地球は「ゆで卵」というより「玉ねぎ」…「地球の聲」を聞いて分かった「意外な地球の中身」

與其說(shuō)地球像個(gè)“雞蛋”，不如說(shuō)是“洋蔥”……傾聽(tīng)“地球的聲音”來(lái)了解“地球的內(nèi)部”


見(jiàn)えない領(lǐng)域
「地球の中心は太陽(yáng)系の果てよりも遠(yuǎn)い」と言われることがある。
たとえば、かつて太陽(yáng)系のもっとも外側(cè)の惑星とされた冥王星は、太陽(yáng)からおよそ59億kmも離れていて、これは地球と太陽(yáng)の距離(=1AU=約1億5000萬(wàn)km)の約40倍に相當(dāng)する。いっぽう、地球の表面から中心までの距離(つまり地球の半徑)は約6400km。比べるのがばかばかしいほど、冥王星は遠(yuǎn)い。
冥王星は、1930年にアメリカの天文學(xué)者クライド?トンボーにより発見(jiàn)された。いっぽう、地球の中心部に固體の金屬でできた構(gòu)造、內(nèi)核が発見(jiàn)されたのは1936年――デンマークの地震學(xué)者、インゲ?レーマンの功績(jī)である。つまり、內(nèi)核は冥王星よりも見(jiàn)つけにくかったのだ。
また、NASAが2006年に打ち上げた探査機(jī)ニュー?ホライズンズが冥王星に接近し、その表面の様子の観測(cè)に成功した。その観測(cè)から、冥王星ではいまも地質(zhì)活動(dòng)が起きている(氷の湧き上がる場(chǎng)所があり、表面を覆う氷が移動(dòng)している)ことが明らかになった。なお、ニュー?ホライズンズはさらに太陽(yáng)?地球から遠(yuǎn)ざかり、太陽(yáng)系外縁部の観測(cè)を続けている。
探査機(jī)が太陽(yáng)系を飛び出す時(shí)代になっても、地球內(nèi)部に探査機(jī)を送り込むことはできていない。それどころか、人類が掘ったもっとも深い穴の深さはたった12km――地球の半徑のわずか0.2％だ。地球中心の內(nèi)核に探査機(jī)を送り込むなど、SFでしか実現(xiàn)できないだろう。もちろん、內(nèi)核で起きている活動(dòng)の直接観測(cè)も不可能だ。

看不見(jiàn)的區(qū)域
有人說(shuō)“地球的中心比太陽(yáng)系的盡頭還要遠(yuǎn)”。
例如，曾經(jīng)被認(rèn)為是太陽(yáng)系最外側(cè)行星的冥王星，距離太陽(yáng)約59億公里，相當(dāng)于地球與太陽(yáng)距離（=1AU=約1.5億公里）的約40倍。另一方面，從地球表面到中心的距離（即地球半徑）約為6400公里。相比起來(lái)冥王星遠(yuǎn)得多。
冥王星于1930年由美國(guó)天文學(xué)家克萊德·湯博發(fā)現(xiàn)。另一方面，1936年——丹麥地震學(xué)家英格·雷曼在地球中心發(fā)現(xiàn)了由固體金屬構(gòu)成的構(gòu)造、內(nèi)核。也就是說(shuō)，內(nèi)核比冥王星發(fā)現(xiàn)的時(shí)間還晚。
另外，NASA于2006年發(fā)射的探測(cè)器地平線號(hào)接近冥王星，成功觀測(cè)了其表面情況。從那個(gè)觀測(cè)，冥王星現(xiàn)在地質(zhì)活動(dòng)也發(fā)生著（有冰的涌出的地方，覆蓋表面的冰移動(dòng)著）。另外，地平線號(hào)進(jìn)一步遠(yuǎn)離太陽(yáng)、地球，繼續(xù)觀測(cè)太陽(yáng)系外緣部。
即使到了探測(cè)器飛出太陽(yáng)系的時(shí)代，人類也不能將探測(cè)器送入地球內(nèi)部。不僅如此，人類挖掘的最深的洞穴深度只有12公里——僅為地球半徑的0.2%。向地球中心的內(nèi)核送入探測(cè)器等，只能在科幻小說(shuō)里實(shí)現(xiàn)吧。當(dāng)然，也不可能對(duì)發(fā)生在內(nèi)核的活動(dòng)進(jìn)行直接觀測(cè)。

