17 ]}

コアの流れによって生成される磁場は、惑星間放射線から生命を守り、大気が太陽風で散逸するのを防ぐために不可欠です。伝導と対流による冷却速度は不確かですが、^{[ 31 ]}ある推定では、コアが凍結するのは約910億年後であり、これは太陽が膨張し、惑星の表面を不毛にし、燃え尽きると予想される時期よりもずっと後です。^{[ 32 ]}