地球物理学

月と太陽の引力によって、太陰日（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。したがって、満潮と干潮の間には12時間25分の間隔があります。^{[ 7 ]}

重力によって岩石はより深い岩石に押し付けられ、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れより上の重力加速度と重力ポテンシャルの測定は、鉱床を探すために使用できます（重力異常と重力測定を参照）。^{[ 9 ] [ 10 ]}地表重力場は、プレートテクトニクスのダイナミクス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、地球の形状の定義の1つです。海洋が平衡状態にあり、大陸を貫通して拡張できる場合（非常に狭い運河など）、ジオイドは地球全体の平均海面になります。^{[ 11 ] [ 10 ]}

地震波は、地球の内部または表面に沿って伝わる振動です。^{[ 12 ]}地球全体も、固有振動または地球の自由振動と呼ばれる形で振動することがあります。波または固有振動による地盤の動きは、地震計を使用して測定されます。地震や爆発などの局所的な発生源から波が発生する場合は、複数の場所での測定を使用して発生源を特定できます。地震の位置は、プレートテクトニクスとマントル対流に関する情報を提供します。^{[ 13 ] [ 14 ]}

制御された震源からの地震波の記録は、波が通過する領域に関する情報を提供する。岩石の密度や組成が変化すると、波は反射する。反射地震学を使用して記録された反射は、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、地質学の理解を深めるとともに、石油やガスの探査にも使用される。^{[ 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使用できる。^{[ 14 ]}

地震は人間に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）によって異なる地震のメカニズムを理解することで、地震リスクのより正確な推定や地震工学の改善につながります。^{[ 15 ]}

地表付近には常に下向きの電場があり、平均で1メートルあたり120ボルトです。^{[ 16 ]}大気を貫通する銀河宇宙線は、固体地球に対して大気を電離させ、正味の正電荷を残します。^{[ 17 ]}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。 ^{[ 16 ]}電離層から地球の大部分を下向きに流れ、雷雨を通し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。

地球物理探査ではさまざまな電気的な方法が用いられます。中には、人為的または自然の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ものもあります。地球と海洋には地電流が流れています。地電流には、時間とともに変化する外部起源の地磁気場による電磁誘導と、地球の永久磁場を横切る導電性物体（海水など）の移動という2つの原因があります。 ^{[ 18 ]}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使用できます。地球物理学者は、電流を自ら発生させることもできます（誘導分極と電気抵抗率トモグラフィーを参照）。

電磁波は、地球の外核だけでなく、電離層や磁気圏でも発生します。夜明けの鳥のさえずりは、ヴァン・アレン帯に捕捉さ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。ヒス音は、雷とホイッスラーの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）。

外核の高導電性液体鉄では、電磁誘導による電流によって磁場が生成されます。アルヴェーン波は、磁気圏または地球の核における磁気流体力学的波です。核では、地球の磁場に観測可能な影響はほとんどないと考えられますが、磁気ロスビー波などのより遅い波は、地磁気永年変化の1つの原因である可能性があります。^{[ 19 ]}

地球物理探査に使用される電磁気的手法には、過渡電磁気学、地磁気地電流法、表面核磁気共鳴法、電磁海底検層法などがあります。^{[ 20 ]}

地球の磁場は、地球を致命的な太陽風から守り、古くから航海に利用されてきた。それは外核の流体運動に由来する。^{[ 19 ]}上層大気の磁場はオーロラを生み出す。^{[ 21 ]}

地球の磁場はおおよそ傾いた双極子のようなものですが、時間とともに変化します（地磁気永年変化と呼ばれる現象）。地磁気極はほとんどの場合、地理上の極の近くに留まりますが、平均して約44万年から100万年のランダムな間隔で、地球の磁場の極性が反転します。地磁気極性タイムスケールで分析されたこれらの地磁気反転は、過去8300万年の間に184の極性期間を含み、時間の経過とともに頻度が変化し、最も最近の短い完全な反転であるラスチャンプイベントは、最後の氷河期中の4万1000年前に発生しました。地質学者は、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反転を観測し、その痕跡は海底の平行な線状の磁気異常ストライプとして見ることができます。これらのストライプは、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、磁気逆転を他の層序と関連付けて地質年代尺度を構築する磁気層序学の基礎となっている。 ^{[ 23 ]}さらに、岩石の磁化は大陸の移動を測定するために使用できる。^{[ 19 ]}