宇宙空間と地球內(nèi)部のちがい
なぜ冥王星は地球の中心と比べて観測(cè)もアクセスも容易なのだろうか。
それは、宇宙空間は物質(zhì)が希薄、つまりほとんど物質(zhì)が存在しないからだ。もちろん、星(たとえば太陽(yáng))や惑星(たとえば地球)は物質(zhì)のかたまりではあるが、こうした天體と天體のあいだには何もない空間が広がっている。したがって、光の進(jìn)行は基本的に妨げられないし、探査機(jī)は行く手を阻まれにくい。
翻って、地球は大部分が固體である。物質(zhì)がぎっしりと詰まっている(古くは地球の內(nèi)部に大きな空洞があると信じられていたそうだが、その考えはすでに否定されている)。光は反射されるし、穴を掘るには多大なエネルギーが必要となる。

宇宙空間和地球內(nèi)部的差異
為什么冥王星比地球中心更容易觀測(cè)和訪問(wèn)呢。
那是因?yàn)橛钪婵臻g物質(zhì)稀薄，也就是說(shuō)幾乎沒(méi)有物質(zhì)存在。當(dāng)然，星星（例如太陽(yáng)）和行星（例如地球）是物質(zhì)的塊，但天體和天體之間是什么都沒(méi)有的空間。因此，光的行進(jìn)基本上不受阻礙，探測(cè)器很難被阻擋去路。
反過(guò)來(lái)說(shuō)，地球大部分是固體。物質(zhì)密密麻麻地堵塞著（據(jù)說(shuō)以前人們相信地球內(nèi)部有很大的空洞，但這種想法已經(jīng)被否定了）。光被反射，挖洞需要大量的能量。
原創(chuàng)翻譯：龍騰網(wǎng) http://top-shui.cn 轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處


したがって、「地球の中身」は見(jiàn)ることができない。とはいえ、すでに述べたとおり、地球の中心には固體の金屬(內(nèi)核)があることがわかっている。これはいったいどういうことだろう。
光を通さない物質(zhì)のかたまりの內(nèi)部を「見(jiàn)る」方法がある。じつはそうした方法はわりと身近なものだったりする。
X線(私たちが目で見(jiàn)る可視光とは波長(zhǎng)の異なる電磁波)を用いて體內(nèi)の様子などを調(diào)べる検査法だ。X線は物質(zhì)によって透過(guò)度が異なる。人體では、皮膚や筋肉はX線を透過(guò)する一方で、骨は透過(guò)しにくい。この差を利用して、露出させることなく骨の様子を観察することができる。
そう。地球の中身を観察するための「地球版レントゲン撮影」がある。

因此，無(wú)法看到“地球的內(nèi)部”。話雖如此，正如已經(jīng)說(shuō)過(guò)的那樣，我們知道地球的中心有固體的金屬（內(nèi)核）。這到底是怎么回事。
有一種方法可以“觀察”不透光的物質(zhì)塊的內(nèi)部。實(shí)際上這樣的方法是比較熟悉的。
就是使用X射線（與我們用眼睛看到的可見(jiàn)光波長(zhǎng)不同的電磁波）。X射線的透過(guò)度因物質(zhì)而異。在人體中，皮膚和肌肉可以透過(guò)X射線，但骨頭很難透過(guò)。利用這一差距，可以在不露出的情況下觀察骨頭的情況。
是的。有為了觀察地球的內(nèi)部的「地球版X光攝影」。

