地球の内部核

科学者が地球内部の物理的特性について得る測定値のほぼすべては、そこを通過する地震波によるものです。最も多くの情報を提供する地震波は、 地表から30km以上下（マントルが比較的均質な場所）で発生し、世界中の地震計によって地表に到達する際に記録されます。

地震波には、 固体や液体を伝播できる「P波」（一次波または圧力波）と、剛性のある弾性固体のみを伝播できる「S波」（二次波またはせん断波）があります。これら2つの波は速度が異なり、同じ物質を伝播する際に減衰率も異なります。

特に注目すべきは、いわゆる「PKiKP」波である。これは、地表付近で発生し、マントルと核の境界を横切り、核（K）を伝播し、内核境界（i）で反射され、再び液体核（K）を横切り、マントルに戻り、地表で圧力波（P）として検出される圧力波（P）である。また、内核（I）を伝播し、その表面（i）で反射されない「PKIKP」波も注目に値する。これらの信号は、発生源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発生源の真上にあり、透過PKIKP波の場合は発生源の反対側にある場合に解釈しやすい。^{[ 21 ]}

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ないが、P波は内核と外核の境界に斜めに衝突するとS波に変換され、またその逆も起こる。「PKJKP」波はPKIKP波に似ているが、内核に入るとS波に変換され、内核内をS波（J）として伝播し、内核から出ると再びP波に変換される。この現象のおかげで、内核はS波を伝播できることがわかっており、したがって固体でなければならない。

内核に関するその他の情報源としては、

• 地球の磁場。これは主に外核内の流体と電流によって生成されると考えられているが、これらの電流は固体の内核の存在とそこから流れ出る熱によって大きく影響を受ける。（内核は鉄でできているが、キュリー温度以上であるため強磁性体ではない。）
• 地球の質量、重力場、角慣性。これらはすべて、内部層の密度と寸法によって影響を受ける。^{[ 22 ]}
• 地球全体の振動の固有振動数とモードは、大地震が惑星を鐘のように「鳴らす」ときに発生します。これらの振動は、内部層の密度、サイズ、形状にも大きく依存します。^{[ 23 ]}

 核内部のS波速度は、 中心部で約3.7 km/s、 表面で約3.5 km/sと滑らかに変化する。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、外核直上の深部マントルの速度（約7.3  km/s）の半分以下である。^{[ 6 ]：図2}

核内部におけるP波の速度も、中心部 で約11.4 km/s 、 表面で約11.1 km/sと、核内部を滑らかに変化します。その後、核内部と核外縁の境界で速度は急激に低下し、約10.4 km/  sになります。^{[ 6 ]：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^{[ 6 ]} 、これは地球の半径の約19%、月の半径の70%に相当する。

その体積は約76 億立方キロメートル（7.6 × ^10¹⁸ m³ ^）で、地球全体の体積の約1/146（0.69％）に相当する。

その形状は、地球の表面のような回転楕円体に近いと考えられているが、より球形に近い。扁平率 f は 1/400 ～ 1/416と推定され^{ている [ 22} ] : f.2は、地球の自転軸^に沿っ^た半径^が赤道での半径より約 3 km 短いことを意味する。これに対し、地球全体の扁平率は 1/300 に近く、極半径は赤道半径より 21 km 短い。  

地球の内核の圧力は、外核と内核の境界の圧力よりもわずかに高く、約330～360ギガパスカル（3,300,000～3,600,000気圧）の範囲です。^{[ 6 ] [ 24 ] [ 25 ]} 

内核表面での重力加速度は4.3  m/s ^{2と計算され[ 26 ]}、これは地球表面の値(9.8  m/s ² )の半分以下である。

内核の密度は、中心部で約 13.0  kg/L (= g/cm ³ = t /m ³  ) から表面で約 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、表面では密度が急激に低下します。内核のすぐ上の液体は、約 12.1  kg/L と、かなり密度が低いと考えられています。^{[ 6 ]} 比較のために、地球の上部 100 km の平均密度は約 3.4  kg/L です。

その密度から、内核の質量は約10²³kg^となり、これは地球全体の質量の1/60（1.7％）に相当する。

内核の温度は、内核境界における鉄の圧力（約 330 GPa）での不純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。^{[ 6 ]}しかし、2013 年に S. Anzellini らは、鉄の融点として、6,230 ± 500 K (5,957 ± 500 °C; 10,754 ± 900 °F)という、実験的にかなり高い温度を得た。^{[ 27 ]}                  

鉄がそのような高温で固体でいられるのは、その圧力の大きさ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）。^{[ 28 ] [ 29 ]}

