地球の核は後退している

地球の奥深くには、謎に包まれた大きなコマの中で回転するコマのように、自転する地球とは独立して回転する固体の金属球があります。

この内核は、1936年にデンマークの地震学者インゲ・レーマンによって発見されて以来、研究者の興味をそそり続けており、その動き（回転速度と方向）は数十年にわたる議論の中心となっている。近年、内核の回転が劇的に変化したことを示す証拠が増えているが、科学者の間では、正確に何が起きているのか、そしてそれが何を意味するのか、意見が分かれている。

問題の一部は、地球の深部を直接観察したりサンプルを採取したりすることが不可能なことである。地震学者は、この地域で発生した大地震の波がどのように振る舞うかを調べることで、内核の動きに関する情報を集めてきた。異なる時期に核を通過した同様の強さの波間の変動により、科学者は内核の位置の変化を測定し、その回転を計算することができた。

「内核の差動回転は1970年代と80年代に現象として提唱されていたが、地震学的証拠が発表されたのは90年代に入ってからだった」とオーストラリアのジェームズ・クック大学の物理科学上級講師、ローレン・ワゼック博士は語った。

しかし研究者たちは、これらの発見をどう解釈するかについて議論した。「主な理由は、内核が遠く離れており、利用できるデータが限られているため、内核を詳細に観察することが難しいためです」とワゼック氏は述べた。その結果、「その後数年、数十年にわたって行われた研究では、自転速度、そしてマントルに対する方向について意見が一致していません」と彼女は付け加えた。分析の中には、内核はまったく回転していないとするものもあった。

2023年に提案された有望なモデルの1つは、過去には地球よりも速く回転していたが、現在はより遅く回転している内核を描写している。科学者らは、しばらくの間、内核の回転は地球の自転と一致していたと報告している。その後、内核は周囲の流体層に対して後方に移動するほどにさらに遅くなった。

当時、一部の専門家は、この結論を裏付けるにはさらなるデータが必要だと警告していたが、現在、別の科学者チームが、内核の回転速度に関するこの仮説を裏付ける説得力のある新たな証拠を提示している。6月12日にネイチャー誌に掲載された研究は、コアの減速を確認するだけでなく、このコアの減速が数十年にわたる減速と加速のパターンの一部であるという2023年の提案を裏付けている。

南カリフォルニア大学ドーンサイフ文学部地球科学学部の学部長教授で研究の共著者であるジョン・ヴィデール博士は、新たな発見により、自転速度の変化が70年周期で続いていることも確認されたと述べた。

「私たちはこのことについて20年間議論してきましたが、今回の発表はまさにその答えだと思います」とビダーレ氏は言う。「内核が動くかどうか、そして過去20年間のそのパターンはどのようなものだったかという議論はこれで終わったと思います。」

しかし、この問題が解決したと誰もが確信しているわけではなく、内核の減速が地球にどのような影響を与えるかは依然として未解決の問題だ。ただし、地球の磁場が影響している可能性があると言う専門家もいる。

磁気の引力

地球の約 3,220 マイル (5,180 キロメートル) の深さに埋もれている固体金属の内核は、液体金属の外核に囲まれています。内核は主に鉄とニッケルでできており、太陽の表面と同じくらい高温 (華氏約 9,800 度 (摂氏約 5,400 度)) であると推定されています。

地球の磁場はこの熱い金属の固体球を引っ張り、回転させる。同時に、流体の外核とマントルの重力と流れが核を引きずる。数十年にわたって、これらの力の押し引きにより、核の回転速度に変化が生じるとビダール氏は述べた。

外核内の金属を豊富に含む流体の揺れによって電流が発生し、地球の磁場を動かし、地球を致命的な太陽放射から守っている。内核が磁場に直接どのような影響を与えるかは不明だが、科学者らは2023年に、回転速度が遅い核が磁場に影響を与え、一日の長さをわずかに短くする可能性があると報告していた。

科学者が地球全体を「見通す」ことを試みるとき、彼らは通常、圧力波（P波）と剪断波（S波）の2種類の地震波を追跡します。米国地質調査所によると、P波はあらゆる種類の物質を通過しますが、S波は固体または非常に粘性の高い液体のみを通過します。

