• 上出 洋介 [かみで ようすけ], 2018: 太陽のきほん。誠文堂新光社, 159 pp. ISBN 978-4-416-61761-8.

2018年1月の新刊だが、「もくじ」の最後を見ると、2008年に出た同じ題名の本の改訂版だそうだ。わたしは、2018年1月に店頭で見つけて、地学概論の授業で紹介する本に含めるかどうか迷いながらひととおり読んだ。

まじめな入門書なのだが、スタイルは、半分が本文、半分がイラスト[注]で、イラストは写真のことも学術的グラフのこともあるが、漫画のこともある。本書のイラストは「うえたに夫婦」によるものだそうだ。

• [注] 「わたしの辞書にはイラストレーションということばはあってもイラストということばはない」のだが、ここは本書奥付の表現にしたがっておく。

そして、見開き2ページで1話になるようにデザインしている。わたしは、このスタイルに魅力を感じない。むしろ、文章の長さを実質1ページぶんごとにまとめなければならないという制約がきついと感じる。しかし、見てもらった学生のうちにはこういうスタイルのほうが読みやすそうだと感じた人もいたので、たぶん需要はあるのだろう。

「はじめに」でことわっているが、著者の専門は太陽そのものではなく、地球の(そのうちでは外側の)、太陽からくる陽子などの粒子の流れである「太陽風」を受けて起こる、オーロラや磁気嵐などの研究だ。『太陽と地球のふしぎな関係』[読書メモ]という著書もある。本書でも、その話題を含む最後の第5章が長めになっている。

第1章「太陽と私たち」は簡単な序論。太陽は人間にとって昔から重要だったこと。今では太陽自体ではなく地球の自転・公転によっておきることがわかっている日の出・日の入りや季節のできるしくみ、暦の約束など。

第2章は自然科学的にみて太陽はどういうものか。太陽では核融合が起きていること、光を出していることなど、まさに基本的な話。

第3章は太陽の活動のうち、とくに黒点と磁場のこと。

第4章も太陽の活動についてで、コロナのこと、フレアのことなど。

第5章は「太陽風」とそれが地球にもたらす影響の話。それから、人工衛星「ようこう」「ひので」も含めて、太陽を観測する技術の話。

第5章でとりあげられた太陽が地球にもたらす影響の話のうちに、気候の話もある。第62・63話で、いわゆる「太陽定数」は定数ではないが30年あまりの観測で変動幅はそれ自体の0.1%くらいにすぎないことが示される。第66話「地球気候への影響」ではそれを受けて、「太陽定数」の変動自体の気候への影響は小さいと思われるが、太陽活動から気候への因果関係はほかにもあるだろうとして、2つの可能性をあげる。そのうちあとに述べられた、紫外線の相対変動は大きいので成層圏のオゾン層の変動を通じて気候に影響しているだろうというのはわたしももっともだと思う。もうひとつとして、太陽磁場が銀河宇宙線を変調して雲に影響を与えるというのをあげている。太陽磁場あるいは太陽風から雲への影響のみちすじはほかにもありうると思うのだが、著者はそれを考えなかったのだろうか、考えたけれども省略したのだろうか。

そのあとに第67話「太陽黒点が世界史を変える?」が続く。17世紀以来の太陽黒点数の変動の事実はよいが、それと気候(寒さ、日照不足など)や農作物の凶作とを関係づける議論はおおざっぱだ。気候なり農業なりについて定量的なデータは示されていない。また、本書のここまでの議論をふまえれば、黒点は(気候に影響を与えうる)太陽活動のひとつの指標だろう。しかし第67話の言いまわしは黒点が気候に影響を与えるらしいというものになっている。さらに用語のことを言えば、「小氷河期」は「小氷期」としてほしかったし、「グランドミニマム」はたぶん太陽黒点あるいは太陽活動の極小期をさす表現であり「小氷河期」の同意語扱いしてしまうのはまずいと思う。わたしは初版を見ていないのだが、おそらく、初版から改訂版のあいだに、第66話は新しい知識で改訂されたが、第67話は古いまま残ってしまったのだろう。見開き2ページ1話完結のスタイルの欠点が出てしまったのかもしれない。

折り返しのあとに目次をつける。
Continue reading →

• 東京大学 地球惑星システム科学講座 編, 2004: 進化する地球惑星システム。東京大学出版会, 236+8 pp. ISBN 4-13-063703-7。

2004年5月に出た本。出版直後に出版会からお贈りいただいたのだった。それから、阿部豊さんによる第3章はたしかに読んだのだが、全体を通して読んでいなかった。阿部さんの『生命の星の条件を探る』[読書メモ]を読みながら、基本的に同じ話題(もちろん話題の展開にちがいはある)を本書で読んだのを思い出した。この本は今年わたしが授業を担当している大学の図書館にもあり、受講者に勧める本に含めたほうがよいと思ったので、全体にざっと目をとおして紹介することにした。

地球を含む惑星の科学に関する入門書のひとつである。ただし、この分野をはじめて学ぶ人にはむずかしいだろう。さきに高校の地学の範囲をだいたいカバーした概説書を読んでからがよいと思う。そういう概説書はたいてい、複数の人がそれぞれ自分の専門を書いていて、読者は全体像がつかみにくいという不満を感じるだろう。本書はそういう不満を少し減らしてくれるかもしれない。

本書ができた背景には大学の教育・研究組織の再編成があった。東京大学では、2000年に、理学系研究科(理学部に対応する大学院)の地球物理学、地質学、鉱物学、地理学の専攻を統合して「地球惑星科学専攻」とした。その内わけの組織は5つの(大)講座とした。「地球惑星システム科学講座」はそのひとつなのだ。ほかの大講座は、大気海洋科学、宇宙惑星科学、固体地球科学、地球生命圏科学で、研究の対象によってわかれている。地球科学の中の専門分化したdisciplineをそれぞれいくつか たばねたものと言えるだろう。「地球惑星システム科学」は、対象の面でもdisciplineの面でも横断的であり、ほかの大学の類似の組織と同様な内容とは言いきれず、そこに集まった教員たちがそれが何であるのかを示していく必要があるのだ。本書は2004年現在のその講座のメンバーによる展望だ。その後、亡くなった人、退職した人、転出した人もあり、新しい人が参加しているから、今のその講座が同じ態度をひきついでいるかどうかはわからない。

【わたしは1992年に東大を離れたのだが、もし残っていたらこの講座に参加していただろうと思う。】

本書まえがきにもあるように、「地球システム科学」は、NASAの諮問委員会が1986年・1988年に出した報告書以来、よく使われることばになった。(それが出たNASAの側の事情については、Oreskes & Krige (2014)の本[読書メモ]で読んだ。) 有名になったその報告書の図[わたしの教材用ページ]で代表されるように、「地球システム」として扱われる対象は人間環境問題にかかわる地球表層であることが多い。

それに対して、本書の地球惑星システム科学は、地球や惑星の内部(コア=中心核)から外側(磁気圏など)まで、また、太陽系や地球の歴史全体も含めたあらゆる時間スケールを扱おうとする。

そういう科学の体系ができあがったわけではない。本書の内わけも、メンバーのそれぞれの研究対象の紹介が大部分をしめていて、それぞれに少しずつ「システム」への言及があるものの、「システム」の意味は必ずしも同じではないと思う。

しかし、編集の中心となった、茅根 創[かやね はじめ]さん、田近 英一さん、阿部さんによる、本書最後の第12章で、少なくともこの3人が「システム」をどういう意味で考えているかは示されている。要約するのがむずかしいが、その章のうちの節の表題をあげておく。「システム構成要素とその時間スケール」「要素間の相互作用とその原動力」「フィードバックとシステムの安定・不安定」「システムの変動と進化」。ただし、本書全体の題名にもある地球・惑星の「進化」は、Darwin型の突然変異・自然選択による進化ではないことに注意が必要だと思う。第12章の本文から読み取れる限りでは、この「進化」はほぼ「分化」あるいは「多様性が増す」ことと同じらしい。

各論のそれぞれの章について簡単に紹介する。

第2章「太陽系の原物質とその進化」(永原 裕子[ひろこ])。太陽系の形成の理論を検証するおもな証拠は、隕石の元素組成・同位体組成やその岩石物質の形状だ。

第3章「地球惑星システムの誕生」(阿部 豊)。地球には液体の水の海があるが、これが可能になったのは、地球形成時に水物質がどのように取りこまれたのか。また、水が液体であるような温度条件はどのようなものか。

第4章「冷却する地球の進化」(栗田 敬[けい])。地球は、低温の物質が集積して形成する過程で高温になり、それからゆっくり冷却してきたと考えられている。今も地球内部には放射性核種の崩壊による熱源があり、外界との温度差によってマントルの対流が生じている。火成活動のホットスポットと呼ばれるものの原因は未解明だが、マントル対流のプルームとして解釈できるかもしれない。

