第 4 章　地球ダイナミクス

だいたい地球や惑星の構造がわかったところで、今度は、地球で起こっている動的な 現象について概観してみよう。

参考書

岩波講座地球惑星科学３　「地球システム科学」
第３章「地球システムにおける対流とエネルギーの流れ」 by S.Y.
岩波講座地球惑星科学１０　「地球内部ダイナミクス」
[レポートの参考にするときは、どこか１つの章を読めば良い。]
本章は、上記 S.Y. 本のダイジェスト＋αである。

4-1 地球における対流とその役割

地球においては、コア、マントル、大気、海洋のいずれでも流れが起こっている。 流れも大規模なものから小規模なものまでさまざまだ （第２回で言ったように、いろいろなスケールでものごとが起こっていることを 認識することが大切だ）。本章では、そのうちの地球規模の流れについて概観していく。

地球の流れは、直接あるいは間接に熱が原因で起こっている場合が多い。 そこで、熱が原因でどういう流れが起こるのかを簡単に考えてみて、それで イメージをつかんでほしい（数学的にちゃんと扱おうとすると、学部３、４年レベル）。 その熱がどういうものかは、4-2 でもう少しちゃんと話す。

熱が直接的な原因で起こる流れを熱対流と言う。熱対流の起こり方を大きく２つに分ける。
(1) 水平対流
(2) 鉛直対流

  1. 「水平対流」はたとえば地面に水平方向に温度差ができた時に起こる
    [図を描く]
    暖かいところは、軽くなる（密度が低くなる）ので、上昇する。 そうすると、冷たいところは押し出されるのと、重くなる（密度が高くなる）ので、下降する。
    例：海陸風
  2. 「鉛直対流」は上下方向に温度差ができた時に起こる
    [配布図１]
    いったん上昇域ができると、そこは下で暖められて暖かくなり、 軽くなるので、上昇が持続する。
    いったん下降域ができると、そこは上で冷やされ冷たくなり、 重くなるので、下降が持続する。
    重要なこと
    (a) 熱と力学が結合している
    (b) 熱が下から上へと運ばれている（下でもらった熱を上で捨てる）
    例：積乱雲

[配布図２]：エネルギーの流れ
熱は下から上へ運ばれる。
途中で一部が力学的エネルギーになり、内部摩擦でふたたび熱に戻る

4-2 地球のエネルギー収支

地球の中では、マントル対流とか地球磁場生成などいろいろな活動が起こっている。 地球表層では、大気や海洋が運動している。 これを支えるには、エネルギーが必要だ。そのエネルギー源と大きさを見てゆこう。

[配布図４；岩波 図 3.3]
上の方から見てゆこう。太陽から来る光のエネルギーは 1.8 x 10^17 W と大きい。 これが大気と海洋の運動のエネルギー源になる。 地球の内部からは熱が出て行っている。これが地球の内部の活動のエネルギー源になる。 こういうエネルギーがあるために、マントルやコアでは対流が起こっている。 このエネルギーの中身を詳しく言うのは面倒なので、詳しくは言わない。
[配布図５，６]：エネルギーの中身

だが、２つ重要なエネルギー源があると覚えておくこと。 ひとつは原子核エネルギーで、これは原子核がα崩壊とかβ崩壊とかを起こして 変化してゆくときに熱を出すというものである。 もうひとつは、内部エネルギーで、これは何かというと、もともとは地球ができるときに 衝突を繰り返しているうちに熱くなった名残がまだ残っているもので、その熱が出て行って 地球が冷えてゆくというものだ。あと、重力エネルギーは、もし地球の中で 重いものが下に溜まって行っているならば重力エネルギーが解放されて熱になる、 というものだが、そういうことが起こっているかどうかはわかっていない。

[配布図３]：流れの大きさの概要
そういうエネルギーに応じて、図のような大きさの流れができる。 大気や海洋は、エネルギーが大きいので速く流れる。地球内部は、それよりも エネルギーが小さいので流れが遅い。同じ地球内部でも、マントルと内核は固体なので、 流れがずっと遅い。固体が流れるというと不思議かもしれないが、氷河などで実際われわれは 見ている。固体は、原子の並び方や結晶粒子の並び方がゆっくり変わることで流れる。

4-3 地球のマントルの流れとプレートテクトニクス

マントルは固体ながらも流動している。それの何よりの証拠はプレート運動である。 プレート運動の説明は、今の時代あまり面倒なことを言わなくて良い。 世界中で大地の微小な動きを衛星を使うとか（GPS）天体観測を使うとか（VLBI）して、 直接的に測定することができる。 

  [プレート運動の図
       GPS     : global.gif      （これを用いる）
     source  http://www.sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html]

  [プレート運動の図  （これは用いない）
       GPS     : global_nnr.gif
       NUVEL-1 : nuvel1a_nnr_itrf.gif
    source http://sps.unavco.org/crustal_motion/dxdt/]

  [参考：プレートテクトニクス講義 pdf
      plate_tectonics_2.pdf
    source  http://www.eas.purdue.edu/~calais/teaching/eas450/plate_tectonics_2.pdf]