放射性崩壊は地球内部の熱の約80%を占め、地殻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。^{[ 24 ]}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。^{[ 25 ]}放射性元素は放射年代測定 に用いられ、これは地質年代学における絶対時間尺度を確立するための主要な方法である。

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及ぶため、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を正確に年代測定するために使用できます。^{[ 26 ]}地上および空中ガンマ線スペクトロメトリーを使用した放射能マッピングは、地球表面付近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。^{[ 27 ] [ 28 ]}

磁気圏、大気、海洋、マントル、核では流体運動が起こります。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、氷河期後の隆起、マントルプルームなどの現象に反映されます。マントルの流れはプレートテクトニクスを駆動し、地球の核の流れはジオダイナモを駆動します。^{[ 19 ]}

地球物理流体力学は、物理海洋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、コリオリ効果によって、地球の流体力学に大きな影響を与えます。大気中では、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。海洋中では、大規模な循環パターンだけでなく、海面におけるケルビン波やエクマン螺旋も引き起こします。 ^{[ 29 ]}地球の核では、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。^{[ 19 ]}

磁気圏における波動やその他の現象は、磁気流体力学を用いてモデル化することができる。

地球は冷却しており、その結果生じる熱流は、地磁気ダイナモとマントル対流によるプレートテクトニクスによって地球の磁場を生成します。^{[ 30 ]}熱の主な発生源は、地球の冷却による原始熱と惑星の上部地殻の放射能です。 ^{[ 31 ]}相転移による寄与もあります。熱は主に熱対流によって地表に運ばれますが、熱が伝導によって運ばれる2つの熱境界層（核-マントル境界と岩石圏）があります。^{[ 32 ]}マントルプルームによってマントルの底から熱が上昇することもあります。地表の熱流は約4.2 × 10 ¹³ Wで、地熱エネルギーの潜在的な発生源です。^{[ 33 ]}

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、鉱物の物理的性質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、高圧相図、高圧下での融点と状態方程式、岩石のレオロジー特性、つまり流動性を研究します。岩石はクリープによる変形によって流動が可能になりますが、短時間では脆くなります。岩石の粘度は温度と圧力によって影響を受け、ひいては地殻プレートの移動速度を決定します。^{[ 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す。^{[ 34 ]}その物理的性質は水圏を形成し、水循環と気候の重要な部分となっています。その熱力学的性質は蒸発と大気中の温度勾配を決定します。多くの種類の降水には、合体、過冷却、過飽和などの複雑なプロセスが混在しています。^{[ 35 ]}降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ます。また、水の導電率により、電気的および電磁気的手法は地下水の流れを追跡するのに役立ちます。塩分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ます。^{[ 29 ]}

氷のさまざまな相が氷圏を形成し、氷床、氷河、海氷、淡水氷、雪、凍土（または永久凍土）などの形態をとる。^{[ 36 ]}

一般的に信じられていることとは異なり、地球は完全に球形ではなく、一般的には楕円形をしています。これは、地球が絶えず運動することによって生じる遠心力の結果です。^{[ 37 ]}これらの力により、地球の直径は赤道に向かって膨らみ、楕円形になります。^{[ 37 ] [ 10 ]}地球の形状は常に変化しており、氷河地殻均衡回復（大きな氷床が溶けて圧力が解放され、地殻が反発する^{[ 38 ]} ）、山脈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、地球の形状をさらに歪める可能性があります。^{[ 37 ]}