第5章「スノーボールアース — 凍りついた地球」(田近 英一)。地球表層の水の大部分が凍っていた時代があったらしい。(今では「全球凍結」という表現がふつうだと思うが、本書が書かれたころ専門家たちは日本語のなかでも英語のsnowball earthという表現を使っていた。) 凍結状態のあとは急激に暑い気候に移ったらしい。そのしくみを考えるうえでは岩石圏・大気・海洋にわたる炭素循環のシステムが重要であり、それに関する証拠は石灰岩などに残されている。

第6章「カンブリア紀における生物の爆発的進化の謎」(Joseph Kirschvink [ジョセフ カーシュビンク])。地球の歴史のなかで、カンブリア紀以後が「顕生代」とされる。それ以後に生物の化石がよく残っているのだ。カンブリア紀に、多細胞の生物、硬い骨格をもった生物の進化が爆発的に進んだ。そのきっかけとして、全球凍結も重要だっただろう。著者はもうひとつ、地球の自転軸が動いたという仮説を提唱する。

第7章「2億年の地球のリズム」(浜野 洋三)。地磁気は逆転をくりかえしてきた。その記録が海洋底に連続的に残っているのは最近2億年ぶんだ。逆転の頻度が高い時期、低い時期がある。著者は、地磁気をつくっているコアの対流と、大陸の離合集散をおこしているマントルの対流とが、両者の境界で相互作用していると考える。

第8章「天体衝突と地球システム変動」(多田 隆治)。中生代の終わりには恐竜をはじめとする多くの生物種の絶滅が起きた。これが天体(小惑星か?)の衝突によるという説が有力になってきた。著者はキューバで地層の野外調査をし、サンプルを分析して、津波の証拠、海洋の炭素循環の変化の証拠などを示している。

第9章「アイスエイジの気候変動」(横山 祐典[ゆうすけ])。地球史のうちでは最近の約2百万年間には、氷期・間氷期サイクルがあり、その原因は地球の軌道要素変化で説明された部分もあるが、10万年周期の説明はむずかしい。氷期中や氷期の終わりにはもっと急激な気候変化もあり、海洋の深層循環が主役だと考えられている。

第10章「地球の水とアジアモンスーン」(松本 淳[じゅん])。これは現在の気候の話題。雨は人間社会にめぐみをもたらすがその変動は災害ももたらす。それは大気・水圏全体の水循環システムの一部でもある。地球上の水循環は大まかには緯度帯に対応して分布する。しかし、同じ熱帯・亜熱帯のうちでも、アジアからインド洋にかけては季節によって風向が逆転するモンスーンが発達しているという特徴がある。

第11章「地球温暖化に対する生命圏の応答」(茅根 創)。サンゴの「白化」とは、サンゴに共生する藻類が死滅することで、サンゴの死滅につながる。最近、温度上昇によって白化がふえている。サンゴ礁は炭素循環にもかかわっており、温度、二酸化炭素、サンゴ礁の状態のあいだには複雑なフィードバックがある。生物は進化によって環境変化に適応することがある。サンゴに共生する藻類が高温に強い遺伝型のものに入れかわっていることはその例と考えられる。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading →

• 阿部 豊 (解説: 阿部 彩子), 2015: 生命の星の条件を探る。文藝春秋, 238 pp. ISBN 988-4-16-390322-4. [わたしはこの版で読んだ。]
• [2018-12-31 補足] 2018年6月に「文春文庫」としても出版された。

発行日は2015年8月30日となっている。わたしはそのころから本の存在は知っていたのだが、読むのをのびのびにしていた。2018年1月に、著者が亡くなったという知らせを聞いて、読まなければ、という気になった。しかし実際に読むのは4月になった。

著者は惑星形成論の理論家だ。なお、(いつからかは本書の著者紹介で知ったのだが) 2003年から、筋萎縮性側索硬化症(ALS)を発症している。本書の執筆には3年かかったそうだ。(本書の解説によれば) 口述で原稿をつくり、パソコン上でカーソルを動かして修正するという形で進めたそうだ。

本書は一般の人向けの読みものとして書かれた。とくに、地球科学・宇宙科学を学びはじめようとしている人が読むのに適していると思う。ただし、参考文献は、読者への案内という意味でも、出典表示という意味でも、示されていない。入門書として読むならば、それを別の源からおぎなう必要がある。

ここからだいたい、わたしが速く読んで、本書の要点だと思ったことの抜き書き。

序章。著者は地球に生命がいることを「奇跡」とは考えない。太陽系外のあちこちに惑星(「系外惑星」)があることはわかってきた。生命が存在する条件をみたす惑星はあるにちがいない。

第1章「水」。生命には物質の出入りが必要だ。そのための媒体(溶媒)が必要で、それに適したのは固体や気体ではなく液体だ。液体になりうる物質としてはメタンなどもありうるが、メタンを溶媒とする生物がありうるかはまだわからない。ここでは水を溶媒とする生物を考える。(水は極性分子、メタンは非極性分子であるというちがいもある。)

生命が活動する場が、惑星内部であっていけないことはないが、観測困難なので、惑星表面に液体の水が存在する条件を考える。

惑星が液体の水をもつためには次の3つの条件が必要だ。
1. 惑星が形成されるとき、H2Oあるいは惑星上でH2Oになる原料物質がとりこまれること。
2. H2Oが惑星の表面にとどまること。(宇宙空間に逃げ出したり、惑星内部にとじこめられたりしないこと。)
3. H2Oが液体であること。(これは温度・圧力条件により、それはエネルギー収支により、それには大気成分も温室効果によって影響をおよぼす。)

39ページの図は、著者の博士論文になった研究(あるいはその改訂版にあたる研究)によるものだと思う。グラフの横軸に惑星放射、縦軸に大気中二酸化炭素量をとっている。液体の水がある領域は、4辺にかこまれている。
上: 超臨界流体 … 水蒸気と水の区別がつかない
左: 液相二酸化炭素 … 二酸化炭素の温室効果がきかない
右: 暴走温室状態 … 水蒸気の温室効果で高温になり、水は気相(水蒸気)だけ
左下: 全球凍結状態 … 水は固相(氷)
今の地球の「惑星放射」は240 W/m²だ。暴走温室になる条件は、この図では惑星放射 300 W/m²ぐらいになっている。新しい研究結果では 280 W/m²ぐらいだ。ただしその新しい研究も理想化した条件(湿度100%、雲なし、全球平均)なので現実の地球に対しての数値が示されたとは言いきれない。第5章で紹介される大気モデルによる数値実験では、太陽放射が今より10%以上多いと暴走温室がありうる。

水の存在が持続する条件には、大気の散逸、太陽放射の増大、大気中の二酸化炭素量がある。
大気の散逸について。火星は質量が小さすぎたので大気を失ってしまったようだ。いまの地球大気は、対流圏と成層圏のさかいが低温であることが、水蒸気が逃げるのをふせいでいる。こうなっていなかったら地球の海が消えていたかもしれない。
太陽放射の増大について。太陽の核融合反応の進展とともに太陽放射が増大するので、地球は数十億年後には液体の水が存在しない温度になる。
大気中の二酸化炭素量について。海があると、二酸化炭素が石灰岩として固定され、温室効果が弱まる。寒くなりすぎないためには、大気中に二酸化炭素を補給するしくみが必要だ。

海がある条件として、H2Oの量の条件はあまりきびしくない。今の地球の海の8分の1くらいあればよい。放射収支の条件がきびしい。

第2章「地面が動くこと」。
地球では、大気中の二酸化炭素量が安定に保たれている。地球内部からの「脱ガス」によって二酸化炭素が供給される。他方、二酸化炭素は水にとけ、鉱物の化学風化にかかわり、カルシウムイオンとともに炭酸塩として沈殿し、この炭酸塩の炭素が地球内部にもどっていく。

いまの地球では、プレートテクトニクスによって、海洋底拡大や大陸移動がおきている。なお、著者は、プレートテクトニクスはマントル対流の一部分である、としている。プレートの沈みこみ域で、炭酸塩の一部分が加熱されて、大気中への脱ガスがおこる。大気への二酸化炭素の補給には、プレートテクトニクスが必要とはいいきれないものの、いまの地球でのその量は、プレートテクトニクスに支配されている。

中生代には、プレート運動が速く、脱ガスが速まり、大気中の二酸化炭素が多く、気温が高かった。また、プレート運動が速い結果、海洋プレートが厚いので、海水準が高かった。しかし、逆にプレート運動が遅い時代には寒冷になるのかは、証拠不じゅうぶんだ。

第3章「大陸」。
生物に陸地は必要か? 著者は、必須かもしれない、と考える。

まず温度条件について。大陸上にある炭酸塩は炭素循環からはずれる。陸がない場合に比べて、温室効果が弱くなり、気温は低くなる。

それから、元素の循環、とくにリン。地球で進化した生物の場合、リンはDNA・RNAにもATPにも使われる必須の元素だ。リンは海では得にくい(深海に沈んでしまうと表層に出てこない)。大陸があって、その岩石が風化することによって、供給されている。