この図 (GPS) は、現在地面がどういうふうに動いているかを示している。今や こんなことがわかっちゃうんだからおそろしい（これはここ 20 年くらいの話）。
[注（ここは略）：ただし、長期間平均がどうなっているかはこれではわからない。それは別の間接的な 方法で行われている（詳細略）。これがこっちの NUVEL-1 の図である。]

ところで皆さん GPS って何か知っていますか？[聞いてみる] これは Global Positioning System の略で、カーナビで使われている技術。 もともとの目的はカーナビではなくて、軍事技術。 でも、地球科学にも革命をもたらした。世の中、恐ろしいと思うのは、 カーナビにも科学にも便利に使われているものが、もともとは軍事技術だということ。 軍事に関係ある研究はしません、とは言えない。

見て欲しいのは、これでは良くわからないかもしれないが、 青で囲った中は、全体として硬い板（球面の一部）として動いている、ということ。 これがプレートというものである。剛体的な運動という言い方をする。 塊の中では２点間の距離が変わらない。端でのみプレートが生成し消滅する。 もちろん厳密に言えば剛体ではない。それは、プレートの端近くにいる日本にいれば わかることだ（断層運動などを考えよう）。

あと見て欲しいのは、流れの大きさで、数 cm/yr くらい。ということは、１億年で 数千キロである。

プレートが生成消滅すると言ったが、これは具体的には何だろうか？ 

   [生成消滅図
    plate-USGS.htm
    source:  http://pubs.usgs.gov/publications/text/Vigil.html]
   [海底地形図
    global_topo_large.gif
    source:  http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/announcements/announce_predict.html からたどって
             http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/97mgg03.html と来て
             http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/image/global_topo_large.gif]
  1. プレートと地殻の生成：海底の地形を見ると、火山列が並んだ海嶺がある。 ここでは、地殻が生成されて、プレートはその両側に広がっている。 ただし、マントル対流の上昇域であるとは限らない。
  2. プレートの沈み込み：海底の地形を見ると、へこんだ溝（海溝）がある。 ここでは、プレートがマントルの中に突っ込んでいる。突っ込むときの 摩擦によって海溝型の地震が起こる。
このような形で生成消滅が起こっている。

ところで、この講義はビッグバンから始まって、できるだけ因果関係をもって物事を 説明していこうとしてきた。が、このあたりで破綻する。マントル対流があるのは 必然としても、それがプレート運動という形を取るのが必然かどうかは今でもあまり わかっているとはいえない。それは金星と比べればわかる。金星は地球と似ているから、 マントル対流はあるだろう。でも、金星にはプレート運動はない。why？よくわからない。 もちろんある程度の説明はあって、そういう議論は面白いのだが、詳細に入りすぎるので 省略しよう。

マントル対流は、プレート運動を支えている。マントル対流の速度もプレート運動と 同じくらいだとすると、数億年で１周する。

マントル対流が地球の中で具体的にどうなっているかも興味深い話題だ。なかなか これは直接見ることはできないが、地震波を使って地震波の速度分布からある程度 推定できる。高温のところは地震波が遅く、低温のところは速いという性質があるので それから推測する。 

   [地震波トモグラフィーの図
    saw12d_um.gif, saw12d_lm.gif
    source  http://www.seismo.berkeley.edu/~pepe/saw12d.html
            "Whole mantle shear velocity model SAW12D"]

4-4 地球のコアの流れと地球磁場生成

今度は、地球のコアを考えてみる。このうちの外核は液体で、そこにも流れがある。 そこに流れがあることは、地球の磁場を見ているとわかる。

地球は、北極を S 極、南極を N 極とする磁石になっている。 この原因は何か？過去にはいろいろな説があったが、現在では外核での液体鉄の 流れであるという以外の説は生き残っていない。

たとえば、地球の内部が大きい磁石になっているという説があった。これは 次の２つの理由で間違いであることがわかる。

  1. 磁石は、ある程度以上高温になると磁石でなくなる。高圧でも磁石でなくなる。 外核くらいの高温高圧の世界では、磁石が存在できるとは考えられない。
  2. 磁場はゆっくり変動している。たとえば、現在名古屋あたりでは、 方位磁石の指す北は、真北から 7 度くらい西にずれている。このずれの量は 時代によってゆっくり変化する。さらに、数十万年に一回、磁場の北と南が ひっくり返る。このような変化は磁石では説明できない。

この外核の中でどういう流れがあるかは、地球磁場の空間分布や時間変化から 推測する。しかし、本当のことはよくわかっていない。これは私の専門分野である。

もうひとつ私の専門分野として、内核の中の流れというのもある。私は おそらく内核の中にも流れがあるのだと思っており、それは地震波の観測から ある程度証拠付けられるのだが、詳細はオタクになるので省略する。

参考：質問「コア（外核、内核）の自転速度とマントルの自転速度が異なるか？」

これは、いろいろな意味で面白い問題。結果的には、そんなに違った速さで 自転しているわけではないと考えられているが、関連する問題がいくつかあるので、 ２つ紹介しよう。

