高等学校理科/地学基礎/惑星としての地球

太陽系の中の地球編集

(※ 未記述)

地球の形と大きさ編集

 
エラトステネスの考え

地球はいつから球形であると考えられていたのだろうか。ギリシアのアリストテレスは、月食のときの地球の影の形から地球が球形であると考えていた。紀元前230年ごろにアレキサンドリアの南のシエネ(現在のアスワン)では、夏至の日の正午に深い井戸の底まで太陽の光が届くのをエラトステネスが知り、同じ時刻の夏至の日のアレキサンドリアでは鉛直に立てた棒に影ができて太陽が頭上より約7.2°傾いている(つまり太陽高度 82.8°)のを知り、アレキサンドリアとシエネの距離は5000スタジア(925km)であるので、このことから、

7.2:5000 = 360 : x

として、解の x=250000スタジア から、地球の半径を7361kmと算出した。実際の半径は、6371kmであり、当時とすれば妥当な結果であろう。


扁平率編集

 
地球楕円体。 図は、実際の扁平率よりも大きく誇張して書いてある。

地球の形は、赤道付近がやや膨らんだ回転楕円体(かいてん だえんたい)である。これを 地球楕円体(ちきゅう だえんたい) という。楕円の「楕」の字が難しいので、教科書によっては「地球だ円体」と書いている場合もある。

1671年〜1672年、フランスの天文学者リシェは、ギアナでは、フランスで調整した振り子時計が1日に約2分30秒おくれることに気付いた。振り子は重力によって振動している事が分かっていて、重力が小さいほど振り子が遅くなることが分かっていたので、ニュートンは振り子の遅れの原因として、地球の形は遠心力によって赤道方向がふくらんだ形になっていると考えられた。(オレンジ型)

これに対し、パリ天文台のカッシーニなどのフランスの学者などが、地球は極方向(つまり南北方向)にふくらんでいると考えていた。(レモン型)

そこでフランス学士院は、スカンジナビア半島とペルーに調査団を派遣し、緯度差1度に対する子午線の長さを測定した結果、極付近の方が緯度1度に対する弧が長いことが証明され、ニュートンの説が正しいことが証明された。

緯度と緯度1°あたりの弧長は

ラップランド(北フィンランド): 緯度66°22′N、弧長 111992 m
フランス:45°N、111162 m
エクアドル:1°31′N、110657 m

であった。 これより、ニュートンの仮説(オレンジ型)が正しいことになり、 地球の大きさは、

  • 赤道半径(a)=6378km
  • 極半径(b)=6357km

となり、よって 扁平率(へんぺいりつ) は (赤道半径 ー 極半径)/(赤道半径) =(a-b)/a1/298となる。

扁平率は非常に小く、実用上は地球を球形とみなして問題ない。

重力編集

 
地球における、引力と重力と遠心力の関係。

すべての物体どうしには、おたがいに引きよせ合う力があり、これを万有引力(ばんゆう いんりょく)という。

  (N)

で表される。(※ 物理IIの範囲なので、低学年の生徒は、まだ、この式を覚えなくて良い。) Mとmは2つの物体の質量。距離をrとしている。Gは万有引力定数であり、G=6.67×10^-11 m3/(kg・s2) である。

単に引力という場合も多い。 物体が大きいほど、引き寄せあう力が大きくなる。私たちが地上で感じる下方向への引力は、地球によって引き寄せられる引力である。

  • (地球の)引力 地球の重心に向かう力。
  • 遠心力 地球の自転による遠心力が働いている。遠心力の方向は地軸に垂直な方向である。自転軸である地軸からの距離が大きいほど、遠心力も大きい。よって遠心力は、赤道で最大。両極で0。
  • 重力 引力と遠心力の合力。両極で最大となり、赤道で最小となる。重力を W とすると、式は質量mによって、 W=mg で表される。比例定数 g を重力加速度といい、大きさはほぼ 9.8 m/s2 である。よって、質量1kgの物体あたり、9.8Nの重力が掛かっている。

地球の構造編集

地球内部の層構造編集

 
走時曲線 と モホ面 との関係。

地震波の観測によって、地球内部での地震波の伝わる速度が分かる。地震波の速度の解析から、地下の深さ30km〜60kmあたりで、地震波の速度が急激に変化する深さがあることが発見された。これは、地殻とマントルとの境界である。この境界面をモホロビチッチ不連続面モホ面)(英:Mohorovičić discontinuity)という。モホ面より上が地殻(ちかく、crust)である。モホ面より下をマントル(mantle)としている。

地震波が観測地点に到達するまでの時間を走時(そうじ)という。 横軸に震央からの距離を取り、縦軸に走時を取ってグラフにしたものを走時曲線(そうじきょくせん)という。


 
地殻の構造

地殻の厚さは、大陸の地殻と海洋下の地殻とでは、厚さが大きく違う。 一般に大陸地殻は厚さ 30km〜60km であり、海洋地殻は厚さ 5km〜10km である。

地球の半径は 約6400km であるので、地球半径と比べると、地殻は、とてもうすい。

大陸下の地殻を大陸地殻(たいりく ちかく、continental crust)という。海洋下の地殻を海洋地殻(かいよう ちかく、oceanic crust)という。