第4章「酸素」。
この章の議論は、惑星に生命が存在する条件ではなく、生命の存在する地球で実際に起きたことだ。複雑な生物が存在できる条件、とはいえるかもしれない。

生物は有機物を合成し、それを分解してエネルギーを取り出して使う。有機物の分解に酸素を使えると、より多くのエネルギーを取り出すことができる。

大気中の酸素は、生物にもうひとつの恩恵も与えている。成層圏オゾン層ができ、生物に紫外線が届くのをふせいでいる。

太古の地球には酸素がなかった。その中で「嫌気性生物」が進化した。光合成植物の出現で、酸素を含む大気ができ、「好気性生物」が優勢になった。ただし、酸素濃度が高くなるためには、光合成だけでなく、有機物の埋没が重要だ。

地球では少なくとも3回の全球凍結がおきたと考えられている。全球凍結と言っても、海の底まで凍結したわけではなく表面に氷がはったのだろう。酸素濃度増大は(3回それぞれの)全球凍結の直後におきたらしい。因果関係としては、高温になって大陸の岩石の化学風化が進み、海の栄養塩がふえて、光合成が活発になった、という可能性がある。ただし、酸素濃度増大にとって全球凍結が必要だったわけではないだろう。

第5章「海惑星と陸惑星」。
惑星がもつ水の量によって、生命が可能な(habitableである)条件はどう変わるか。

ここで「海惑星」と「陸惑星」という概念を導入する。つながった海をもつのが海惑星、水がどこにたまるかが大気とのあいだの交換(降水と蒸発)で決まるのが陸惑星だ。

地球の大きさの惑星が陸惑星になるのは、海の面積では惑星の半分以下、水の量では現在の地球の海の10分の1以下の場合だ。

陸惑星は見つかっていない。太古の火星は陸惑星だった可能性がある。土星の衛星タイタンは、湖にたまっているのが水でなくメタンであることを別にすれば陸惑星と同じ特徴をもつようだ。

気候モデルによる数値実験(著者自身と解説を書いている阿部彩子さんとの共同研究、論文2011年)によれば、陸惑星のほうが、水が液体でいられる (太陽放射の強さの)範囲がだいぶ広い。これは予想外の結果だったが、水は、水蒸気フィードバックやアイス アルベド フィードバックによって環境の変動を増幅させるので、海惑星のほうが暴走温室や全球凍結におちいりやすい、ということで説明できる。

第6章「惑星の巨大衝突」。
惑星の形成過程は、固体物質が衝突・合体をくりかえして「塵」から微惑星、原始惑星、惑星と大きくなってきたと考えられている。原始惑星どうしの衝突を giant impact (巨大衝突)という。

中心星(太陽)の近くでは、氷を主成分とする「塵」が揮発するので、木星のような巨大ガス惑星はできないはずだ。しかし、系外惑星では、巨大ガス惑星が中心星の近くに存在することはある。できてから移動したらしい。

第7章 「大気と水の保持」。
地球の水の量(おもに海水)は、惑星質量に対しては 0.023% だ。なぜこのような値になったのかについて、まだすじのとおった説明はない。

地球の大気は、捕獲大気ではなく、脱ガス大気だ。地球のH2Oも大気と同様、固体物質から脱ガスしたものだろう。

地球にH2Oを供給したもとは、彗星という説、小惑星帯付近の固体物質という説もあるが、おもに地球軌道付近の微惑星だろう。とりこんだ時期については、著者は、地球形成初期と考えている。

巨大衝突で温度が上がり、マグマオーシャンが形成されれば、水蒸気大気が暴走温室状態になったはずだ。その後、マグマオーシャンがいくらかひえて、雨がふり、海になる。これは、原始太陽系の形成から3-5千万年のあいだにおきたと考えられている。

金星は、太陽から届く放射が多いので、暴走温室状態が長く続く。太陽の紫外線で水蒸気が分解され、水素は宇宙空間に失われる。(酸素はマグマオーシャンに吸収されるだろう。) 水蒸気が減れば温室効果が弱まってマグマオーシャンは消滅する。そして、水がほとんどない「乾燥」状態にいたる。(海ができたとしても、その後に暴走温室になって、海は失われただろう。)

火星は、放射収支から考えると、液体の水が存在することは困難だ。しかし、かつて液体の水が流れたらしい地形がある。その水は外に散逸したか、氷として地下にあるか、わかっていない。

系外惑星の場合は、捕獲大気に由来するH2Oがある可能性もある。ただし、捕獲大気が残るのは氷が安定に存在する領域だと考えられるが、それは液体の水が安定に存在する条件とかさならない。H2Oが運ばれることが必要だ。

第8章「大きさ」。
ここでは地球型つまり岩石質の惑星にしぼって考える。

小さい惑星は、(いろいろな理由で)大気を失いやすい。火星はかつて持っていた大気のほとんどを失ったと考えられている。

地球型の惑星の大きいほうは質量が地球の10倍くらいまでだろう。質量の大きい惑星の大気は水素を多く含むだろうから、生物が酸素を出しても、酸素の多い大気ができなかっただろう。また、大きい惑星は「水びたし」(陸がなく海ばかり)になる可能性が高い。したがって、(著者の想像では) 大きい惑星では生物が発生しても複雑な生物が進化するには至らないと思われる。

第9章「軌道と自転と他惑星」。
惑星の公転軌道は楕円だ。もしその楕円の離心率が大きかったらどうなるか? 気温の年内の変化が大きくなる。(とくに陸惑星の場合に変化が大きい。) しかし、地球くらいの大気や海があれば、平均的気候は、年平均の日射で決まる。

自転軸の傾きの影響。
傾きがなかったら (いまの地球のような) 季節はない。
傾きがハドレー循環の幅(いまの地球では緯度幅として30度くらい)よりも大きかったら、「低緯度が暑く高緯度が寒い」とはかぎらない。そして、全球凍結は起こりにくいが、季節変化が大きくなる。なお、ハドレー循環の幅は、自転周期が短いほど狭い。
傾きは、最初はジャイアントインパクトで決まり、どちらを向くかは偶然だ。その後、月や太陽の潮汐力によって、公転面に垂直に近づく。

自転周期について。潮汐力は、自転周期を公転周期に近づけようとする。その結果、自転が公転に同期したら、半年が昼、半年が夜になる。

今の地球でも、他の惑星の引力によって、軌道離心率、近点を通過する季節、自転軸の傾斜が、それぞれ変化しつづけている。いわゆるミランコビッチ サイクルだ。離心率の変化は、気候への直接の影響は小さいが、近点を通過する季節の変化を通じて、半球別・季節別の日射にきく。現在の地球では北半球に陸が多いので、気候は北半球の夏の日射に敏感だ。

この章では「もし月がなかったら」「もし木星がなかったら」「もし木星・土星・天王星がもっと巨大だったら」などの考察もしている。

第10章「恒星」。
恒星の質量によって、明るさ(光度)、温度、寿命がちがう。生命の存在の条件としては、生物の進化に必要な時間のあいだ、恒星が持続するか、また、恒星の光度が惑星が habitable zone にある範囲で持続するか、という問題がある。地球の場合、いまから10億年後には温度が上がりすぎてhabitableでなくなると見積もられている。

恒星の組成によって、惑星をつくる材料がちがう。太陽系ができたとき、前世代の星の残骸である重元素があった。だから、リンなどを含む生物が可能だった。いまの宇宙には重元素はもっとふえている。

結び: 「ドレイクの方程式」を超えて。
宇宙には地球以外にも液体の水をもつ惑星はあるだろう。生物がいるためには、それに加えて、水が地表にあることがたぶん必要だ。大陸があることも、リンの供給などのために、たぶん必要だ。

生命が存在すれば進化するだろう。しかし、地球と同じように進化するとはかぎらないだろう。

ドレイク(Frank Drake)は1961年に、宇宙のうち交信可能なところに知的生命が生じた惑星がどのくらいあるかを論じた。著者は、このような考えかたをすることに賛同する反面、この式自体の数値を求めなおしてみることには意義を認めていないようだ。問題の定式化からやりなおすべきだという考えなのかもしれない。

補遺。
地球の磁場は太陽からの荷電粒子(太陽風)が地上に届くのをふせぐことによって、生物の生存の助けになっている。しかし、地球磁場が短期的に弱まったことはたびたびあり、それで地球の生物が大きな影響を受けた証拠はない。著者は、磁場は生命の必要条件ではないと考えている。

折り返しのあとに、くわしい目次をつける。
Continue reading →

• 杉本 大一郎, 2003: 使える数理リテラシー (放送大学教材 1271571-1-0311)。放送大学教育振興会 (発売: 日本放送出版協会), 215 pp. ISBN 4-595-23674-3.
• 杉本 大一郎, 2009: 使える数理リテラシー。勁草書房, 179 pp. ISBN 978-4-326-60223-0.

