地球の多圏(多層)構造

[「地学」では簡単に、「地学概論」でくわしくあつかう]

[地学のひろがり]のうち「地学があつかう空間的対象」の話題のつづき。 ここでは、天文学の領域である宇宙・銀河・太陽系は はずして、地球の科学にしぼってみる。

地球の科学の対象は、空間的に、大きく3つの領域にわかれる。 (むしろ、専門家集団が大きく3つにわかれる、というべきかもしれない。) それは、「地球内部」、「大気・水圏 (地球表層)」、「地球のまわりの空間」である。

(地球のまわりの空間の科学は、太陽系の科学とのあいだで さかいめがないが、 そのうち電離層の科学などは、天文学にふくめるのは不適切で、地球の科学の分科とみるのが適切である。)

このそれぞれの領域について、わたしは [地球科学の対象領域 -- 地球物理学科ふうの世界像] という模式図をつくってみたことがある。 ここでは、おなじ話題を展開してのべてみたい。

地球内部 は、(外核は液体ではあるが) 「固体地球」ともいう。 地球内部は、地殻、マントル、外核、内核からなる [(*)『図表』 2章 66ページ「地球の層構造」]。 それを構成するおもな物質は、地殻とマントルはケイ酸塩 (Si, O そのほかの化合物)、 外核と内核は鉄(Fe)である。 主要物質であるケイ酸塩や鉄自体が対流していることがわかってきた。 マントルの対流の時間スケールは、億年、つまり10の15乗秒のけたである。 (なお、地震波のつたわる時間スケールは、10の3乗秒程度である。) 対流のエネルギー源は地球内部にある。 地球内部は電磁波をとおさない。 地球内部の情報をえる手段の代表的なものは地震波、 つまり地球内部を構成する主要な物質が変形することによる弾性振動である。

大気は鉛直に、 上から、熱圏、中間圏、成層圏、対流圏とわけられている [(*) 『図表』 4章 170ページ「大気圏の構造」]。 大気は気体なので、その密度は圧力とともに大きくかわる。 地球大気では、(下の「大気・水圏に注目すること」)の節に書いたように) 密度と圧力の鉛直分布はともに高さの指数関数で近似でき、 約 5.5 km 上がるごとに密度と圧力がそれぞれ半分になる。 高さ 80 kmの大気は、海面の高さの大気とくらべて、密度が100万分の30ぐらいになる。 密度がけたちがいにちがうと、運動がつながることもすくなくなる。 また、高さ約 80 km から下の大気は、中性の分子がおもだが、 そこから上の大気は、電離して、電子とイオンが別々にうごくことがある。 そこで、ここでは、熱圏は「地球のまわりの空間」のほうにふくめ、 中間圏・成層圏・対流圏を海洋とあわせて「大気・水圏」としてあつかうことにする。 これは、研究者の集団 (学会など)が わかれている状況にあわせたものである。

大気・水圏を構成するおもな物質は、 大気は窒素(N₂)・酸素(O₂)、水圏は水である。 ただし、大気は水蒸気をふくみ、大気中の水蒸気のうごきも 大気・水圏の水の循環の重要な部分である。 対流の時間スケールは、大気では1日から100日 (10の5乗から7乗秒)、 海洋の深層では千年 (10の10乗から11乗秒) である。 対流のエネルギー源は、太陽からくる放射(光)のエネルギーである。 大気は電磁波のうち可視光とマイクロ波の部分をわりあいよくとおす。 海洋内部は電磁波をほとんどとおさない。 海洋内部の情報を得る手段は現場観測および音波がおもである。

地球のまわりの空間はつぎのような部分からなる。

• 「熱圏」または「電離層」 (両者の意味は同じではないが、大気のうちだいたい同じあたりをさす。) [(*) 『図表』 4章 170ページ「大気圏の構造」]
• その外側に「外気圏」 [(*) 『図表』 58ページ Q&A「空と宇宙の境目は?」]
• その外側に「磁気圏」 [(*) 『図表』1章 35ページ「太陽風」]参照)

地球のまわりの空間には、希薄な(密度の小さい)気体があり、それは電離している。 いろいろな時間スケールの運動があるが、1日 (10の5乗秒) 程度の運動が代表的といえるだろう。 運動のエネルギー源は、太陽からくる電磁波と粒子(陽子や電子など)の流れである。 地球のまわりの空間は電磁波をとおすが、 磁力線と電離した気体によって、電磁波の伝搬は複雑になる。 とくに電離層は電波を反射することがある。

大気・水圏に注目すること

[「地学概論」では「大気・水圏の位置づけ」として簡単にあつかう]