地震学者は 1880 年代に、地震によって発生した S 波が地球全体を貫通しないことに気づき、地球の核は溶融していると結論付けました。しかし、一部の P 波は地球の核を貫通した後、予期しない場所 (レーマンが「影の領域」と呼んだ場所) に現れ、説明のつかない異常現象を生み出しました。レーマンは、1929 年にニュージーランドで発生した大地震のデータを基に、気まぐれな P 波が液体の外核内の固体の内核と相互作用している可能性があると初めて示唆しました。

2023年の研究の著者らは、1964年以降、同様の経路で地球の内核を通過した地震の地震波を追跡し、自転が70年周期で変化していることを発見した。1970年代まで、内核は地球よりも少し速く自転していた。2008年ごろに自転速度が遅くなり、2008年から2023年にかけてはマントルに対してわずかに逆方向に動き始めた。

将来のコアスピン

新たな研究で、ビダーレ氏と共著者らは、異なる時期に同じ場所で発生した地震によって生じた地震波を観測した。彼らは、南米最南端の東、大西洋に浮かぶ火山島群であるサウスサンドウィッチ諸島で、1991年から2023年の間に発生した同様の地震の例を121件発見した。研究者らは、1971年から1974年の間に行われた旧ソ連の核実験による核を貫通する衝撃波も調べた。

ヴィデール氏によると、コアが回転すると、地震波の到達時間に影響が出るという。地震信号がコアに当たったタイミングを比較すると、コアの回転が時間とともに変化していることが明らかになり、70年周期の回転であることが確認された。研究者の計算によると、コアはまもなく再び加速を始めるところだという。

コアの他の地震学研究では、発生時期に関係なく、コアを通過する個々の地震を測定するが、地震のペアのみを使用すると、使用可能なデータの量が少なくなり、「この方法はより困難になる」とワゼック氏は述べた。しかし、そうすることで、科学者はコアの回転の変化をより正確に測定できるようになったとヴィダーレ氏は述べた。同氏のチームのモデルが正しければ、コアの回転は約 5 年から 10 年で再び加速し始めるだろう。

地震計はまた、70年周期でコアの回転速度が遅くなったり速くなったりすることを明らかにした。「これには説明が必要だ」とビダール氏は述べた。一つの可能性は、金属の内核が予想ほど固くないということだ。回転中に変形すると、回転速度の対称性に影響する可能性があると同氏は述べた。

研究チームの計算では、コアは前進と後進で回転速度が異なることも示されており、これは「議論に興味深い貢献」となるとワゼック氏は述べた。

しかし、内核の深さとアクセスのしにくさから、不確実性は残るとワゼック氏は付け加えた。核の回転に関する議論が本当に終わったかどうかについては、「さらに調査するには、より多くのデータと改良された学際的なツールが必要です」とワゼック氏は述べた。

「可能性に満ちている」

ヴィダール氏によると、核の回転の変化は追跡や測定はできるものの、地上の人間にはほとんど感知できないという。核の回転が遅くなると、マントルの速度が上がる。この変化により地球の自転速度が上がり、一日の長さが短くなる。しかし、このような自転の変化は一日の長さに換算すると、わずか千分の一秒に過ぎない、と同氏は言う。

「人の生涯に及ぼす影響という点では？」と彼は言った。「大した意味があるとは思えません。」

科学者たちは、地球の深部がどのように形成され、地球の地下層全体で活動がどのようにつながっているかを知るために内核を研究している。液体の外核が固体の内核を包んでいる神秘的な領域は特に興味深いとビダール氏は付け加えた。液体と固体が出会う場所であるこの境界は、核マントル境界やマントルと地殻の境界と同様に「活動の可能性に満ちている」。

「例えば、固体と流体が出会って動いている内核境界に火山があるかもしれない」と彼は語った。

内核の回転は外核の動きに影響を及ぼすため、内核の回転は地球の磁場の活性化に役立っていると考えられているが、その正確な役割を解明するにはさらなる研究が必要だ。また、内核の全体的な構造については、まだ解明すべきことがたくさんあるとワゼック氏は述べた。

「新しい、そしてこれから登場する手法は、自転を含む地球の内核に関する継続的な疑問に答える上で中心となるだろう。」

ミンディ・ワイスバーガーは科学ライター兼メディアプロデューサーであり、その作品はLive Science、Scientific American、How It Works誌に掲載されています。