(1) 木村栄（ひさし）の z 項の発見
木村栄は第１回文化勲章受章者のひとり。地球の自転軸は時々刻々ほんの少しだけ 動いていることが知られている。これが歳差、章動、極運動という名前が付いている現象だ。 詳しいことは省く。1890 年くらいから、この自転軸の運動の国際的な観測プロジェクトが 始まった。その日本の責任者が木村栄だった。観測を始めてみると、日本のデータが 理窟に一番合わずに、ヨーロッパから非難された。けれどもよくよく調べてみると、 昔の理窟の方がおかしいということを木村は発見した。その部分を z 項と言う。 これは、明治時代、科学の後発国であった日本の実力が世界レベルになったことを示したものだった。 それで、文化勲章をもらった。それと今の話の関係だが、z 項の原因は木村が生きている間は わかっていなかった。結局わかったことは、マントルと外核の自転のしかたのちょっとしたずれが 原因であるということだ。

(2) ダイナモへの影響
地球でも太陽でも、内部の対流で磁場ができている。磁場を作るのに非常に大きくかかわっている ことで、磁場生成部分の自転速度が場所によってどうちがうか（差動回転という）がある。 言い方を変えると、東西流分布だ。この観測は、おどろくことに地球よりも太陽の方が進んでいる。 太陽でも地震学のような手法で内部の観測ができる（日震学、陽震学）。それを使うと、 太陽では差動回転が大きいために、自転速度分布がわかってしまう。地球では、まだよくわかっていない。

4-5 地球大気の流れ

地球大気の大規模な流れに関して決定的な要因は２つある（ほんとうはもう少しあるが）。
  1. 流れの原動力は、赤道付近がたくさん暖まって、極付近があまり暖まらないという ことによる「水平対流」である。
  2. 自転によるコリオリ力の影響が大きい。
コリオリ力の実験 
直線運動する振り子を回転系から見るとどうなるか？
  http://www.gfd-dennou.org/library/gfd_exp/exp_j/exp/pd/2/res.htm
    vpd4.avi  回転系の外から見た実験の様子
    vpd2.avi  回転系から見た振り子
      自分でも紙を回しながら鉛筆を前後にまっすぐ動かしてみるとわかる

そこで、コリオリ力は、北半球では進行方向に右向きにはたらく。 そして、大規模な流れの基本は地衡風になる。
[地衡風の図]
圧力勾配とコリオリ力が釣り合うように流れが出来る。これが 天気図（とくに高層天気図）を見るときの基本。

高気圧を右手に見て進む！
コリオリ力のために水平対流は基本的にはなくなる。 ただし、赤道付近はコリオリ力が小さいので、水平対流的になる。 中緯度付近はそうではない。基本的には西風になる。これを説明する。
[温度風の図]
図より、上空で基本的に西風（いわゆるジェット気流）が吹く。 これが大規模な大気の流れの基本。さっきの言葉で言えば差動回転である。

[大気大循環の図]
東西風：基本的には上空で西風。
＜東風は聞かれたら答える。ハドレー循環と角運動量保存＞
子午面循環：赤道付近は水平対流（ハドレー循環）。
中緯度の逆向き循環は説明が面倒なので省略。
流速は、東西風よりずっと小さい。図から、質量輸送が 100 x 10^9 kg s^-1 で、 これが緯度 10 度 (1000 km くらい）くらいにわたって起こっている。 ということは、

(1 kg/m^3) x (10^6 m) x (4 x 10^7 m 赤道一周) x (w m/s) = 100 x 10^9 kg s^-1
くらいだから、
w = 2.5 x 10^{-3} m/s　〜 3 mm/s
という程度。＜ふつうの低気圧に伴う上昇は数 cm/s。これは平均だからもっと小さい＞

4-6 海洋の流れ：風成循環と熱塩循環

海の流れには、大きく２種類ある。１つは表面付近の流れで、黒潮とか メキシコ湾流に代表されるような流れであり、もう１つは海全体に わたる流れである。
[配布物２枚]

まず、海の特徴は、基本的に上から暖められているので、熱対流が起こ りにくいということだ。もう一つの特徴は、岸があるということだ。

[配布物１：世界の海流]
そこで、表面付近で起こる流れは、基本的には、風が駆動するものである （風成循環）。詳しいことは省略するが、基本は、北半球では南向きに流れが できることである。その反流として西岸に太平洋では黒潮、大西洋では メキシコ湾流ができる。基本は、南向きで、北向きに流れられるのは西岸しかないので、 西岸に強い北向きの流れが出来るという仕組みだ（詳細略）。

[配布物２：深層循環]
一方で、深いところの流れはこれとは違う。大西洋の南北の極の近く （グリーンランド沖とウエェッデル海）で、 氷が出来る。氷の中には塩分が入りにくいので、氷ができるとそこの海が塩辛くなる。 それで、水が重くなる。また、寒いのでやはり水が重くなる。それで、大西洋の 南北で重くなった水が海底に沈んで、それが全世界に回るというのが基本的な描像。 このように、塩分と熱の両方の影響で起こる対流を熱塩循環という。

以上、地球のいろいろな場所でそれぞれ独特の流れが出来ているのが面白いところ。