地球の“聲”を聞く
といってもレントゲン撮影のように、地球の一方から波を當(dāng)てて、反対側(cè)でその透過(guò)度を観測(cè)するのはむずかしい。そこで地球科學(xué)者が利用しているのは、地球の內(nèi)部で発生する波、いわば“地球の聲”だ。
地球の聲とは地震波――つまり、地球內(nèi)部で巖石が破壊されたときに発生する振動(dòng)である。地表にいる私たちが感じる地震(地震動(dòng))は、地球內(nèi)部のどこか(震源)から地表に屆く振動(dòng)(波)だ。震源では、巖石が割れてずれることで波が生じる。
私たちが耳でとらえる音は、ご存じのとおり空気の振動(dòng)である。地震波は地球自身の振動(dòng)であり、だから"地球の聲"みたいなもの。私たちは地表で地球の聲を聞くことができる。
地震波についてもうすこし詳しく説明しよう。
地震波は大きく2種類に分けられる――P波とS波だ。いずれも波の媒體である物質(zhì)の変形が伝わる現(xiàn)象で、変形の種類によって區(qū)別される。

傾聽(tīng)地球的“聲音”
雖說(shuō)如此，像X光攝影那樣，從地球的一方發(fā)出波，在另一側(cè)觀測(cè)其透過(guò)度是很困難的。因此，地球科學(xué)家利用的是地球內(nèi)部產(chǎn)生的波浪，也就是“地球的聲音”。
地球的聲音是地震波——也就是說(shuō)，地球內(nèi)部巖石被破壞時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。在地表的我們感受到的地震（地震動(dòng)）是從地球內(nèi)部的某個(gè)地方（震源）到達(dá)地表的振動(dòng)（波浪）。在震源，由于巖石開裂而發(fā)生偏移而產(chǎn)生波。
我們用耳朵捕捉到的聲音，正如大家所知，是空氣的振動(dòng)。地震波是地球自身的振動(dòng)，所以像“地球的聲音”一樣。我們可以在地表聽(tīng)到地球的聲音。
關(guān)于地震波再詳細(xì)說(shuō)明一下吧。
地震波大致可分為兩類——P波和S波。都是作為波的介質(zhì)的物質(zhì)的變形傳遞的現(xiàn)象，根據(jù)變形的種類來(lái)區(qū)分。

P波(あるいは圧密波)は、圧縮や膨張による密度変化を伝える波である。伝播方向に振動(dòng)する波(縦波)ととらえることもできる(図1a)。圧密波は水や空気などの流體中でも伝わる。私たちが音としてとらえる音波はまさに圧密波だ。
S波は、密度は変わらないままに「ずれる」変形を伝える。伝播方向に対して垂直に振動(dòng)する波(橫波)ととらえることもできる(図1b)。この波は、流體中は伝わらない。
地震のとき、最初に「ズン」と地面から押されるような振動(dòng)を感じたことがないだろうか。この振動(dòng)を初期微動(dòng)といい、その正體は震源から地表に屆くP波である。初期微動(dòng)に続く、左右にユラユラとゆするような振動(dòng)は主要?jiǎng)婴趣いΘD―もちろんこれがS波だ。
P波とS波では伝わる速さが異なるので(P波速度はS波速度の約1.7倍)、地表に屆くタイミングがずれる。いっぽうで、振幅はS波のほうが大きい。波のエネルギーは振幅の2乗に比例するので、エネルギーもS波のほうが大きい。災(zāi)害をもたらすのはS波である。
重要なのは、P波は固體も液體も伝わり、S波は固體だけを伝わるということだ。

P波（或壓縮波）是傳遞由壓縮或膨脹引起的密度變化的波。也可以認(rèn)為是在傳播方向上振動(dòng)的波（縱波）。壓密波在水和空氣等流體中也能傳播。我們作為聲音捕捉到的聲波正是壓縮波。
S波在密度不變的狀態(tài)下傳遞“偏移”變形。也可以認(rèn)為是相對(duì)于傳播方向垂直振動(dòng)的波（橫波）。該波不在流體中傳播。
地震的時(shí)候，有沒(méi)有感覺(jué)到一開始從地面上推下來(lái)的震動(dòng)呢。這種振動(dòng)被稱為初期微動(dòng)，其原形是從震源到達(dá)地表的P波。在初期微動(dòng)之后，左右搖擺的振動(dòng)稱為主要運(yùn)動(dòng)——這就是S波。
由于在P波和S波中傳遞的速度不同（P波速度約為S波速度的1.7倍），所以到達(dá)地表的時(shí)機(jī)錯(cuò)開。另一方面，S波的振幅更大。波的能量與振幅的平方成比例，所以能量也是S波大。造成災(zāi)害的是S波。
重要的是，P波既能傳遞固體也能傳遞液體，S波只傳遞固體。