「地学」の授業では「気候」(英語では climate) に注目することにした。 気候とはなにかの説明は、複雑な話になるので、別のページ [気候、気候システム]であつかう。 ここではひとまず、気候とは大気・水圏の状態である、ということにしておきたい。

• 気候システムの概念図 (U.S. GARP委員会 1975) (くわしい説明は別の回にする予定。[別ページ]参照。)

大気とは空気のことだが、物質として見たときに「空気」(英語では air)と言い、 地球や惑星のまわりにひろがっている物体として見たときに「大気」(英語では atmosphere)と言う。 地球を構成する部分のうち、 気体である部分を「大気」あるいは「大気圏」「気圏」という、と考えてもよい。

「水圏」(英語では hydrosphere)は、地球を構成する部分のうち、液体である部分、というとらえかたと、 H₂O を主要成分とする部分、というとらえかたがある。 (ただし、地球内部の「外核」は液体であることが知られているが、ふつう水圏にはふくめない。) どちらにしても地球の水圏の主要な部分は 海洋 [注1] なのだが、 それ以外の部分を扱うときや、ほかの惑星を扱うときは、 どちらの意味であるか注意する必要がある。 この授業では、H₂O を主要成分とする部分、とする。 地球上の 固体のH₂O (氷) の全体を「雪氷圏」(cryosphere) ということがあるが、 ここでの水圏は雪氷圏をもふくむ。 [この段落は、2021-09-20 授業中の判断にもとづいて、2021-09-26 改訂した。]

• [注1] 空気・大気のばあいと同様に、物質として見たときに「海水」(英語では sea water)、 地球のまわりにひろがっている物体として見たときに「海洋」(英語では sea あるいは ocean)と言う。

陸上では、大気と固体地球の境界面が、地面だ。 海上では、大気と海洋の境界面が、海面だ。 地面と海面をあわせた用語として「地表面」と言うことがある。 なお、海洋と固体地球の境界面は、海底だ。

大気・水圏は、地球全体にとっては、浅い層 [注2] にすぎない。 地球の大きさは、赤道から極までの周が1万 km (基本単位では1千万 mだが、ここでは便宜上キロメートルでそろえてみる)なので、 半径にすれば、約6千 km だ。 他方、海の深さは、最大で11 km、平均で約4 kmだ。 大気の厚さを論じるのはむずかしい。 気体の密度は圧力に応じてけたちがいに変わりうるからだ。 大気の気圧と密度の分布はともに 高さ 約 5.5 km ごとに半分になるような高さの指数関数で近似できる [注3]。 したがって、高さ 約 80 kmでは気圧は海面付近の大気の「2の15乗ぶんの1」つまり約百万分の30になる。 そこから上にも大気はあることはあるのだが、その質量は全体の百万分の30以下にすぎない。 気象学者の感覚であつかえる大気は、高さ 80 km あたりまでなのだ。 これを地球の半径と比べてみてほしい。

• [注2] ここで「浅い」というのは、高さ方向(地球の中心から離れる方向)の長さ寸法が小さいという意味だ。 日本語では「厚い」の反対の「薄い」のほうがふつうなのだが、 気体の話題では「薄い」は「希薄な」つまり「密度(=体積あたりの質量)が小さい」 という意味にもなるので、「薄い」を避けて、「浅い」と言うことにする。
  • (用語補足) [(勧めたくない用語) 「薄い大気」] (ブログ記事 2018-05-11)
• [注3] こうなる理由は、鉛直方向の運動方程式が「静水圧のつりあい」で近似できること、 密度・圧力・温度の関係が理想気体の状態方程式で近似できること、 大気のうちでは絶対温度がけたちがいには変わらないことで、説明される。 [大気の質量と気圧] のページの「密度と気圧の鉛直分布」の節にある図を参照。

それでも、地球の科学のうちで、大気・水圏は重要だと考えられている。

そのひとつの理由は、われわれ人類を含む生物が、地表面付近に生きているからだ。 人は空中や、地中や、海水中で、道具を使えば短時間は滞在できるかもしれないが、 生活を続けることができない。 その生存は、大気・水圏や、その中で生きる他の生物に依存している。

しかし、かりに人類や生物がいなかったとしても、 地球のうちで、大気・水圏で起きていることには、特徴がある。 そのうちで、わたしが重視しているのは、 地球とその外(太陽、宇宙空間)との間のエネルギーのやりとりのうち、 量的に大きな部分が、大気・水圏で起きていることだ。 これは、「地学」の授業全体の主題にかかわるので、 「地学」の第2回以後、少しずつ説明していくことにする。