地球物理学

地球物理学（/ ˌ dʒ iː oʊ ˈ f ɪ z ɪ k s /）は、地球とその周囲の宇宙環境の物理的プロセスと物理的特性、およびそれらの分析のための定量的方法の使用に関連する自然科学の1分野です。地球物理学者は、通常、大学院レベルで地球物理学、物理学、または地球科学のいずれかを学び、幅広い科学分野にわたって調査を完了します。地球物理学という用語は、古典的には固体地球の応用を指します：地球の形状、重力、磁場、電磁場 、内部構造と構成、プレートテクトニクスにおける地球のダイナミクスとその表面表現、マグマの生成、火山活動、岩石形成。^[3]ただし、現代の地球物理学組織と純粋科学者は、雪と氷を含む水循環、海洋と大気の流体力学を含むより広い定義を使用しています。電離層と磁気圏における電気と磁気、太陽地球物理学、および月や他の惑星に関連する類似の問題。^{[3] [4] [5] [6] [7] [8]}

地球物理学が独立した学問分野として認識されたのは 19 世紀になってからですが、その起源は古代にまで遡ります。最初の磁気コンパスは天然磁石から作られ、より現代的な磁気コンパスは航海の歴史において重要な役割を果たしました。最初の地震計は西暦 132 年に作られました。アイザック ニュートンは力学理論を潮汐と春分点歳差運動に応用し、地球の形状、密度、重力場、および水循環の構成要素を測定する機器が開発されました。20 世紀には、固体地球と海洋の遠隔探査のための地球物理学的方法が開発され、地球物理学はプレートテクトニクス理論の発展に重要な役割を果たしました。

地球物理学は、鉱物資源、自然災害の緩和、環境保護などの社会的ニーズに応用されています。^[4]探査地球物理学 では、地球物理学的調査データを使用して、潜在的な石油貯留層と鉱床を分析し、地下水の位置を特定し、考古学的遺物を発見し、氷河と土壌の厚さを決定し、環境修復のための場所を評価します。

地球物理学は高度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。地球物理学を構成するものについてより明確な考えを提供するために、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に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、地球、その流体層、磁場の物理的プロセスと特性、および他の惑星を含む 太陽系の地球近傍環境も調査します。

月と太陽の引力により、太陰日、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。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。^[9]

重力により岩石はより深い岩石を押し下げ、深さが増すにつれて密度が増します。^[10]地球の表面とその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）。^{[11]表面重力場は、}テクトニックプレート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。ジオイドは、海洋が平衡状態にあり、大陸を介して拡張できる場合（非常に狭い運河など）の地球の平均海面になります。^[12]

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介したプレートテクトニクスを通じて地球の磁場を生成する。^[13]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ある。 ^[14]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。^{[15]一部の熱は}マントルの底からマントルプルームによって上方に運ばれる。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。^[16]

地震波は、地球内部または表面に沿って伝わる振動です。^[17]地球全体も、通常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。波または通常振動による地面の動きは、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来る場合、複数の場所での測定を使用して発生源を特定できます。地震の発生場所は、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。^{[18] [19]}

制御された発生源からの地震波を記録すると、波が伝わる地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し、地質学の理解を深めるだけでなく、石油やガスの探査にも使用されます。^[11]屈折と呼ばれる移動方向の変化は、地球の深部構造を推測するために使用できます。^[19]

地震は人類に危険をもたらします。地震の種類（プレート内地震や深発地震など）に応じて発生する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進歩につながります。^[20]

電気は主に雷雨のときに感知されますが、地表近くには常に平均120ボルト/メートルの下向きの電界があります。^[21]固体の地球と比較して、惑星の大気のイオン化は銀河宇宙線がそれを貫通した結果であり、正味の正電荷を残します。^[22]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。 ^{[21]この電流は地球のほとんどの部分の}電離層から下向きに流れ、雷雨を通じ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。

地球物理学的調査では、さまざまな電気的方法が使用されています。自然電位を測定する方法もあります。自然電位とは、人為的または自然な擾乱によって地中に生じる電位です。地電流は地球と海洋を流れています。地電流の原因は2つあります。時間とともに変化する外部起源の地磁場による電磁誘導と、地球の永久磁場を横切る導体（海水など）の動きです。^[23]地電流密度の分布を使用して、地下構造物の電気抵抗率の変化を検出できます。地球物理学者は、電流を自ら提供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。暁の合唱は、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生成されます。アルヴェン波は、磁気圏または地球の核にある磁気流体力学の波です。核では、地球の磁場に観測可能な影響はほとんどないと思われますが、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。^[24]