物理や経済学などの知識を使えるようにしようと思うと、それが使っている数学(「数理」と言ったほうがよいかもしれない)のことばをも使えるようになる必要がある。数学の教科書や入門読みものはたくさんあるが、そのほとんどは数学を専門とする人(または数学教育を専門とする人)が書いている。数学者の数学は、抽象度が高く、そのおかげで多くの対象に適用できるのだが、それを説明した本を読んでも、具体的な対象への適用のしかたは身につかない。数学のことばを使う側の人による手引きがほしい。本書は、そういう意識で書かれた、まだ少ない本のひとつだ。

ここで扱われる数学は、微分積分など、連続量(数学の数の分類で言えば実数値や複素数値をとる数量)を扱うものだ。

著者は、物理を学び、それを適用して天体の物理を研究し、ながらく東京大学教養学部で大学初級の学生むけの地学(宇宙地球科学)の宇宙の部の授業を担当した。(わたしはその授業を受けた。その後ながく印象に残っていたことを[別の本の読書ノート]に書きこんでしまった。) その最後のころには天体力学の多体問題に特化した計算機の開発に取り組んだ。1997年からは放送大学教授として、宇宙科学に関する科目にくわえて、科学全体への入門的科目も担当した。そのひとつとして「使える数理リテラシー」という科目が企画され6年間ラジオで放送された。本書の初版はその講義のテキストだ。(わたしは、その科目の意義を感じてテキストを買ったものの、これまでしっかり読んでいなかった。) 開講が終わるとともに放送テキストとしての出版も終わったが、別の出版社から同じ題名の新版が出た。内容の入れかえがある。ここではまず新版にそって紹介し、あとで初版にだけある項目にふれる。

本書は、高校レベルの数学はだいたいわかるが、それと物理や経済や日常生活とのつながりが感じられない人にとって、そのつながりがわかるきっかけを与えてくれる本だと思う。数学が苦手な人には、残念ながら、本書は近づきがたいだろうと思う。

ここから、(まだていねいに読んでいないのだが) ひととおり読んで主要と思われた論点を紹介してみる。

第1-2章。本書でおもに扱うのは「量」だ。量どうしの演算(たとえば、たしざん)は、それぞれの量の性質(属性)によって、できる(意味がある)場合とできない(意味がない)場合がある。量は「次元」をもっている。量どうしのかけざん・わりざんをすれば、次元もかけざん・わりざんされる。物理量の単位は、この次元をふまえて組み立てられている。

第3-5章。
数量を扱う文脈には、たしざん・ひきざんがおもになるものと、かけざん・わりざんがおもになるものがある。本書では、両方とも出てくるが、どちらかといえば後者が重視されている。数量どうしの差よりも比のほうに注目するのだ。しかし、同じ次元だが大きさがけたちがいの量をいっしょに扱うときには、グラフの軸の尺度にはもとの量よりもその対数をとったほうがよい。もとの量のかけざんに対応するのは対数のたしざんで、もとの量の比に対応するのは対数の差だ。
無限大・無限小といった概念は、数学での使われかたと、それを応用する分野での使われ方はいくらかちがっている。例として、物理のうちの熱力学での「準静的」あるいは「実質上無限にゆっくり」とはどういうことか、という話がある。

第6章。数量のあいだの関係を関数であらわす。1次関数、べき関数(xのn乗という形)、指数関数。

第7-9章。微分と積分はどんなところに出てくるか。
微分が出てくる典型として瞬間速度がある。経済でいう「限界効用」は効用を財の個数で微分したものだ。関数を厳密に計算できないとき、微分を使って、関数を「テーラー展開」してそのはじめのほうの項によって近似する。
積分が出てくる典型は面積や体積を部分の和として求める問題だ。振動する現象の記述には、三角関数あるいは複素数の指数関数の微分・積分を使う。
微分・積分を含む計算をして何かを知ろうとする問題設定として、「ものごとを最適化する」「効果をよせあつめる」「局所的なものから全体を解く」「境界条件がものごとを決める」という話題がある。

9.5節(初版にはない)の「フローとストック」は時間とともに変化する物理量(経済量などでもよい)を含むシステムの考えかただ。たまっている水の量が流入と流出によって変化することが典型とされている。定常状態(「動的平衡」ともいう)がありうる。地球温暖化も、定常状態がゆっくりと変わっていく現象として説明されている。

第10章はべき関数と指数関数の話題にもどる。べき関数に関連して、フラクタル次元の話がある(あまり詳しくない)。指数関数は、ある変数の時間微分がその変数自身に比例するようなフィードバックがあるときに出現する。ある変数の時間による2回微分がその変数自身に比例するような問題では、指数関数型の増幅・減衰とともに、振動がおこりうる。それは複素数の指数関数でまとめて表現できる。このようなシステムでは、平衡状態が安定か不安定かを論じることができ、そのような考えかたはもっと複雑なシステムを考えるときにも使われる。

第11-14章は統計の基礎知識。このうち第11-13章は初版にはなかった。第14章は初版の第13章をひきついでいる。
第11章は数値データの基本的統計量。数値は実数値をとるが、データは有限個の場合。平均、分散、N次のモーメントなど。
第12章は連続量の分布関数。そして「微分スペクトル」と「積分スペクトル」の考え。これはたとえば、光のエネルギーの波長別の分布を考えるとき、横軸に波長、縦軸に単位波長あたりのエネルギーをとったグラフを考えたとき、そのグラフの曲線に注目するのが微分的とらえかたで、曲線の下の面積に注目するのが積分的とらえかただ。それから、2変量のデータの扱い。散布図、共分散など。
第13章は、データからシステムの性質をさぐること。そのために、システムがしたがっていると思われる規則から確率分布を導き、データがその確率分布にしたがう母集団からのサンプルであると見てよいかを評価する。理論的確率分布としてよく使われるのは、正規分布のほか、指数関数、べき関数がある。対象の全部がひとつの分布関数であらわせるとはかぎらない。(たとえば、乱流の空間規模別エネルギー分布では、渦の規模の大きいところと小さいところで、ちがう式にしたがう。)
第14章は相関について。数量のあいだの相関は、相関係数で表現できる1次相関だけではない。相関係数がほぼ0でも散布図をかけば明確な関係が見えることもある。データが複数のタイプの集団から来るものを含んでいることもある。時間(または空間)の関数でもある変数については、異なる時刻(または位置)の自分自身との相関を考えることができる(これを自己相関という)。これは現象やそれをおこす原因の時空間規模を知る手がかりになる。

むすびの第15章(ラジオ講座の最終回)は数学基礎論の 隈部 正博 教授との対談で、著者のいう数理リテラシーと、数学者のいう数学との関係などを論じている。

初版の第11章は「重ねあわせのできるものとできないもの」。「線形と非線形」とほぼ同じことだ。重ね合わせられるものの例としては、三角関数(sin, cos)で表現された波の重ね合わせをあげている。

初版の第12章は「ものごとを見るアスペクト」。おもに座標の回転の話。まず2次元の場合について、座標の回転を2×2行列であらわしている。そして、楕円(「長円」としている)の長軸に座標軸をあわせる変換。それから、一般の多次元に話をひろげている。

初版の第14章は「原因と結果の葛藤」。相互作用のあるシステムをどう扱うか。
たとえば太陽・木星・地球の三体問題は、因果関係を同時に考慮して式をたてると解けない。地球の運動に対する木星の引力は太陽の引力のε倍だとすれば、εは小さいので、太陽と地球の二体問題で決まる軌道から始めて、εの1次、2次と近似を高めていく「摂動論」が使われる。
相互作用が強くて摂動論が不適切な場合について一般的に有効な方法はない。熱力学的に非平衡な状態が定常的に持続しているシステムでは、エントロピーを考えることによって見通しがよくなる。社会のようなシステムを考える際には、システムの全体としてのふるまいは必ずしも部分のふるまいの総和ではないことが重要である。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading →

• Daniel Fleisch & Julia Kregenow, 2013: A Student’s Guide to the Mathematics of Astronomy. Cambridge University Press.
• [日本語版] ダニエル・フライシュ、ジュリア・クレゲナウ 著, 河辺 哲次 訳, 2014: 算数でわかる天文学。岩波書店, 254 pp. ISBN 978-4-00-005414-0.【[2024-09-12 補足] この版は版元品切れだが、2020年にオンデマンド版がでた。ISBN 978-4-00-730989-2. また、電子出版もある。】

日本語版は2014年に出た本。わたしは、2018年4月に、(もとの「岩波ブックセンター」のあとに) あらたに開店した、岩波書店の本をならべている「神保町ブックセンター」で見つけた。