地震学、地表の熱流量、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せて、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、より深い物質の密度が高いことを示唆しています。これは、慣性モーメントが低いこと（一定密度の球の0.4 MR ²と比較して0.33 MR ²）からも示唆されます。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です。圧力の影響は、アダムス・ウィリアムソン方程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築によると、外核にはS波は存在しない。これは、液体はせん断を支えることができないため、外核が液体であることを示している。外核は液体であり、この高伝導性流体の運動が地球の磁場を生成する。しかし、地球の内核は、巨大な圧力のため固体である。^{[ 11 ]}

深部内部の地震反射の再構築により、地球の主要なゾーン（内核、外核、マントル、リソスフェア、地殻）を区切る地震波速度の大きな不連続性がいくつか示されています。マントル自体は、上部マントル、遷移帯、下部マントル、D''層に分けられます。地殻とマントルの間には、モホロビチッチ不連続面があります。^{[ 11 ]}

地球の地震モデルだけでは、層の組成は決定されません。地球の完全なモデルには、組成の観点から地震波速度を解釈するための鉱物物理学が必要です。鉱物の特性は温度に依存するため、地温勾配も決定する必要があります。これには、熱伝導と対流、および放射性元素の熱寄与に関する物理理論が必要です。地球内部の放射状構造の主なモデルは、予備参照地球モデル（PREM）です。このモデルの一部は、鉱物物理学の最近の発見（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ます。マントルは主にケイ酸塩で構成されており、マントルの層間の境界は相転移と一致しています。^{[ 8 ]}

マントルは地震波に対しては固体として振る舞うが、高圧と高温下では変形し、数百万年かけて液体のように振る舞うようになる。これがプレートテクトニクスを可能にする。

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、地球の磁場の概略的な大きさをマッピングしました。地球の磁場は、太陽に向かって地球半径の約10倍まで広がっています。荷電粒子の流れである太陽風は、地球の磁場の外側と周囲を流れ、磁気尾の後ろ、数百地球半径下流まで続きます。磁気圏の内側には、ヴァン・アレン放射線帯と呼ばれる、太陽風粒子の比較的密度の高い領域があります。^{[ 21 ]}

地球物理学的測定は一般的に特定の時間と場所で行われます。位置の正確な測定、地殻変動、重力の測定は測地学の領域です。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、国際測地地球物理学連合などの多くの科学組織は両方を包含しています。^{[ 39 ]}

絶対位置は、最も頻繁には全地球測位システム(GPS) を使用して決定されます。3 次元位置は、4 つ以上の可視衛星からのメッセージを使用して計算され、1980 測地基準系を参照します。代替手段として、光学天文学では、天文座標と局所重力ベクトルを組み合わせて測地座標を取得します。この方法は、2 つの座標での位置しか提供せず、GPS よりも使用が困難です。ただし、章動やチャンドラー揺動などの地球の運動を測定するのに役立ちます。2 つ以上の点の相対位置は、超長基線干渉法を使用して決定できます。^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

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で展開される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分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計を使用して衛星によって測定することができ、より正確なジオイドに貢献しています。^{[ 39 ]} 2002年、NASAは重力回復気候実験（GRACE）を開始しました。これは、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によって、地球の重力場の変動をマッピングするものです。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。^{[ 42 ]}

宇宙衛星のおかげで、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が可能になった。惑星は、重力と磁場という力場によって特徴づけられ、これらは地球物理学と宇宙物理学によって研究されている。

宇宙船が軌道を周回する際に経験する加速度の変化を測定することで、惑星の重力場の細かい部分をマッピングすることが可能になった。例えば、1970年代には、月周回衛星によって月の海の上空の重力場の擾乱が測定され、その結果、インブリウム、セレニタティス、クリシウム、ネクタリス、フモルム盆地の下にマスコンと呼ばれる質量の集中域が発見された。^{[ 43 ]}

地球物理学は地球の形状、ひいては惑星の周囲や内部の特徴のマッピングに関係するため、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ように処理されます。地球物理学的測定が処理され、反転されると、解釈された結果は 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ために構築され、上方継続や、 1 次垂直微分などの測定微分の計算など、多くの地球物理学的機能が組み込まれています。 ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 44 ]}多くの地球物理学企業は、地球物理学データセットの視覚化要件を満たすために、ArcGIS や GeoSoft より前に社内で地球物理学プログラムを設計しました。

