地球の「2つの面」を持つ内核は表面よりも速く回転している

地球の内核の差動回転の原因は何ですか?専門家は、外部トルクの作用により、地球の内核がマントルに対して回転し、その結果、内核が地球の自転とは異なる速度で回転すると指摘している。この外力は、地球の磁場と内核の結合、およびマントルと内核の重力結合から生じる可能性があります。

最近、南カリフォルニア大学の研究チームは、1969年と1971年の2度の地下核実験から約6年間の地震波データを再分析し、1969年から1971年にかけて地球の内核の自転速度が地球全体より0.1度遅く、1971年から1974年にかけては0.29度速かったことを発見した。これは、科学者が地震観測を通じて地球の内核が6年周期で振動するという理論を検証した初めてのケースである。

地球の内核と地球の自転速度が一致しないのはなぜですか?この現象は宇宙の他の天体にも存在するのでしょうか?科学者はどのようにして天体の内部状態を「透視」するのでしょうか?

地球の内核は「惑星の中の惑星」と呼ばれています

多くの人は、地球は一体であり、内核の回転速度と方向は地球と一致しているはずだと信じています。しかし、そうではありません。 「地球は誕生以来、微惑星の凝集、堆積分化、マグマオーシャンと地殻の冷却など、さまざまな動的プロセスを経て、地球の外側から内側にかけて、地殻、マントル、液体の外核、固体の内核など、タマネギやゆで卵のような層状構造を形成してきた」と中国科学院国立天文台の研究員、平金松氏は述べた。

北京大学の地球物理学者で教授の宋暁東氏は科技日報に対し、地球は天体として全体として回転していると語った。しかし、これまでの観測に基づくと、地球の内核の自転速度と地球の自転速度はわずかに異なり、これが内核の「差動自転」です。そのため、地球の内核は「惑星内の惑星」とも呼ばれます。最新のデータによると、地球とその内核の自転速度は年間約 0.1 度異なりますが、この速度は時間の経過とともに変化する可能性があります。

地球の内核の差動回転の原因は何ですか?宋暁東氏は、外部トルクの作用により、地球の内核がマントルに対して回転し、その結果、内核が地球の自転とは異なる速度で回転すると指摘した。この外力は、地球の磁場と内核の結合、およびマントルと内核の重力結合から生じる可能性があります。理論上、内核は地球よりも速く、あるいはわずかに遅く回転する可能性があります。

記者は、現在主流のコア研究の理論モデルでは、地球の内核の自転速度は一定であり、地球の自転は約6年（5.9年）の周期で振動していると考えられていることを知った。科学者たちは、6年周期の振動のメカニズムを説明するにあたり、地球内部の地磁気異常、核マントル結合振動、地球の内核の振動など、さまざまな推測を唱えてきました。

しかし、今世紀初頭、地球の自転に伴う固体潮汐を研究していた平金松氏のチームは、長期にわたる固体潮汐監視データを使用して、地球の内核の振動周期が11.5～12年であることを発見した。これは木星の公転周期と一致する。 「地球の自転周期5.9年は、木星の公転周期のちょうど半分です。」ピン・ジンソン氏は、木星と太陽の合によって引き起こされる地球の地殻とマントルにかかるトルクの周期的な変化が、地球の内核の自転速度の変化を引き起こしていると考えています。

「地球の内核の回転速度はマントルの回転速度よりわずかに速いかもしれませんが、その速度は常に一定です。地殻とマントルの回転は内部および外部のトルク、負荷、その他の要因の影響を受け、回転速度が速く見えたり遅く見えたり、相対的な方向が変わったりすることがあります。」平金松氏は、さまざまな要因の影響により、地球の自転の変化を単純に予測したり予報したりすることはできないと述べた。

平金松氏は、地球のほか、月や金星、火星、ガス惑星や準惑星などの衛星など、地球と似た内部構造を持つ伴惑星も、地球よりも速く、あるいは遅く自転したり、方向を変えたりする可能性があると指摘した。

その中で、人類は地球・月レーザー測距技術を用いて、約50年にわたって月の自転周期の変化を継続的に観測してきました。近年では、火星の自転の変化も「インサイト」宇宙船の衛星・地上マイクロ波リンクによって確認されています。

フランス・トゥールーズにある天体物理学・惑星学研究所の博士研究員、リー・ガン氏は、恒星内部の層間では回転速度に差があり、これを「差動回転」と呼ぶと付け加えた。天文学者たちは、白色矮星や中性子星から星団や銀河に至るまでのさまざまな天体に差動回転が存在することを発見しました。太陽を例にとると、太陽半径の 0.7 倍の深さに、厚さが太陽半径の 0.04 倍の「差動回転層」と呼ばれる領域があります。この領域を境界として、太陽の自転は劇的に変化します。差動回転層内では、太陽の差動回転はあまり明白ではありません。差動回転層の外側では、太陽はさまざまな深さと緯度で非常に明白な差動回転を示します。