聲の通り道
唐突だが、ヘリウムガスを吸って聲色を変える遊びをご存じだろうか。最近は少ないが、以前はテレビ番組などでよく見(jiàn)かけた(ヘリウムガスの吸引は危険なこともあるので、やめましょう)。ヘリウムを吸うと聲色が変わるのは、通常の空気とヘリウムガスでは聲(音波)の伝わり方が異なるからだ。波源の振動(dòng)が同じでも、媒體の違いによって波の性質(zhì)は変化する。
地震波も、媒體によって伝わり方が異なる(圧力や溫度の影響も受ける)。逆に考えると、地表で観測(cè)される地震波からは、震源から地表(の地震計(jì))までの間にある物質(zhì)の情報(bào)を抽出することができる。地球の“聲”がどんな物質(zhì)を伝わってきたか、ある程度わかるということだ。

聲音的通道
提一個(gè)另外的話題，大家知道吸入氦氣改變音色的游戲嗎。雖然最近很少，但以前在電視節(jié)目中經(jīng)?？吹剑ㄎ庖灿形ｋU(xiǎn)，所以還是停止吧）。吸入氦氣會(huì)改變音色，是因?yàn)橥ǔ５目諝夂秃獾穆曇簦暡ǎ┑膫鞑シ绞讲煌?。即使波源的振?dòng)相同，由于介質(zhì)的不同，波的性質(zhì)也會(huì)變化。
地震波根據(jù)介質(zhì)的不同傳遞方式也不同（也受到壓力和溫度的影響）。反過(guò)來(lái)考慮，從地表觀測(cè)到的地震波中，可以提取出從震源到地表之間的物質(zhì)信息。地球的“聲音”傳達(dá)了什么樣的物質(zhì)，在某種程度上是可以理解的。

また、地震波はほかの波と同様に反射と屈折を受ける。ある物質(zhì)を伝わっていた地震波が別の物質(zhì)にぶつかると、波の一部は反射される。また、反射されなかった波は屈折して別の物質(zhì)中を伝わる(図2)。地球の中身を知りたい場(chǎng)合、地震波の反射や屈折が大きなヒントになる。
たくさんの地震波を各地で観測(cè)し続け、そうして得られたデータを解析することで、地震波がどこで反射され、どんなふうに屈折して伝わるかや、どこをどのくらいの速度で伝わるかを推測(cè)することができる。実際には多數(shù)のデータに対してさまざまな操作をする必要があり容易ではないが、ともかく地震波から地球の中身の情報(bào)を得られる。これが「地球版レントゲン撮影」のアイデアである。

另外，地震波和其他波一樣受到反射和折射。當(dāng)傳遞某種物質(zhì)的地震波與另一種物質(zhì)碰撞時(shí)，波的一部分會(huì)被反射。另外，未被反射的波會(huì)折射然后在其他物質(zhì)中傳播。如果想知道地球的內(nèi)部，地震波的反射和折射會(huì)成為很大的提示。
通過(guò)在各地持續(xù)觀測(cè)大量的地震波，然后分析得到的數(shù)據(jù)，可以推測(cè)地震波在哪里被反射，怎樣折射傳播，以怎樣的速度傳播，以及在哪里怎樣地傳播等。實(shí)際上需要對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種各樣的操作并不容易，但總之從地震波中可以得到地球內(nèi)部的信息。這就是“地球版X光攝影”的創(chuàng)意。