大陸地殻の上部は花こう岩質であり、大陸地殻の下部は、玄武岩(げんぶがん)質である。この上部地殻と下部地殻の境界をコンラッド不連続面という。

海洋地殻は、ほとんど玄武岩質である。

地殻より下に、地殻よりも密度の大きい固体のマントルがあり、深さ2900kmほどまでマントルが続いている。 2900kmより深いあたりが核(かく)である。核は2層に分けられ、外側が液体であり外核(がいかく)といい、内側が固体であり内核(ないかく)という。

発展: アイソスタシー編集

 
2次元モデルで示したアイソスタシーの説明図。比重の大きいマントルの上に、比重の小さい地殻が浮かんでいる。
1: 山岳、2: 高地、3: 普通の大陸、4: 大洋底、5: 海洋面、6: 地殻、7: マントル

水には、木などの密度の低い物質が浮かぶ。さて、マントルの密度と比べて、地殻の密度は小さい。よって地殻はマントルの上に浮かぶような浮力を受けていると見なせる。たとえば、海中に氷山が浮かぶようなものである。

さてマントルに浮かぶ地殻について、ある地点の付近での、地殻が安定するためには、力学的に直感的に考えれば、標高の高い地殻は、そのぶん浮力も多く必要なので、地下深くにまで地殻が続いている必要がある。

このような地殻とマントルの、浮力と重力の釣り合いを、アイソスタシー(isostacy)という。

ある一定深さでは、その地点付近では、ある面にかかる圧力は同じである。

このように地殻が地下まで続いているため、ブーゲー異常については、山などの高い地形がある場所では、アイソスタシーによって地下に密度の低い地殻があるため、山の付近ではブーゲー異常が負になるのが一般である。


ヨーロッパにあるスカンジナビア半島では、少しづつ、土地が上昇している。これは、氷期の、氷河が地殻に乗っていた時代に、アイソスタシーが成立していたため、氷期が終わり、アイソスタシーのつりあいが無くなったため、地面が上昇して、釣り合おうとしている最中だと考えられている。

発展: シャドーゾーン編集

 
地震のシャドーゾーン(アメリカ地質調査所USGSの作成)

走時曲線を分析してみると、震央距離を地球中心からの角度で表した場合(これを角距離(かくきょり)という)、角103°から 先の領域にはS波が伝わらない。この領域を「S波のシャドーゾーン」と言う。また震央距離の角103°から角143°にあたる地域はP波が直接伝わらない。これを「P波のシャドーゾーン」という。結局、角距離103°〜143°にあたる地域ではP波もS波も伝わらない。このような、地震波の伝わらない地域をシャドーゾーンという。シャドーゾーンのできる理由は、深さ2900kmのあたりで地下の構成物質が変わるため、P波の速度が急に遅くなり、よって物理でいう「波の屈折の法則」により、地震波が地表の方向へと屈折するためである。


 
地球の内部構造

この深さ2900kmあたりから、地球内部に向けて存在している物質を(かく、英:core コア)という。核の存在は、グーテンベルクによって、1926年に発見された。

復習として、モホロビッチ不連続面は地殻とマントルとの不連続面であることを指摘しておく。

核は、さらに内核と外核に分けられる。これは、P波の速さが5100kmに相当する場所で不連続になるからである。

また、外核はS波が伝わらないことから、外核は液体であると考えられている。内核は、P波が速くなることから、固体であると考えられている。

S波は横波であるので、固体にしか伝わることができない。(水面などの表面波は、横波ではなく、べつの機構の波である。) P波は、固体・液体・気体中を伝わる。固い物質ほど、地震波が速く伝わる。

マグマオーシャンから分離した鉄が地球中心部に核を形成したが,時代を経るにつれて冷え,鉄が固体となって中心部に沈み,内核を形成した。


発展: 地中の温度編集

(※ この節であつかう地球の中心部の温度の調べ方については、おもに地学II(専門地学)の範囲。低学年は、まだ深入りしなくて良い。まだ、物理で熱力学も習ってないだろうし、ここよりも物理を優先してもらいたい。)

地球に火山活動があることからも分かるように、地中の内部には、高温・高エネルギーの物体がある。

地中の温度は、深くなるほど、温度が上昇する。地表から約 30km までの地殻内では、 100m の深さにつき、約 2℃〜3℃ 、温度が上昇する。

なお、この温度上昇の割合を地下増温率(ちか ぞうおんりつ)という。

地球の中心部の温度は、さまざまな理論から推定される結果によると、 4000℃〜5000℃ の高温であるが、推定値であり、直接の観測は出来ていない。

この熱源のひとつは、ウランやトリウムなどの放射性同位体の原子が壊れるときに発生する熱である。 もう一つの熱源は、地球の原始の時代に、地球ができるときに小惑星などとの衝突で発生した熱であり、まだ地中にその熱が、たまっている。

参考文献編集

  • 文部省検定済教科書「高等学校地学I」松田時彦、山崎貞治:編 啓林館
  • マーク式基礎問題集27 地学I 安藤雅彦:著 河合出版
  • 新ひとりで学べる地学I 清水書院
  • 実況中継地学Ⅰ 安藤雅彦:著 語学春秋社