天文学の話題に、数量を実際に計算してみることによって慣れようという、教科書的な本だ。とくに、計算の課題を、四則演算(たしざん、ひきざん、かけざん、わりざん)で計算できるものにしぼっているのが特徴で、日本語題名はそれを「算数」と表現した。理屈をしめす式では変数を文字であらわしていて、四則演算よりも複雑な数学(平方根、指数関数、対数など)がはいってくることはある。できあがった式に数値を入れるところが算数でできるようにしてあるのだ。(ただし、対数の計算をさせているところはあるかもしれない。1970年代ならば対数表をくばるところだろうが、いまでは電卓か「スマホ」の電卓機能を使えばよいだろう。)

天文にかぎらず数量の操作に慣れるための教材として、とてもよい本だと思うのだが、用語がうまくないと思うところがある。以下、おもにわたしの理解した要点の紹介だが、用語についての不満をはさんでいる。

第1章「単位がわかる」。
そのうち1.1節ではまさに物理量の単位の換算(本書の表現では「変換」)を扱っている。
本書の特徴は、単位換算の係数(「変換ファクター」)を、両方の単位を明示した分数で式に入れることを勧めていることだ。たとえば「1時間/60分」などを(斜線でなく)横線の分数で式に入れるのだ。そうすると、分母・分子に同じ単位があれば「約分」のような形で消えて、どの単位が残るかが明確になる。これは単位の扱いに慣れていない人の初歩の経験には勧められそうだが、慣れた人にはめんどうに感じられるだろう。
ベキ乗(平方、立方)による単位(「指数をもつ単位」という表現はわかりにくいが)の換算の注意もある。
物理量の次元の概念は、SIの複合単位の話などで、実質的には使われている。しかし「次元」ということばは、長さと面積のちがいの文脈で出てくるだけなので、物理量の次元という意味と空間の次元という意味が分離されていない。(しかも「線形な次元」ということばが出てくる。linear dimensionの直訳にちがいないが、線形代数での線形とはちがう意味であり、日本語表現としてうまくないと思う。「長さの次元」か「長さという次元」としてほしかった。)
【[2024-09-12 補足] 長さの単位に、インチ、フィート、マイルなどがでてくるのはアメリカの教材の翻訳だからであり、日本語圏の学習者は読みとばしたほうがよい。しかし、時間の単位の換算、とくにSI基本単位である秒と天文学でよくつかわれる年との換算はさけられない。】

1.2 節は「絶対法と比率法」とされている。これは、数量を扱う計算をするときの態度を分類したものだ。ここでいう「絶対法」は、物理量の次元をもった量を単位つきで扱う態度、「比率法」は、同じ次元をもった物理量どうしの比較 (多くの場合は比) を扱う態度だ。どちらをおもに使うにしても、他方をも知っておく必要がある。(高校生のとき、わたしはここでいう「絶対法」で考えるくせがあって、他の生徒が「比率法」で考えているのを知って、そのときの問題についてはそのほうが考えやすいので、感心した。)

1.3節は「比率の問題」とされている。この題目はわかりにくい。ここでの「比率」は、英語の rate で、何かの量の単位時間あたりの流れや変化量をさすのだ ([別ブログ2014-11-01の記事]参照)。Harte (1988)の本の日本語版(『環境問題の数理科学入門』, 2010年)[読書ノート]では、英語のrateを一貫して「率」としたが、日本語の慣用の科学用語とずれてしまった。しかし、用語の選択はともかく、単位時間あたりの量と、それを時間について累積した量との関係を理解することは重要だ。

1.4節は「科学的表記」とされている。この表現も英語からの直訳で日本語ではなじみがないが「なになにかける10のなん乗」という形の表現のことだ。「有効数字」のことも指摘されている。なお、計算問題に答えるときの有効数字のとりかたについて、一般的な指針はないのだが、著者自身が出す演習問題を想定した場合は、計算の過程では6-8けたの数値を使い、結果を書くとき2けたにまるめることを勧めている。

第2章は「重力がわかる」。万有引力の法則の式に数量を入れて計算する。運動方程式に数量を入れて計算する。ケプラーの法則に出てくる楕円軌道の数値による表現を理解する。ニュートンの理論によって裏づけられたケプラーの法則に数量を入れて計算する。

第3章は「光がわかる」。光を含む電磁波のスペクトルの概念を理解する。音などとも共通な波の概念として、周波数、波長、振幅、電磁波特有のこととして、光子のエネルギーと周波数の関係がある。それから黒体放射の話になり、ウィーンの法則、ステファン(・ボルツマン)の法則が示され、それに数量を入れて計算する。(「放射」と「輻射」は同意語とされながら両方とも使われている。) 次にドップラーシフトの話。視線速度と周波数のずれの関係。周回(公転)している天体の視線速度はどうなるか。視線速度から周回運動をどのように推定するか。

第4章は「天体観測がわかる」。視差とは、基準線の両側から対象物を見た角度のずれだ。基準線の長さと視差から対象物までの距離を知る。また、視直径(角度)、実際の直径(長さ)、対象物までの距離はどんな関係にあるか。ここまでは、幾何学の応用で、三角測量と同様だ。それから、望遠鏡の分解能の話に移る。ここは波としての光の干渉がからむ、わたしにとってはむずかしい話だ。

第5章は「星がわかる」。年周視差 (地球の公転軌道の直径を基準線とした視差の半分) と星までの距離の関係。星の光度と見かけの明るさ、見かけの等級、絶対等級(標準の距離で見たとしたときの等級)。そして、横軸に表面温度(の対数)、縦軸に光度(の対数)をとった「HR図」。恒星の質量などいろいろな物理量を、太陽のなん倍という「比率法」と、物理量の単位をもたせた「絶対法」の両方でとらえる。

【[2018-10-15補足] 5.2節の光度(luminosity)のところで、光度の単位はワットであることを説明したところで比較対象に電球のワット数を持ち出している。単位時間あたりのエネルギーという同じ次元をもつ物理量であることはよいのだが、電球にしめされたワット数が電球の光度であるとしているのはまずい。電球のワット数はふつう消費電力をさし、そのエネルギーが全部光になるわけではない。】

第6章は「ブラックホールと宇宙論がわかる」。
前半はブラックホールの話。まず物質の密度 (質量わる体積)の概念の確認。それから「脱出速さ」(見慣れない用語だが、ベクトル量でないので「速度」としなかったのはもっともだ)。天体から打ち出された「投射体」の速さがこの値以上ならば、天体のまわりを周回しない軌道に達することができるのだ。そして、脱出速さが光の速さに等しくなるところがブラックホールの「シュバルツシルト半径」。

後半は膨張する宇宙の話。天体までの距離と、その天体の(見かけの)後退速度とには、比例関係が見られる(ハッブルの法則)。その比例係数「ハッブル定数」は、時間の逆数という物理量の次元をもつ。ハッブル定数の逆数が、宇宙の膨張率が一定と仮定した場合の宇宙の年齢だ。ただし、膨張率は一定ではないとする理論もいろいろある。
(ここでの「膨張率」は、膨張のrate (単位時間あたりの量)だ。しかも、距離の単位時間あたりの変化を距離自体で割った相対変化rateであり、[別ブログ2015-05-07の記事]で「相対変化率」としたものにあたる。熱膨張(温度による体積変化)の話題での「膨張率」とはちがう概念だ。)

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading →

• 日本地質学会 編著, 2017: はじめての地質学 — 日本の地層と岩石を調べる。ベレ出版, 247 pp. ISBN 978-4-86064-522-9.

2017年9月の新刊。わたしは2018年3月に見つけ、4月からの地学概論の準備のために目をとおした。これは学生に勧める本に入れようと思っている。

地質学は地球科学の全体ではないが大きな部分をしめる。本書は日本地質学会(1893年に創立された)の125周年記念企画だそうだ。

執筆分担は明示されていないが、かかわった人は次のとおり。編集委員長: 天野 一男。その他の監修者: 矢島 道子(125周年記念行事実行委員長でもある)、斉藤 靖二。その他の編集委員: 荒戸 裕之、西山 賢一、平田 大二、星 博幸、向山 栄。その他の執筆者: 井龍 康文、浦野 成昭、須藤 茂、渡辺 寧。

第1章は、がけなどの露頭(地層や岩石が露出しているところ)を観察することから始めて、岩石の種類と性質、地質年代の考えかた、地層の形成や変形(断層など)などを紹介している。(02節の「地層と岩石に分ける」という表現はちょっと変で、堆積岩は地層でもあり岩石でもあるというべきだろうと思う。)

第2章は、地球全体の形、地球がどのように形成されたか、内部構造、大陸や海洋がどのように発達してきたか・それはどのようにしてわかったか、など。

第3章は、地質学が発達してきた過程の科学史。とくに、西洋での近代地質学の始まり、明治時代の日本への地質学の導入、大陸移動説とプレートテクトニクスの始まり。

第4章は、日本列島ができてきた過程の地史。04節に「付加体」の考えかたの説明がある。05節は日本の地質帯で、地名がついた地質帯の名まえの列挙は退屈な気がするが、自分の行動範囲の地方に関する部分の知識は野外観察と組み合わせると有効だろう。

第5章は地下資源の話。金属資源、化石燃料(石炭、石油、天然ガス、メタンハイドレート)、そして日本が自給できる鉱物資源である石灰石。

第6章は災害の話。地震災害とそれに関連する活断層、火山災害、土砂災害。

第7章は日本列島の地質の特徴、そしてそれを観察できる「ジオパーク」の話。ジオパークについては、2016年9月現在に日本ジオパークネットワークのメンバーになっている43の地域が一覧になっている。(2017年に追加や取り消しがあったがそれは反映されていない。) ジオパークについては、地理学関係者を中心に、大地と人間活動の関連を重視する立場もあるが、本書では地質や自然景観を知る場として紹介されている。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading →

• 松森 靖夫, 2007: 学びなおしの天文学 基礎編。恒星社厚生閣, 193 pp. ISBN 978-4-7699-1054-1.