地學(xué)で習(xí)った層構(gòu)造
地震波による“透視”から、「地球內(nèi)部のどこでも同じ深さで地震波が反射される」ことがわかった。これは、特定の深さで地球の中身を構(gòu)成する物質(zhì)が変化することを意味する。つまり、地球內(nèi)部には層構(gòu)造がある！
地球內(nèi)部の層構(gòu)造はみなさん「地學(xué)」の授業(yè)で教わったはずだが、覚えているだろうか。地殻?マントル?コア(核)――これがもっともおおざっぱな地球の層構(gòu)造である(図3)。ゆで卵をイメージしてほしい。薄い殻(地殻)をむくと白身(マントル)が現(xiàn)れ、その下にまん丸の黃身(コア)がある。
もっとも外側(cè)の層は地殻だ。地表には陸と海があるが、陸も海(の下)もまず地殻がある。その厚さは場(chǎng)所によって異なるが、だいたい6～30kmと知られている――地球半徑の1％にも満たない。
地殻の下のマントルは、深さ約2900kmまで続く。その厚さは地球半徑の半分に満たないが、體積では地球全體の80％を超える。
地球の中心を占めるコアは半徑約3500kmの球體である。コアはさらに2層に分けられ、それぞれ外核と內(nèi)核とよばれる。外核は厚さ約2300kmの層で、內(nèi)核は半徑約1200kmの球體である。

從地理學(xué)中了解到的層構(gòu)造
從地震波的“透視”可以看出，“地球內(nèi)部的任何地方都會(huì)以相同的深度反射地震波”。這意味著在特定深度構(gòu)成地球內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生了變化。也就是說(shuō)，地球內(nèi)部是分層構(gòu)造！
地球內(nèi)部的層構(gòu)造大家應(yīng)該是在“地理學(xué)”課上學(xué)到的，還記得嗎。地殼、地幔、核心（核）——這是最粗略的地球?qū)咏Y(jié)構(gòu)。想象一下煮雞蛋，剝掉薄殼（地殼）就會(huì)出現(xiàn)蛋清（地幔），里面有一個(gè)圓圓的蛋黃（核心）。
最外層是地殼。地表有陸地和大海，但陸地和海（下）都是地殼。其厚度因地而異，但一般認(rèn)為為6~30km——不到地球半徑的1%。
地殼下的地幔深度約2900公里。其厚度不到地球半徑的一半，但在體積上超過(guò)地球整體的80%。
占據(jù)地球中心的核心是半徑約3500km的球體。核心又分為兩層，分別稱為外核和內(nèi)核。外核為厚度約2300km的層，內(nèi)核為半徑約1200km的球體。

ゆで卵というより玉ねぎ
これまでに明らかになった、地球內(nèi)部の地震波速度分布を見(jiàn)てみよう(図4)。地殻‐マントル境界はグラフの左端に位置するのでややわかりにくいが、深さ約2900kmのマントル‐コア(外核)境界と深さ約5200kmの外核‐內(nèi)核境界では、地震波速度が不連続に変化する(グラフが直線的に上下する)のがひと目でわかる。これらの深さを境に構(gòu)成物質(zhì)が変化している証拠である。
図4のグラフから「S波速度」の分布を見(jiàn)てみよう。深さ2900～5200kmの領(lǐng)域、つまり外核ではゼロになっている。S波は外核を伝わらないということだ。これは、外核が液體でできているためである(前に説明したように、S波は液體中を伝わらない)。外核以外の層、つまり地殻とマントル、內(nèi)核は固體とわかる。
マントルはじつはさらに複數(shù)の層に分けられる。もういちど図4をよく見(jiàn)てほしい。深さ2900kmまでのマントル內(nèi)部に、地震波速度が不連続に変化する深さがいくつか見(jiàn)つかるはずだ。実際に、マントルは深さ440、660、2600kmを境界として4層に分けられることがわかった(図3)。
これらの層にどういうちがいがあるかの詳細(xì)は、ここでは説明を省く。ともかく、地球はたくさんの層に分けられることを知ってほしい。この內(nèi)部構(gòu)造はゆで卵というよりも、玉ねぎに近いかもしれない。