探査地球物理学は応用地球物理学の一分野であり、さまざまなエネルギー、鉱物、水資源を調査することを目的として、さまざまな地震または電磁気的方法の開発と利用を伴います。^{[ 45 ]}これは、衛星、航空機、ボート、ドローン、ボアホールセンシング装置、地震受信機などのさまざまなリモートセンシングプラットフォームを使用して行われます。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、気圧測定法などのさまざまな地球物理学的方法と組み合わせて使用​​されることがよくあります。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、収集されたデータに対するプラットフォーム自体の影響を正確に考慮するために調整を行う必要があります。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、プラットフォームは、地球の磁場を通過するときに発生する可能性のある電磁電流を考慮するように調整する必要があります。^{[ 9 ]}地球の自転、地球の太陽周回、月の地球周回に伴う測定電位場強度の変化に関連する補正もあります。^{[ 9 ] [ 44 ]}

地球物理学的測定は、GPS位置とともに時系列として記録されることが多い。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た不要なノイズやエラーに対する時系列データの補正が含まれる。また、磁気データにおける日周補正などのノイズ源の低減も含まれる。^{[ 9 ] [ 44 ]}地震データ、電磁データ、重力データでは、エラー補正後に処理が継続され、計算地球物理学が含まれ、その結果、地球物理学的データの最終的な解釈が地球物理学的測定の地質学的解釈となる。^{[ 9 ] [ 44 ]}

磁気コンパスは紀元前4世紀にはすでに中国に存在していました。陸上での航海だけでなく、風水にも使われていました。良質な鋼鉄製の針が鍛造できるようになるまでは、コンパスは海上での航海には使われませんでした。それ以前は、磁気を長く保持することができず、実用的ではなかったのです。ヨーロッパでコンパスが初めて言及されたのは西暦1190年のことです。^{[ 49 ]}

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論し、地球の円周を非常に高い精度で測定した。^{[ 50 ]}彼は緯度と経度のシステムを開発した。^{[ 51 ]}

地震学への最も初期の貢献は、おそらく紀元132年に多作な発明家張衡によって発明された地震計でしょう。 ^{[ 52 ]}この装置は、龍の口からヒキガエルの口に青銅の球を落とすように設計されていました。8匹のヒキガエルのうちどれ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ました。ヨーロッパで最初の地震計の設計が発表されたのは1571年後のことで、ジャン・ド・ラ・オートフイユによるものでした。しかし、それは作られることはありませんでした。^{[ 53 ]}

17世紀には、近代科学の始まりを告げる重要な出来事が数多くありました。1600年、ウィリアム・ギルバートは『 De Magnete』 （1600年）という出版物を発表し、天然磁石（ 「磁石」と呼ばれる）と人工的に磁化された鉄の両方について一連の実験を行いました。 ^{[ 54 ]}彼の実験は、球形磁石にさらされたときに磁気的な挙動を再現する小さな方位磁針（versorium ）に関する観察につながり、水平軸を中心に回転させたときに「磁気ディップ」を経験しました。 ^{[ 54 ]}彼の発見は、地球自体が巨大な磁石であるため方位磁針が北を指すという推論につながりました。^{[ 54 ]}

1687年、アイザック・ニュートンは『プリンキピア』という著作を出版し、天文学や物理学といった現代科学分野の発展に決定的な役割を果たした。^{[ 55 ]}この中で、ニュートンは古典力学と重力の基礎を築いただけでなく、歳差運動（黄道軸に沿った星の軌道）などの様々な地球物理学的現象も説明した。^{[ 56 ]}ニュートンの重力理論は非常に大きな成功を収め、その結果、当時の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を解明することへと変化した。^{[ 55 ]}

地震活動を連続的に記録できる最初の地震計は、 1844年にジェームズ・フォーブスによって作られた。 ^{[ 53 ]}