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倍であると判断した。彼は、月と太陽が地表の海洋と同様に液体の外核にも潮汐を引き起こすという既知の事実から出発した。彼は、液体が局所的な磁場を通過する際に電流が発生し、オームの法則に従って熱としてエネルギーが散逸することを観察した。この散逸は、潮汐運動を減衰させ、以前に検出された地球の章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。^{[ 30 ]}内核内部の磁場はおそらく同様の強度である。間接的な測定ではあるが、この測定は地球の進化や核の組成に関するいかなる仮定にも大きく依存しない。   

地震波は核を固体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な）緩やかな対流があるかどうかを検討している。これは、地震研究で検出された異方性の説明となる可能性がある。2009年、B.  Buffettは内核の粘性を10 ¹⁸ Pa・sと推定した^{[ 31 ]} 。これは水の粘性の10の垓倍であり、ピッチの10億倍以上である。 

1983年、G.  Poupinetらは、PKIKP波（ 内核を伝わるP波）の伝播時間が 、赤道面上の直線経路よりも南北方向の直線経路の方が約2秒短いことを観測した。^{[ 35 ]}地球の極での扁平化（地球全体で約0.33%、内核で約0.25%）や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）が南北方向ではそれに垂直な方向よりも約1%速く内核を伝わることを示唆している。^{[ 36 ]}

このP 波速度の異方性は、より多くの地震データ^{[ 21 ]}や地球全体の自由振動の研究^{[ 23 ]}を含む後の研究によって確認されています。一部の著者は、差の値が最大4.8%と高いと主張していますが、2017年にDaniel FrostとBarbara Romanowiczは、その値が0.5%から1.5%の間であることを確認しました^{[ 37 ] 。}

一部の著者らは、少なくとも内核のいくつかの領域では、P 波の速度は南北軸に斜めまたは垂直な方向で速いと主張している。^{[ 38 ]}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、最大速度の方向は決定できる限り地球の自転軸に近い方向であると主張している。^{[ 39 ]}

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ており、1つの「速い」軸と2つの等しく「遅い」軸が存在する。コア内の結晶が南北方向に整列する傾向があることが、観測された地震異常の原因である可能性がある。^{[ 21 ]}

このような部分的な整列を引き起こす可能性のある現象の一つは、赤道から極方向、あるいはその逆方向への内核内部の緩やかな流れ（「クリープ」）である。この流れによって結晶は流れの方向に応じて部分的に再配向する。1996年、 吉田らは、このような流れは極緯度よりも赤道での凍結速度が速いことによって引き起こされる可能性があると提唱した。すると、赤道から極への流れが内核内に発生し、その表面のアイソスタシー平衡を回復する傾向がある。^{[ 40 ] [ 33 ]}

他の研究者たちは、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。T.  Yukutakeは1998年に、そのような対流運動は起こりそうにないと主張した。^{[ 41 ]}しかし、B.  Buffetは2009年に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り得たことを発見した。^{[ 31 ]}

一方、M.  Bergmanは1997年に、異方性は鉄結晶の結晶軸が冷却熱流の方向と一致すると成長が速くなるという観察された傾向によるものだと提唱した。そのため、彼は内核からの熱流は半径方向に偏っていると提唱した。^{[ 42 ]}

1998年、S.  Karatoは磁場の変化が時間の経過とともに内核をゆっくりと変形させる可能性もあると提唱した。^{[ 43 ]}

2002年、M.  IshiiとA.  Dziewońskiは、固体の内核には、周囲のシェルとはやや異なる特性を持つ「最内核」（IMIC）が存在するという証拠を提示した。2019年現在、その差異の性質とIMICの半径はまだ解決されておらず、後者については300  kmから750  kmまでの範囲で提案されている。^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 39 ]}

A.  WangとX.  Songは2018年に、半径約500 kmの「内核」（IIC） 、厚さ 約600 kmの「外核」（OIC）層、厚さ100 kmの等方性シェルからなる3層モデルを提案した。このモデルでは、「より速いP波」の方向はOICでは地球の軸に平行だが、IICではその軸に垂直になる。^{[ 38 ]}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議を唱えられている。^{[ 39 ]}   

2023年に発表された研究では、「異方性的に特徴的な最も内側の核」、つまり厚さ約650kmの最内側の球体と、「過去の重大な地球規模の出来事の化石化した記録である可能性のある、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。彼らは、IICの原子は外層とはわずかに異なる方法で充填されているため、地震波が周囲の核とは異なる速度でIICを通過する（地球の自転軸から約50°の方向ではP波の速度が約4%遅くなる）と示唆している。^{[ 47 ]}

1997年、 田中S.と 浜口H.は地震デ​​ータに基づき、内核物質の異方性は南北方向に配向しているものの、内核の「東」半球（東経約110度、ボルネオ島 付近）の方が「西」半球（西経約70度、コロンビア付近）よりも顕著であると主張した。^{[ 48 ]：図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だと提唱した。^{[ 49 ]} 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。^{[ 50 ]}