與其說(shuō)是煮雞蛋，不如說(shuō)是洋蔥
地震波速度分布圖顯示。地殼-地幔邊界位于圖的左端，在深度約2900km的地幔-核心（外核）邊界和深度約5200km的外核-內(nèi)核邊界中，地震波速度不連續(xù)地變化（圖中直線）一目了然。這是以這些深度為界構(gòu)成物質(zhì)發(fā)生變化的證據(jù)。
從圖表來(lái)看“S波速度”的分布。深度2900～5200km的區(qū)域，即外核為零。也就是說(shuō)S波無(wú)法傳遞外核。這是因?yàn)橥夂耸怯梢后w形成的（如前所述，S波不在液體中傳播）?？梢钥闯鐾夂艘酝獾膶?，也就是地殼和地幔，內(nèi)核是固體。
地幔實(shí)際上又分為多層。仔細(xì)看圖會(huì)發(fā)現(xiàn)，在深度達(dá)2900公里的地幔內(nèi)部，有幾個(gè)地震波速度不連續(xù)變化的深度。實(shí)際上，地幔以深度440、660、2600km為邊界分為4層。
這些層有什么不同的詳細(xì)情況在這里省略說(shuō)明?？傊?，希望大家知道地球可以分為很多層。這個(gè)內(nèi)部構(gòu)造與其說(shuō)是煮雞蛋，不如說(shuō)更接近洋蔥。
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マントルは上下にかき混ぜられている
これは、地表で冷やされた巖板が収縮して重くなり(密度が大きくなり)、マントル內(nèi)部へ沈み込む様子と、コアに溫められて膨張して軽くなり(密度が小さくなり)、マントル最深部から浮き上がる様子と解釈されている。マントルは固體なので、その內(nèi)部で沈み込んだり浮き上がったりすると説明されてもピンとこないかもしれない。
しかし、こうした動(dòng)きは実際に起きている。固體といえどもまったく変形しないわけではなく、とくに地球深部は高溫なので固體(巖石)もやわらかくなっている。
まとめると、マントルは上下にかき混ぜられている。地表から熱を放出し(上から冷やされ)、コアから熱を受け取る(下から溫められている)ために対流が起きているのだ。このマントル対流は地球の中身を理解するうえで非常に重要である。なお、マントル対流のスピードは年間數(shù)センチメートル程度と見(jiàn)積もられている。目で見(jiàn)て認(rèn)識(shí)できるような動(dòng)きではない。

地幔是上下攪拌的
有種解釋為，在地表被冷卻的巖板收縮而變重（密度變大），沉入地幔內(nèi)部，而內(nèi)部由于溫度高被加熱而膨脹變輕（密度變?。瑥牡蒯Ｗ钌畈扛∑饋?lái)。因?yàn)榈蒯Ｊ枪腆w的，所以就算這么解釋為其內(nèi)部在上下攪拌，可能也無(wú)法理解。
但是，實(shí)際上確實(shí)是發(fā)生了這樣的事。雖說(shuō)是固體，但并不是完全不變形，特別是地球深部是高溫，所以固體（巖石）也變軟了。
總結(jié)一下，地幔是上下攪拌的。因?yàn)閺牡乇矸懦鰺幔◤纳厦胬鋮s），又從核心接收熱（從下面加熱），所以發(fā)生了對(duì)流。這個(gè)地幔對(duì)流對(duì)于理解地球的內(nèi)容是非常重要的。另外，地幔對(duì)流的速度估計(jì)為每年幾厘米左右。不是用眼睛看就能識(shí)別的動(dòng)作。
因此，只要傾聽(tīng)地球的“聲音”就能知道地球的內(nèi)部構(gòu)造和動(dòng)作。但是，通過(guò)這種方法，構(gòu)成地球內(nèi)容的物質(zhì)的真面目并不清楚。地球科學(xué)家正在用另一種方法挑戰(zhàn)這個(gè)謎團(tuán)，那就下次有機(jī)會(huì)再說(shuō)吧。