地球の内核にはもう一つの核が隠されているのでしょうか?

地球はすべての生物の共通の住処であり、地球の内部構造を深く理解することは人類にとって非常に重要です。地球の構造図を見たことがある人は多いと思います。地球は主に、最外殻、マントルの主要部分、核部分の外核と内核の4つの部分から構成されています。

しかし、2023年2月にオーストラリア国立大学が発表した研究によると、地球の内核には厚さ約650キロメートルの最も内側の球体も含まれている可能性があることがわかりました。それで、研究者たちはこの隠された構造をどうやって発見したのでしょうか?

地球の構造を探る方法

まず第一に、科学者が地球の内部構造をどのように検出するかを知る必要があります。

地震のシナリオを想像してみましょう。地震が発生すると、人々は通常、地面が「揺れる」のを感じますが、これは実際には地震波の伝播によって引き起こされる影響です。これらのいわゆる「地震波」を記録したい場合は、地震計を使用する必要があります。

地震計が記録するのは、さまざまな変動を示す曲線であり、これを地震記録と呼ぶことができます。このような曲線は、実際には多くの情報を伝えてくれます。たとえば、表示される地震波の振幅と密度を通じて、波の種類と、異なる種類の波の到達時間差を分析できます。地震波の最大振幅と周期を使用して地震の規模を計算することもできます。

さらに、同じ地震を同時に観測する観測所が 2 つ以上ある場合は、2 つの観測所で受信された地震波の実際の時間差から地震の位置と震源の深さを計算することもできます。

しかし、地震波でそれしか読み取れないのであれば、どうやって地球の深部構造を探知できるのでしょうか?実は、地震波にも「変換」という性質があるのです。地球の内部は均質ではないため、媒体が異なると地震波の特性や挙動が変化する可能性があり、これを「変遷」と呼びます。一般的に、地震波の速度は地表からの深さとともに増加します。地震波の速度が急激に遅くなったり、偏向などの異常現象が見られたりした場合は、地震波が伝わる途中で媒質が変化した変異帯に遭遇した可能性があると考えられます。実際、これは科学者が地球深部におけるさまざまな地層状態を継続的に発見するための理論的根拠となっています。

核の核

問題は、内核が非常に小さく、地球の体積の 1% 未満を占めていることです。このような小さな体積を研究するには、研究者は地震が発生した地球の反対側、またはその近くに地震計を設置する必要がある。

この場合、地震波は地表から始まり、マントル、外核、内核、外核、マントルを順に通過し、最終的に地球の反対側の地表に到達します。この波はPKIKP波と呼ばれます。 PKIKP 波の伝播時間と振幅は、空間分布特性を推測するための主な短周期ツールとなっています。

内核（IMIC）の最内層をより詳しく調査するために、この新しい研究で研究者らは、複合PKIKP法というまったく新しい地震学的手法を実証しました。

この方法についてさらに学ぶ前に、まず地震波について詳しく学びましょう。地震波は、波の性質に応じて、主に実体波、表面波、コーダ波の 3 種類に分けられます。実体波は物体内を伝わる波であり、P波（縦波）とS波（横波）の2種類に分けられます。 P 波は固体と液体を伝搬できますが、S 波は固体のみを伝搬できるため、P 波だけが核に到達します。

P 波が地震の震源に対応する対蹠点に到達した後、地面で反射されて反射波が発生することがあります。複数の反射波を生成する場合は、適切な反射インターフェースを見つける必要があります。一般的な反射界面の反射係数は小さいため、単一の反射波の強度は非常に弱く、複数回の反射後の波のエネルギーはさらに弱くなり、ノイズとの区別が困難になるのが一般的です。反射係数が大きい反射界面（不整合面など）で発生する多重反射のみが、強い多重波を形成できます。これが複合 PKIKP 方式の応用基盤です。

この図（下）では、右側の大きな円の中にある黄色い五芒星が信号源で、小さな青い三角形が信号受信機です。青い線は、信号が最初に受信された地震波の経路を表し、オレンジ色の線は、信号が2回目に受信された地震波の経路を表します。

研究者たちは、これらの往復する波を通して、隠された核をどのように明らかにしたのでしょうか?ここでの鍵となるのは、先ほど述べた「変革」です。

研究者たちは、地震波は外核と内核の最内層で著しく異なる異方性を持つことを発見した。この図から、外核と内核の最内層では、地震波の最も速い伝播方向が地球の自転軸と平行であることがわかります。しかし、最も遅い伝播方向は明らかに異なります。つまり、最も内側の核を通過する波の減速の方向は、外核を通過する波の減速の方向とは異なります。

最後に、内核の2つの異方性から、研究者たちは地球の内核にはさらに小さな核が存在すると考えています。

新しい研究の影響と重要性

この研究は、地震データを使用して地球深部の構造を検出する新しい方法を提供します。既存のデータを再スクリーニングして分析することで、新たな洞察が得られるかもしれません。

将来的には、内核の最内層と外核の間の変化のプロセスが、過去の地球上の主要な出来事の化石記録として機能するかどうかなど、考える価値のある疑問がまだたくさんあります。深層検出を行うためのより良い方法はありますか?カーネルの最内層内には分割可能な内部構造がありますか?

画像はDrew Whitehouse、Son Phạm、Hrvoje Tkalčicによるものです。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: シャオロン

査読者: 任 イェ (上海地震局 上級エンジニア)

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司