地球物理調査に用いられる電磁気学的手法には、過渡電磁気学、磁気地磁気学、表面核磁気共鳴法、電磁海底検層法などがある。^[25]

地球の磁場は、地球を致命的な太陽風から守るとともに、長い間航海に利用されてきました。磁場は外核の流体運動に由来しています。^[24]上層大気の磁場はオーロラを生み出します。^[26]

地球の磁場は、大まかに言って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には、過去 8,300 万年間に 184 の極性間隔が含まれており、時間の経過とともに頻度が変化しており、最も最近の短時間の完全な反転は、最終氷期中の 41,000 年前に発生したラシャンプ事象です。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します。^[27]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ます。^[24]

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原動力となっている。^[28]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。^{[29]放射性元素は、地質}年代学における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 に使用されている。

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。^[30]地上および空中ガンマ分光法を使用した放射測定マッピングは、地球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、岩石学と変質のマッピングに役立ちます。^{[31] [32]}

流体運動は磁気圏、大気、海洋、マントル、核で起こる。マントルは粘性が非常に高いにもかかわらず、長い時間間隔で流体のように流れる。この流れはアイソスタシー、後氷期反発、マントルプルームなどの現象に反映されている。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する。^[24]

地球物理学的流体力学は、海洋学と気象学における主要なツールです。地球の自転は、多くの場合コリオリ効果により、地球の流体力学に大きな影響を与えます。大気では、ロスビー波などの大規模なパターンが発生し、嵐の基本的な循環パターンが決まります。海洋では、大規模な循環パターンやケルビン波、エクマン螺旋が海面で発生します。^[33]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。^[24]

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。

地震学、地温勾配、その他の情報源から地球内部の構成を推測するには、鉱物の物理的特性を理解しなければならない。鉱物物理学者は、鉱物の弾性特性、高圧状態図、高圧での融点と状態方程式、および岩石のレオロジー特性、つまり流動性を研究する。岩石はクリープによって変形し、流動を可能にするが、短時間では脆い。岩石の粘性は温度と圧力の影響を受け、その結果、地殻プレートの移動速度を決定する。^[10]

水は非常に複雑な物質であり、そのユニーク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作り、水循環と気候の重要な部分です。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。多くの種類の降水は、凝集、過冷却、過飽和などのプロセスの複雑な組み合わせを伴います。^[35]沈殿した水の一部は地下水になり、地下水の流れには浸透などの現象が含まれ、水の導電性により、電気的および電磁気的方法が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、海洋での運動に大きな影響を与えます。^[33]

氷圏は氷の多様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）などの形態をとっています。 ^[36]

一般に信じられているのとは反対に、地球は完全な球形ではなく、一般的には楕円形をしています。これは、惑星が絶え間なく運動することによって生じる遠心力の結果です。^{[37]これらの力により、惑星の直径は}赤道に向かって膨らみ、楕円形になります。^[37]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、地球の地殻が反発する^{[38] ）、}山や海溝などの地質学的特徴、プレート構造のダイナミクス、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。^[37]

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、地球内部のモデル（その組成、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、慣性モーメントが低い（0.33 MR ²、密度が一定の球体の0.4 MR ²と比較して）ことからもわかります。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。^[10]

地球深部における地震波の再構成により、外核にはS波がないことがわかった。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る。外核は液体であり、この高伝導性の流体の動き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に固体である。^[12]

深部地震反射の再構築により、地震速度におけるいくつかの大きな不連続性が示され、地球の主要なゾーン（内核、外核、マントル、リソスフェア、地殻）の境界が定められている。マントル自体は、上部マントル、遷移層、下部マントル、D′′層に分かれている。地殻とマントルの間にはモホロビチッチ不連続面がある。^[12]

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、地震波速度を構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、および放射性元素の熱寄与に関する物理理論が必要である。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、鉱物物理学の最近の知見 (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。^[10]

