生物史から、自然の摂理を読み解く

太陽系を探検しよう―７．地球の内部はどうなっているのか？（その２）

画像はこちらよりお借りしました。
　
地球の内部シリーズでは、内部構造について追求しています。
　
地球の内部構造を知るには、大きく５段階の手順が必要となります。
①地球の質量を算出する　
②地球の密度を算出する
③地球の内部は「固体」なのか、「液体」なのか。
固体の部分は「固い」のか、「柔らかい」のか。
④地球の内部の構成を導く
⑤それぞれの地球内部の組成を推測する　
　
前回の、「太陽系を探検しよう―４．地球の内部はどうなっているのか？（その１）」では、②までを扱い、地球の密度について説明しました。
引き続き、今回は④までの秘密に迫っていきます。
　
地中の内部を想定するのに利用されるのが、地震の時に発生する波（＝地震波）です。
地震の際、大きく揺れる地域は限られていますが、実はその揺れは、微少な振動（＝波）として地中の裏側にまで伝わっているのです。
そのときの波は、地球の内部を通過しています。その伝わり方を調べることで、地球の内部を解明するのです。
　
応援よろしくお願いします。
　

　

まず、「地震波」の性質について説明します。
　
ある震源で地震により大きなエネルギーが発生し、同時に大きな揺れが発生します。
その揺れが、「縦波」と「横波」として伝わります。
さて、「縦波」「横波」とは何でしょうか。
　
　
◆縦波と横波の違い

画像はこちらからお借りしました。
　
①縦波：P波（Primary Wave）
・進行方向：波と同じ方向に振動
・伝搬速度：速い（地表附近で5～7km/秒）
・伝搬媒体：固体・液体・気体の全て
　
②横波：S波（Secondary Wave）
・進行方向：波と直角方向に振動
・伝搬速度：遅い（地表附近で3～4km/秒）
・伝搬媒体：固体中のみ（液体・気体は伝わらない）
　
では、なぜ横波は液体、気体を伝わることが出来ないのでしょうか。
その原理を説明します。
　
次の図をご覧下さい。
　

画像の拡大はこちら
　
液体・固体ともに、分子が沢山集まって出来ています。
横波の場合、これらの分子間の結合力で、隣の分子に伝える必要があります。
　
つまり、分子同士のつながりの強さがポイントになります。
例えば、水は水素結合で液体、これに対して多くの金属は金属結合で固体です。
分子間のつながりは、固体の方が圧倒的に大きいのです。
　
これに対して、縦波の場合はお互いに押し合うだけなので、分子間の結合が弱くとも、分子がつぶれることがなければ（＝簡単に化学反応することがなければ）力を伝えることが出来るのです。
　
だから、縦波は固体・液体ともに伝わるのに対して、横波は固体しか伝わらず液体では伝えることが出来ます。
　
※ちなみに・・・、
厳密には、横波は必ずしも固体のみで伝わるわけではなく、液体でも伝わると考えられます。しかし、液体中での横波は減衰が極めて素早く起きるため、伝わらないと表現されているのです。
　
　
◆波の伝わる速さ（縦波と横波の違い）
それぞれの波が伝わるスピードは、地表付近の岩盤中では、縦波では５～７km／秒、横波では３～４km／秒と、縦波の方が早いのです。
　
ニュース速報で流れる「緊急地震速報」は、縦波は横波よりも早く伝わるという特性を利用したものです。
一般的に、地震で大きな被害を受けるのは「横波」です。
震源で地震発生後、縦波による揺れが早く到着し、その後、危険な横波が届くまでには時間差があります。つまり、早く到着した縦波を瞬時に察知して「緊急地震速報」を発令し、その少し後にとどく横波に備えるという仕組みなのです。
　
　
◆波の伝わる速さ（固いモノと柔らかいモノの違い）

画像はこちらからお借りしました。
　　
固いモノは柔らかいモノよりも、速く伝わるという特性があります。
地表面から深い固いゾーンの方が、浅い柔らかいゾーンよりも、波の伝わり方が早いのです。
　
これは、波の伝わり方の概念図で言えば、固いモノは隣り合う分子のつながりが強いということになります。
釣り竿の様な柔らかくしなるモノよりも、金属バットの様な固いモノを振りかざす方が、先端まで力が早く伝わるということからも、イメージ出来るかと思います。
　
では、地震波が地盤の中をどのように伝わるのでしょうか。
　
　
◆地震波の進み方

画像はこちらからお借りしました。
　
地中では、地震波は真っ直ぐ進むとは限りません。
上図は、相対的に、地表面では地盤が柔らかく、深くなると固くなることをモデル化したものです。このように、固さの違いにより波は曲がりながら進むのです。

画像はこちらからお借りしました。
　
上図は、一部に柔らかいゾーンが含まれている場合のモデル図です。
左図だけでは、どの部分が遅い部分なのかわりません。しかし、中図の通り、別な地震のデータを組み合わせると、それらの経路（赤い線）の両方が通る部分（下右の赤く塗った部分）が地震波の伝わる速さが遅いのだろうと 推定できます。
こうして、大量の地震波のデータを一度に処理すると、地下構造が浮かんでくるのです。
　
　
◆地中の地震波の伝わり方
地震が起こった時に、地球の各地点でその地震波を測定すると、横波だけが伝わらないゾーンがあることが分かりました。
ここは、地震波の影（シャドウゾーン）と呼ばれています。

画像はこちらとこちらからお借りしました。
　
そこで、これまで紹介してきた２つの原理、①横波は液体中では伝わらない　②固さにより波の伝達速度が異なること　を元に地震波を分析すると、地球の真ん中に液体のゾーンがあることが分かりました。
　
　
◆地球内部の状態
　
　

画像は、NEWTON(別冊)よりお借りしました。
　
これまで、地震波による地球の内部構造の推測の方法を紹介してきました。
その結果、地表面より「地殻」「マントル」「外核」「内核」の大きく４つの層に分けられること、その状態（液体or固体、固いor柔らかい）が分かってきました。　
　
一方で、同時に幾つかの疑問も出てきます。
・液体と気体の境界面にある海の波は、横波だが伝わる。液体の定義の問題？横波の定義の問題？
・固い、柔らかいの基準は何なのか？
厳密に考えると、意外と分からないことも出てきますが、これらについても今後解明していく必要がありそうです。
　
具体的にどのような組成で構成されているのか、いよいよ、次回よりこれまでの紹介した内容をもとに、その核心に迫っていきます。　

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List　   投稿者 kumasuke ｜ 2012-01-10 ｜ Posted in ⑫宇宙を探求する ｜ 2 Comments »　

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