2017年1月に出た本。わたしは、2018年3月、4月から担当する地学概論の授業の実習課題を考えようとしていたときに、教員養成課程をもつ大学に近い町の本屋の(理科教育ではなく)宇宙・地球科学の棚で見つけた。2冊もので、天文らしい話題は「応用編」のほうにあるのだが(たとえば、球に一方から光があたるとどう見えるかは基礎編に出てくるが、「月の満ち欠け」は応用編の話題なのだ)、わたしがいちばんやりたい地球上の季節ができるしくみの理解が基礎編の到達点になっているので、基礎編だけを買って読んだ。

本の趣旨は、小学校・中学校の理科の天文分野を学びなおすことだ。ただし、著者は大学の教員養成課程の理科(地学)教育の教員であり、本書は直接には教員志望の大学生向けの授業の教材として書かれたのだろうと思う。

演習課題がおもになる形で構成されている。演習課題には2つの部類があり、「クイック・ラボ」のほうは受講生が何かものを動かして観察することを期待している。「チャレンジ」のほうは頭で考える課題が多いが、計算する課題もある。

「クイック・ラボ」では受講生が簡単な道具を作って動かすことになる。

• そのうち、数量を理解するための「数のものさし」「距離のものさし」は、(その概念を知っている人にとっては)対数目盛りなのだが、10の整数乗に限ることによって、対数の議論を避けている。【[2018-12-21 補足] ただし、本書のものさしは、升目に数字を入れて十進法の数値を表現できるようにしたので、数値の大きいけたが左にくる。数直線や計算尺での大きい数値を右にする習慣とは、逆になる([別ブログ2018-10-07の記事]参照)。どちらがよいか迷って、わたしの2018年度の授業にはつかわずじまいになってしまった。】
• 視点の移動と方位の関係を2次元で考えるためには、「Mr. VIP」(VIPはviewpointだそうだ)という人形を動かしてみる。
• 太陽や恒星を含む天体の位置を、天球の概念を使って表現する。その作業のためには、透明半球を用意し、そこにペン(「水性マジック」)でしるしをつける。著者によれば透明半球は100円ショップで売っているので100円+消費税で買えるそうだ。【[2018-04-09 補足] しかし、100円ショップのうちでは大型の店に行ってみたのだが、見つからなかった。どんな商店が扱っているかから調べないといけない。[2018-12-21 補足] 調べないまま、日がたってしまった。】

議論は、ふつうのおとなが考え落とすところにも注意して組み立てられていると思う。しかし、たまたま、わたしは気づいたが本書ではとばされている論点もある。

そのひとつは、水平面での4方位(東西南北)を考えるところで、地図のように上から見た図が使われているのだが、そのことが明記されていないことだ。地理の話題ならばそれでよいのかもしれないが、天体の話題では、人が空を見上げたときの配置を想定することもありうる。そうすると本書の演習課題の解釈が変わってしまうのだ。([別ブログ記事「時計の身になってみたら時計の針は時計まわりなのか」]参照)。この点について、ひとこと注意が必要だと思う。

もうひとつ、夏が冬より暑い理由のところは、エネルギー保存の法則に踏みこむのをさけたせいか、おおざっぱな議論になっているけれども、「単位面積当たりの光の量(日ざしの強さ)」を比較する、という、わたしから見てももっともな議論がされている。ただし、その「面積」が地表面(地面・海面)またはそれに平行な面での面積であることが明示されていない。もし太陽光に垂直な面の面積あたりの光の量をとるならば、夏も冬もほとんどちがわないのだ。この点もひとこと注意が必要だと思う。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading →

• 井田 喜明, 2016: 人類の未来と地球科学 (岩波現代全書 092)。岩波書店, 211 pp. ISBN 978-4-00-029192-7.

2016年7月に出た本。わたしは発行直後に買ったのだが、読むのがあとまわしになり、2018年3月、地学概論の授業をするまえの勉強として目をとおした。

第1章のはじめに出てくる用語で言えば「地球と文明の緊張関係」を論じようとした本だ。だいたい、第1章で地球、第2章で文明、第3章で両者の関係を扱っている。著者の専門は地球科学、その内を分類すれば固体地球物理学だ。

章よりひとまわり細かい節のそれぞれのはじめに、4つか5つの問いを出し、それに答える形で本文を書いている。ただし、この問いの群が理論的体系を構成しているわけではない。おそらくこの本は大学の教養科目かなにかの教科書で、ねらいは著者の地球・文明観を伝えることではなく学生がそのような問題を考えるきっかけを与えることであり、授業の話題には著者の主張に直結しなくても学生に知っておいてもらいたいことを含めてあり、各回の話題をあらかじめ問いの形で出すことによって授業の効果を高めているのだと思う。

第1章の地球科学の話題は、気候システムに関するものがおもになっている。同じ著者の『地球の教科書』(2014年)[読書メモ]と同じ材料が多いのだが、配列は本書のほうがうまいと思う。地球や惑星の大気と海の存在条件を、放射収支と関連づけて示す。地球の歴史のうちでは全球凍結に重点をおき、これも放射収支と関連づけて示す。ここでは著者が『自然災害のシミュレーション入門』(2014年、朝倉書店、わたしはまだ読んでいない)で示した計算例が使われている。そして、現在の地球の気候の多様性を示して(ケッペンの気候区分を使っている)、それをもたらすしくみとして大気の循環の力学が出てくる。固体地球の話題は、地球内部の巨視的概観から、地下資源、地震災害、火山災害の話にとんでいる。

第2章は人間社会の歴史で、「公平に漏れなく描くことは意図していません。」と言い、その第2節では近代科学と産業革命をもたらした西洋文明、第1節はその源流となる中東や地中海周辺の文明に話題をしぼっている。第3節では(社会科学や歴史学を専門としない著者なりに)文明の発達のしくみとそれがもたらした問題を論じている。文明の駆動力は人間の意志であり、その主な目的は豊かになりたいことだと考えている。その結果として資本主義が発達し、人間社会全体としては豊かになったが、その内の格差も大きくなった。また戦争による破壊の規模も大きくなった。

なお、図2.1「最近数万年間の気温の変化」の出典は 木村靖二ほか監修(2014)『山川 詳説世界史図録』だそうだ。「旧石器時代、新石器時代」がいつかという情報については歴史学の文献によるのはもっともなのだが、気温の情報源としてはうまくない。まず、どこの気温かが示されていない。世界平均気温(の推定値)だとすると今から7千年前に今(人間活動起源の温暖化の始まる前)よりも2℃ほど高かったというのは現在の科学的知見に合わない(今とのちがいが大きすぎる)。北半球のどこかの地域の気温なのかもしれないが、それならば地域を明示してくれないと困る。背景情報として参照するのに適した図を、出版社の編集者が知っているとよいのだが、そのためには、気候の話題ならば気候の専門家がよいものを選んでよく見えるところに用意しておくべきなのだろう、と反省する。

第3章ではおもに、地球環境問題と天然資源枯渇の問題が論じられている。著者は狭い意味の専門家ではないのだが、地球科学者としてのしっかりした視点があると思う。それにくわえて、貧困、テロ、戦争の問題や、世界政府の可能性なども論じているが、こちらはしろうととしての議論になっていると思う。専門外でも論じないではいられない気持ちがあったのだろう。授業で学生に問われて誠実に答えようとしたのかもしれない。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading →

• 釜堀 弘隆, 川村 隆一, 2018: (トコトン図解) 気象学入門。講談社, 244 pp. ISBN 978-4-06-155239-5.