天体の「気質」はその核と密接に関係している

すべての惑星コアには差動回転機構がありますか?ピン・ジンソン氏は、惑星の核には固体核、液体核、液体外核と固体内核の組み合わせの3つの主な種類があると紹介した。地球の内核は第 3 のカテゴリに属し、巨大な液体の外核と鉄とニッケルを豊富に含む固体の内核が含まれます。

固体の核を持つ惑星と液体の核を持つ惑星では「気質」が異なります。ピン・ジンソン氏は、固体の核を持つ惑星の場合、核の回転は惑星全体の回転と同期していると指摘した。液体の外核、または液体または半液体の核とマントルの境界を持つ惑星の場合、固体の内核または固体の核の回転はマントルと非同期である可能性があります。

液体の核を持つ惑星は、惑星形成の初期段階にある可能性が高い。その回転は回転する生卵に少し似ており、回転速度は速く、方向と速度は不安定です。エネルギーが消散して減衰し、層が固まるにつれて、回転速度は徐々に遅くなり、安定します。

では、星の中心核はどのようになっているのでしょうか?李剛氏は、恒星には通常、核反応が燃えている中心核があると述べた。しかし、年齢の異なる星の中心核は大きく異なります。彼は、最盛期にある太陽のような星には水素を燃焼する中心核があるという例を挙げた。一方、古い恒星の場合、一部の核は燃焼を止めているかもしれませんが、核の周囲には燃える外殻が存在します。いくつかの原子炉では再び炉心が点火され、ヘリウムやより重い元素を燃焼し続けるかもしれない。他の原子核は最終的に消滅し、燃え尽きてゆっくりと冷却する核だけが残ります。

「星の核の特性が、星の外観を直接決定します。」李剛氏は、太陽と比較すると、ほとんどの古い星は冷たいが明るいと説明した。一方、白色矮星や中性子星などの死んだ星は暗く見えますが、温度は高くなります。

衝撃波を利用して天体の中心核を観察する

科学者はどのようにして天体の表面を通して天体の中心核の回転方向を検出するのでしょうか?

宋暁東氏は記者団に対し、科学者らは地震波を利用して地球の内核のさまざまな物理的特性を探知していると語った。彼は、地球上で地震が発生すると、地震波が発生し、地球の深部まで伝播すると説明した。地震波の伝播速度などの特性を研究することで、地球深部の構造成層や運動状況を理解することができます。

1996年、宋暁東氏と彼のチームは、地球の内核を通過する地震波の時間と速度の変化を初めて観測し、地球の内核がマントルに対して回転していると推測しました。しかし、地球の内核の自転速度については、自転速度自体が変化する可能性が高いため、依然として不確実性が残っています。

平金松氏は、地震波を利用して天体の内部を探知する方法は非常に一般的だと指摘した。 19 世紀、科学者たちはこれを使って地球の層構造を検出しました。 1970 年代、米国の月探査ミッションでは地震波を利用して月の内部の層構造を検出しました。近年では、欧州の火星探査ミッションで火星の内部構造の探査に使用されています。

星の場合、天文学者が星の内部構造を直接観察することは難しいため、「星震学」を利用して星の内部を探ります。

李剛氏は、星震学は地震学と非常によく似ており、どちらも天体内の振動波を研究することで天体の内部構造を推測するものであり、これは私たちの日常生活でスイカが熟しているかどうかを「叩いて」判断するのに少し似ていると述べた。しかし、星震と地震の違いは、星震は継続的な振動であるのに対し、地震はたまにしか発生しないという点です。星の衝撃波はガスを局所的に圧縮し、星の温度と明るさの変化を引き起こします。この特性に基づいて、天文学者は長期間にわたって星の明るさの変化を監視することで星の振動を観測し、振動の周波数を測定します。

星の振動の周波数は、星内部のさまざまな物理的プロセスの乱れによって変化します。 「例えば、熟したスイカと熟していないスイカを手で叩くと、聞こえる音が異なります。」李剛氏は、天文学者は高精度の周波数測定と詳細な物理モデルの推論を通じて、星の回転速度や星内部の元素分布など、星のさまざまな物理的特性を計算していると述べた。

例えば、星が老化して形成される赤色巨星の場合、天文学者はいくつかの赤色巨星の振動信号を分析することで、赤色巨星には非常に強い差動回転現象があり、その内核の回転速度は一般に表面の回転速度よりも数十倍速いことを発見しました。