しかし、2017年にフロストとロマノヴィッチは、これらの以前の推論に異議を唱え、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わずか0.5%から1.5%速いだけで、東西方向の変動の明確な兆候はないと主張した。^{[ 37 ]}

他の研究者たちは、内核表面の特性はわずか1kmの距離でも場所によって変化すると主張している 。内核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（この結論は磁場観測によって確実に裏付けられている）、この変化は驚くべきことである。

内核の年齢を推定する方法の 1 つは、核とマントルの境界での熱流束の最小値によって制約される地球の冷却をモデル化することです。この推定は、地球の磁場は主に核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、それら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ます。現在の核とマントルの境界での熱流束は、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の速度に関連しているため、信頼性高く推定できます。^{[ 71 ] [ 60 ]}

2001年、S. Labrosseらは、核に放射性元素 がないと仮定して、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）よりもかなり短い。 ^{[ 60 ]} 2003年、同じグループは、核に相当量の放射性元素が含まれている場合、内核の年齢は数億年古い可能性があると結論付けた。^{[ 61 ]}  

2012年、M.  Pozzoらによる理論計算では、鉄やその他の仮説上の核物質の電気伝導率は、そこで予想される高圧と高温下では、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。^{[ 72 ]}これらの予測は、2013年にGomiらによる測定によって確認されました。^{[ 73 ]}電気伝導率の値が高くなったことで、熱伝導率の推定値は90 W/m·Kに増加し、その結果、核の年齢の推定値は7億年 未満に低下しました。 ^{[ 64 ] [ 66 ]} 

しかし、2016年にコノプコヴァらは内核条件下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た。これらの値を用いて、彼らは内核の年齢の 上限を42億年と推定し、古地磁気学的証拠と整合させた。 ^{[ 67 ]} 

2014年、ドリスコルとベルコヴィチは、⁴⁰の崩壊による3TWの放射性加熱を想定することで、いわゆるマントル熱破局と新核パラドックスを回避する地球の熱史を発表した。 核におけるKの存在量。核におけるKのこのような高濃度は実験的な分配研究によって裏付けられていないため、このような熱履歴は依然として非常に議論の余地がある。 ^{[ 63 ]}

地球の年齢を推定するもう1つの方法は、さまざまな時期に形成された岩石に記録されている地球の歴史中の磁場の変化（「古地磁気記録」）を分析することです。固体の内核の存在または非存在は、核内で異なる動的プロセスを引き起こし、磁場の顕著な変化につながる可能性があります。^{[ 74 ]}

2011年、スミルノフらは、新始生代（28億～25 億年前）と原生代（25億～5 億4100万年前）に形成された岩石の大規模なサンプルにおける古地磁気の分析を発表した。彼らは、新始生代には地磁気場がそれ以降よりも磁気双極子に近いことを発見した。彼らは、この変化を、その時代にはダイナモ効果が核のより深いところに存在していたのに対し、後の時代には核とマントルの境界に近い電流の重要性が増した証拠であると解釈した。彼らはさらに、この変化は35億年前から20億 年前の間に固体の内核が成長したことによる可能性があると推測している。^{[ 62 ]}

2015年、ビギンらは、広範囲にわたる慎重に選ばれた先カンブリア時代のサンプルの分析を発表し、約10億～15億年前に地球の磁場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、十分な信頼性の高い測定値がなかったため、これまで気づかれていなかった。彼らは、この変化は地球の固体内核の誕生によるものかもしれないと推測した。彼らは、年代推定から外核の熱伝導率について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。^{[ 65 ]}

2016年、P. Driscollは、 0.0～2.0 Gaの古地磁気進化を詳細に予測する数値進化ダイナモモデルを発表した。進化ダイナモモデルは、DriscollとBercovici（2014）の熱履歴解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の主に双極強磁場ダイナモ、0.6～1.0 Gaの非軸双極弱磁場ダイナモ、および0.0～0.6 Gaの内核核形成後の主に双極強磁場ダイナモを予測した。 ^{[ 75 ]}    

2019 年に Bono 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、その時期の地磁気の強度が異常に低く、方向が 2 つに分かれていることが明らかになり、Driscoll (2016) の予測を裏付けています。その時期の地磁気反転の頻度が高いという他の証拠を考慮すると、これらの異常は、その時点で 5 億年前の内核の形成開始によるものかもしれないと推測しています。^{[ 68 ]} P. Driscoll によるニュースと見解では、Bono の結果を受けてこの分野の現状がまとめられています。^{[ 76 ]}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です。^{[ 77 ] [ 78 ]}