2018年3月の新刊。気象学の入門書だ。これまで気象学を学ぶ人によく勧められてきたのは、小倉 義光『一般気象学』[読書メモ]だが、これは中身が濃い本で、初心者にはむずかしいところがある。本書は、まえがきによれば、その本への「橋渡し」として書かれたそうだ。色刷りの図解を多く使っている。「数式は最小限にとどめた」ことは、近づきやすさにもなっており、限界にもなっているだろう。

基本とされた題材は、大気と海が存在する条件から始めて、大気の放射収支と鉛直構造、雲と降水、大気の力学(本書の章の表題は「運動学」となっているが)と熱力学の基本(対流に対する成層の安定性を含む)などだ。

一般的な気象学入門では必ずしも扱われないが本書では重点が置かれたことがらは、大気と海洋の相互作用、観測技術、予測技術などだ。

他方、次のような内容は「割愛した」とまえがきでことわっている: 大気境界層内の乱流現象、雷雨・降水セルの現象、都市気候、大気汚染、局域の気象、熱帯の季節内変動など。

参考文献リストがない。さらに勉強したい人のための参考文献としては、まえがきで小倉『一般気象学』があげられているだけのようだ。図のうちには「著者(年)」の形の出典表示があるものもある。初心者が文献にたどりつくのには情報不足だが気象学の教員ならば文献検索可能だろう。数量の分布がかかれた図はこの本のためにつくられたものらしいが、データ源が明示されていないのが、わたしにはちょっと残念に思える。

釜堀さんのここ10年ほどのおもな仕事は気象データ再解析([別ブログ2016-05-18の記事]参照)なのだが、その話は出てこない。ただし、11.1-2節「天気予報の初期値と境界値」で「初期値は、前時刻の予測値を観測データで修正することにより作られます。」と書いているので、もうひといきでその話題につなぐことはできる。

川村さんがながらく研究の主題にしてきたモンスーンの基本は7.3節に書かれている。ここで「モンスーン」という用語は熱帯モンスーンをさしており、日本の冬の季節風などは話題に含まれていない。熱帯のプレモンスーン期(乾季の終わり)の循環は海陸風と同じしくみで理解できるが、雨季のモンスーン循環は水蒸気の凝結の潜熱が主役だ、という話がある。日本の梅雨はモンスーンと中緯度偏西風の両システムが結合したハイブリッド現象(と呼んでもよいかもしれない)と説明されている。

温室効果ということばは第2章に出てくるがその説明がごく簡単で、暴走温室効果の話に進んでしまう。地球温暖化に関する13.3節にある温室効果の説明をそのあいだにはさんだほうがよかったと思う。

ただし、その13.3-1節で、ガラスやビニールの壁をもつ温室の効果を大気の温室効果と同じものとみなしている。わたしは、温室に温室効果(赤外線の吸収・射出による効果)がないわけではないが、温室の温度調節のおもな働きは風をさえぎること(大気熱収支の用語を使えば乱流熱輸送を変えること)だ、と習ったことがある([別ブログ2012-05-20の記事]でもふれた)。ただし、まだ自分で定量的に確認していないので、本書の記述がまずいと言う自信がない。できれば、境界層気象学や農業気象学の人と協力して、明確にこたえられるようにしたいと思う。

氷期に関する13.1-5節には「発表当時、ミランコビッチの説は受け入れられなかったようです。」と書かれている。わたしは、そうではなく、発表された1930年ごろは見こみのある説とされたのだが、1950年代ごろに見捨てられた、と理解している。そのあとの「ミランコビッチの説が注目されるようになったのは、1970年代になってからです。」はよい。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。
Continue reading →

• Alanna Mitchell, 2018: The Spinning Magnet: The Electromagnetic Force That Created the Modern World — and Could Destroy It. New York: Dutton (an imprint of Penguin Random House LLC), 323 pp. ISBN 978-1-101-98516-8 (hardcover), 978-1-101-98518-2 (e-book).

2018年1月30日(アメリカの出版社サイトに書いてあった日付)の新刊。ネット上で「おもしろそうだ」と言っていた人がいたので(その人もまだ読んでいなかったようだが)、さっそくディジタル版(Amazon Kindle)で買って読んでみた。(なお、この本のKindle版には紙版のページ番号がはいっているし、索引は本文へのリンクにもなっている。)

地磁気とその逆転を主題とする科学読みものである。科学史をふりかえるところも多い。著者は科学ジャーナリストであり、科学読みものを書いた経験は豊富らしい。しかし自然科学の訓練を受けた人ではない。本文6ページに「a Latin scholar」とある。大学ではラテン語で書かれた古典を勉強したということなのだろう。ラテン語で書かれた近世 (初期近代) の本を直接読めるのは強みだ。一般向け講演をしたり野外観察会を開くなどしろうと向けに科学の内容を説明する意欲を示している科学者や科学史家を見つけて、その専門家から聞いたことを伝えたり、自分の表現で言いかえたりしている。現在や過去の科学者が主題にとりくむ態度を伝えることや、主題のキーワードを伝えることには成功していると思う。しかし地磁気に関する科学の理屈を伝えることはできていないと思う。電流が磁場をつくり、磁場の変化が電場をつくることはわかるものの、3次元空間のうちの電場の向きと磁場の向きの関係などはわからない。本書は、数式も図解も使わない方針で書かれたので、向きや量どうしの関係を伝えるのはあきらめたのだと思う。

地磁気の極が逆転するという事実の認識については、地磁気の極の逆転があったことを科学的に最初に指摘したBernard Brunhes (1867-1910)[注]の1900年代の仕事をふりかえることに重点をおいている。Motonori Matuyama (1884-1958)の1920年代の仕事は第19章に軽く出てくる。

• [注] 本書ではBrunhesという名まえの読みかたは “brune” だとしている。Kornprobstによるフランス語読みを著者が英語で近似したもので「ブリュン(ヌ)」だろう。【おそらくオック語(オクシタン語)由来で、そうだとすると読みは「ブリュニェス」のような音らしいのだが、フランス語にとりこまれると語尾のesは発音されないだろう。】

地磁気の極が逆転するしくみについては、今でも充分に説明されてはいないが、地球内部の核(core)、そのうち外核(outer core)の流体の運動によるダイナモであることはほぼ確かだ。それは本書第3部の主題なのだが、そこでの話は現代の研究者の関心事に向かい、地磁気ダイナモ理論の発達の歴史はとばされている。Edward Lorenzのカオスのモデルは話題にしているのに、数学的にそれとほとんど同じTsuneji Rikitakeの2-disk dynamoモデルが出てこないのは残念だと思った。

地磁気の極が逆転する際には、地磁気の強さが弱まる時期がある。このとき、地上に達する宇宙線や太陽風の高エネルギー粒子が多くなる。これは現代の電気通信や電力網に事故をもたらすおそれがある(こちらは数量はともかく危険があることは確かだろう)。また生物に悪影響をもたらすおそれがある(こちらに関する知識はとても不確かだ)。著者が本書を出そうとした動機はこの問題を社会に知らせる必要を感じたことらしい。問題があることを伝えることはできていると思うが、その内容はわかりやすくなっていないと思う。科学者による本、たとえば、やや古くなったが、上出 洋介 (2011) 『太陽と地球のふしぎな関係』[読書メモ]などを見たほうがよさそうだ。

ここから、順を追って、話題を書きだしておく。ただし、わたしにとって新しかった話題に偏った書きかたをしている。

序章は、カナダ北極圏を訪問してオーロラを見るところから始まる。19世紀の探検家がここに来た目的のひとつは、北の磁極の近くで地磁気がどうなっているかを調べることだった。

第1章から第9章までの第1部の主題は、地磁気と、その逆転があったことの認識だ。

Brunhesは1900年から在職中に亡くなるまでフランスのClermont-Ferrand (クレルモンフェラン)のl’Observatoire de Physique du Globe (「地球物理観象台」というところだろうか?) の所長をしていた。1989年ごろから1998年まで同じ職にあった(いまはそこからは引退して火山などに関する科学普及活動をしている) Jacques Kornprobst がBrunhesの業績に光をあてる活動をしていて、著者はそれを伝えている。Kornprobstがつとめていた大学はUniversité Blaise Pascalという。Pascal が義兄に高さによる気圧のちがいを知る実験をしてもらった場所がPuy de Dôme火山だった。その後、その山に気象や地磁気を含む地球の物理現象を観測するobservatoryがつくられたのだ。のちにその本拠地は市内に移ったが、山頂の観測所も続いており、WMOのGlobal Atmosphere Watchに参加してCO2濃度などをはかる仕事もしている。

第2章の話題は、電磁気力が宇宙の4つの基本的な力のひとつであること、電子のスピンの向きがそろうと磁気があらわれること、など、磁気に関する物理の基本的なことがらだ。

第4章の話題は、磁石に関する理解が古代からどのように発達してきたか。

古代から天然の磁石である magnetite (磁鉄鉱)が知られていた。タレス以来のギリシャの哲学者が鉄が磁石にくっつく原因を論じた。ヒポクラテスが医療に利用しようとした。航海への利用は中国が早い。12世紀はじめには方位磁石の形がととのった。

1269年にPierre Pèlerin (Petrus Peregrinus)が磁石を論じた。磁石には2つの極がある。磁石を切るとそれぞれに極ができる。磁力は永続的だ。