マントルは地震波に対しては固体として機能しますが、高圧と高温の下では変形し、数百万年かけて液体のように機能します。これにより、プレートテクトニクスが可能になります。

惑星の磁場が十分に強い場合、太陽風との相互作用により磁気圏が形成される。初期の宇宙探査機は、太陽に向かって地球半径の約10倍に広がる地球の磁場の全体的な大きさを測量した。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、磁気尾の背後、地球半径の数百倍下流まで続く。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の比較的密集した領域がある。^[26]

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、地球の変形、重力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、国際測地学地球物理学連合などの多くの科学組織が両方をカバーしています。^[39]

絶対位置は、全地球測位システム(GPS)を使用して最も頻繁に決定されます。3 次元の位置は、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 年の測地基準系を参照します。代替の光学天文学では、天文座標とローカル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提供され、GPS よりも使いにくいです。ただし、章動やチャンドラー ウォブルなどの地球の動きを測定するのに役立ちます。2 点以上の相対位置は、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、測地学の一部となった。地上での重力測定は、地表またはヘリコプターの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る。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た。海面もレーダー高度測定を使用して衛星によって測定され、より正確なジオイドに貢献している。^[39] 2002年、NASAは重力回復および気候実験（GRACE）を開始した。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し、地球の重力場の変動をマッピングするものである。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る。^[42]

宇宙の衛星は、可視光線領域だけでなく、電磁スペクトルの他の領域からのデータ収集を可能にしました。惑星は、重力と磁場という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ます。

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、惑星の重力場を詳細にマッピングすることが可能になった。例えば、1970年代には、月の海上空の重力場の乱れが月周回衛星によって測定され、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、ヒューモルム盆地の下に質量の集中部であるマスコンが発見された。^[43]

地球物理学は地球の形状、さらには地球の周囲と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、反転されると、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。 ^{[11] [44]}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 より前の時代の社内地球物理学プログラムを設計してきました。

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たさまざまな地震学的または電磁気学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、ボーリングセンシング機器、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、プラットフォーム自体が収集されたデータに及ぼす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、地球の磁場を通過するときに生成される可能性のある電磁気電流を考慮してプラットフォームを調整する必要があります。^[11]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。^{[11] [44]}

地質物理学的測定は、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もたらされる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ます。また、磁気データの日周補正など、ノイズ源の削減も含まれます。^{[11] [44]地震データ、電磁気データ、重力データでは、エラー補正後に}計算地球物理学を含む処理が継続され、最終的に地質物理学的データの解釈が地質物理学的測定の地質学的解釈になります^{[11] [44]}

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登場しました。 ^{[46] [47]}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。 ^{[48]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。

磁気コンパスは紀元前4世紀に中国に存在していた。陸上での航海だけでなく、風水にも使われていた。良質の鋼鉄の針が鍛造されるまで、コンパスは海上での航海には使われなかった。それ以前は、コンパスは磁力を長く保てず、役に立たなかった。ヨーロッパでコンパスが初めて言及されたのは1190年である。^[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測し、地球の円周を非常に正確に測定した。^[50]彼は緯度と経度のシステムを開発しました。^[51]

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が地震計を発明したことだろう。 ^[52]この器具は、青銅の球を竜の口からヒキガエルの口に落とすように設計された。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、地震の方向を判定できる。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。この地震計は結局作られなかった。^[53]

17世紀には、近代科学の始まりを告げる大きな節目がありました。1600年、ウィリアム・ギルバートは『磁石論』 (1600)という出版物を発表し、その中で彼は天然磁石( 「磁石」と呼ばれる)と人工的に磁化し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、球状の磁石にさらされたときに磁気の挙動を再現する小さなコンパスの針(ベルソリウム)に関する観察と、水平軸を中心に回転させたときに「磁気の傾斜」を経験することにつながった。 ^[54]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。^[54]

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『プリンキピア』を出版した。^{[55]この著書で、ニュートンは}古典力学と万有引力の基礎を築き、また、春分点歳差運動（黄道軸に沿った恒星全体の軌道）などのさまざまな地球物理学的現象を説明した。^[56]ニュートンの万有引力理論は大きな成功を収め、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。^[55]

最初の地震計は、地震活動を継続的に記録できる機器であり、1844年にジェームズ・フォーブスによって製作されました。 ^[53]

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