第5-8章の話題は、地磁気に関する認識の発達。Stern (2002) のレビュー論文の前半と共通の話題が多い。(この文献は本書の参考文献にもはいっているが、参照箇所は第20章のWegenerのところである。)

地磁気は、偏角、伏角、強さの3要素で表現される。偏角の認識は、中国のShen Kuo [沈 括]が1088年に書いた「夢渓筆談」に見られる。伏角の認識は、イングランドのRobert Normanが1581年に書いたThe Newe Attractiveに見られる。

William Gilbertは医者だったが、1580年代から地磁気を研究し、1600年にDe Magneteという本を出した。実験をおもんじ、磁石による地球の模型 terrellae をつかって実験した。地球内部にmagnetic soulがあってそれが引力や斥力を働かせる、という考えにいたった。

静電気にも気づいた。それに electricity という名まえを与えたのはGilbertだ。ただし電気は一時的、磁気は永久的で、同類ではないと考えた。

Gilbertはそれぞれの場所の地磁気の偏角は時とともに変化しないと考えていた。

Gilbertの死後1651年に出版された De Mundo という本 (ラテン語で書かれ、英語訳はない) では、地球は自転しているという考えを述べている。Gilbertは、地球は磁力があるから自転していると考えた (これは今からみるとまちがい)。太陽中心説への賛同を明言はしなかった。

Edmund GunterとHenry Gellibrandがロンドンで偏角をはかったら、54年間で7°変化していた。地磁気のsecular variationと呼んだ(出版は1635年)。

Halleyは1700年に大西洋航海で偏角をはかり、地図上の等値線で表現した。航海で経度を知ることに使うことを期待したが、残念ながらそれには役だたなかった。(経度の測定の問題は、1759年、Harrisonの時計で、いちおう解決した。) また、地磁気分布には、西へのdriftが見られた。Halleyは「地球の中心部には複数の双極子があり、ちがう速さでまわっている」という考えで説明しようとした。

Gaussは、1832年に地磁気の強さについての数式を示した。また、磁力計を発明し、1840年以来の地磁気の定量的観測のデータがとれるようになった。1838年には地磁気の主要部分は地球内部でつくられていることを数学的に証明した。

Alexander von Humboldtは、Gaussやロシアのニコライ1世の賛同を得て、1834年にGöttinger Magnetische Vereinという団体をつくり、世界の地磁気の情報を集めようとした。Edward Sabineは1830年代に地磁気に関心をもち、イギリス植民地に観測所をたてた。1840年には世界(ロシア、イギリス植民地、アメリカ合衆国など)に30以上の地磁気観測所があった。地磁気の分布が時とともに変わることも知られてきたが、地磁気の法則への関心はおとろえた。ただし、Sabineは地磁気と太陽黒点の関係をみつけた。

岩石は残留磁気をもつ。Pierre Curieが1895年に、固体は高温(Curie点)で磁気を失うことを示した。残留磁気は岩石が高温にさらされたあと冷却されたときの地磁気を反映しているのだ。Curieより前、1854年に亡くなったイタリアのMacedonio Melloniは、火山岩の磁気をはかり、実験で熱残留磁気を認識した。ただし定量的には不確かだった。Giuseppe Folgheraiterは1899年までに古代の土器の残留磁気をはかった。Brunhesはそれを参考に、焼けた土 terracotta の残留磁気をはかる研究をしたのだった。

第9章で話はBrunhesにもどる。クレルモンフェランの近くのPont Farin (旧名 Pontfarein)で、1905年、Brunhes はterracottaを採集した。1-1.5千万年前のterracottaで、5百万年前の溶岩で700℃に加熱されたものだった。Brunhesがサンプルの伏角をはかったら、現在と逆だった。論文は1906年に出たが、当時、大部分の科学者には、事実と思われなかった。Brunhesは古地磁気の研究を続けたが、続く論文を出さないまま、1910年に42歳で亡くなった。

第10章から第16章までの第2部は、いったん地磁気を離れて、19世紀までの電磁気の物理学が発達してきた歴史。

そのうち第10-13章は、コペンハーゲンのNiels Bohr InstituteのAndrew D. Jackson (理論物理学者)[注]とその妻 Karen Jelved (英文学者)の研究にもとづいて、おもにHans Christian Ørsted (1777-1851)の業績を追いかける。Ørstedは地磁気にも関心をもち、1823年の航海のときには地磁気観測もしているし、1827年にはHumboldtやGaussとともに地磁気に関する会議に参加している。しかし科学技術史にとって重要な業績は、電気と磁気の関係を示した1820年の実験だ。

• [注] 本書には別のAndrew Jacksonという地球物理学者も出てくる。しかもØrstedの名がつけられた地磁気観測用の人工衛星も出てくる文脈である。本文中に別人だと注意しているが、索引では混同しているところがある。

人は長いあいだ電気と磁気を別々のものごとと考えてきたが、いまでは両者は同じものごとの側面だと考えている。「電磁気」という表現をつくったのはØrstedだ。

電気のうち早く認識されたのは、摩擦によってできる静電気だ。しかし静電気には磁石ほどの持続性がない。宇宙にとって重要ではない現象と考えられた。

Gilbertがはじめて電気の実験に継続的に関心をもち、electricityとなづけた。1733年にdu Fayが静電気の実験をし、静電気を別の物体に移せること、静電気には2種類があることを示した。オランダの大学町ライデンで、Pieter van Musschenbroekが1746年に(それまでにアマチュアの人がやった実験を再現・改良して) のちに「ライデンびん」、今ではコンデンサー(キャパシター)といわれるものを発明した。Benjamin Franklinはライデンびんで実験をし、電気には正と負があると考えた。そして1752年6月に たこ で雷の電気をつかまえてライデンびんに入れる実験をし、それからは避雷針を宣伝した。そのころ、静電気は娯楽にも使われたが、人体に電気ショックを与える危険なものでもあった。電気の動力への実用にはほどとおかった。

Ørstedは、Kantの影響を受けて、自然には神の設計による秩序があると考え、統一理論を求めた。原子論には反対だった。Kantにしたがい、物質は引力と斥力によってなりたっていると考えた。

Ørstedは、両親の薬局をてつだっていたところから化学に関心をもち、当時、学術の中で地位が低かった化学の地位を高めようとした。

Luigi Galvaniが「動物電気」を発見し、Alessandro Voltaが、それは2種類の金属と液体がからんだ化学反応によることを示した。亜鉛と銅と塩水で電池を構成し、論文を1800年に出した。

1799年に博士号をとったØrstedはVolta電池を宣伝して歩いた。それから医学部の教員となって化学を教えた。(1822年に化学の教授となった。)

1820年に実験で、電池からの電流で磁針がふれることを示した。そのときに力が直線状ではなく円環状に分布することを示した。Ampère が理論的説明をした。(それをFaradayに送ったがFaradayは数式がわからなかった。Ørsted自身によるKant流の「力のconflict」による解釈は他の学者に通じなかった。)

第14-15章は、Michael Faradayについて。Royal InstitutionのFrank James (Faradayの5千通の手紙を25年かけて編集したそうだ)の話にもとづいている。

Royal Institutionは1799年に科学普及のためにつくられた。公衆向け講演(有料)をした。講師はHumphry Davyだった。Faradayは製本屋で働いていた。Jane Marcetの “Conversations on Chemistry” を読んだ。それは会話型で化学を教える本で、Davyの講演にもとづいていた。1812年に20歳のFaradayはDavyの講演をきき、ノートを製本して贈った。Davyは1813年にFaradayを実験助手に採用した。

Faradayは1821年にAnnals of Philosophyの編者Richard Phillipsから電磁気現象の解説を求められた。Ørstedの哲学的理屈も、Ampèreの数式も理解できなかった。実験で再現を試みて、いくつか解説を書いた(匿名で M. と署名している)。そして、電線のまわりの空間に力の輪がある、という考えにいたった。水銀槽で、電線と磁石の一方を固定し、他方が回転するのを見る実験をした。最初の電気モーターともいえる。

FaradayはプロテスタントだったがAnglicanではなくスコットランド長老派に近いSandesmanianだった。Faradayの科学への姿勢には、神が創造した世界を理解したい(神が創造した微妙な法則性を知りたい)という意志があった。原子論は受け入れられなかった。物質は無限に細かくわけられると考えた。
Faradayの思考を他人が追うことはできないことが多かった。しかし結果は正しいことが多かった。

1820年代、Davyは経度委員長をしていた。経度を知るため、(地磁気には関心を向けず) 天文観測によって安く経度を知れないかと考えていた。Faradayには、望遠鏡のためのガラスの開発をさせた。1829年にDavyが亡くなると、Faradayはその仕事をやめた。

Faradayは1831年に、磁気から電気をつくる実験をした。電磁石をつくれることはすでにわかっていた。鉄心をふたつにわけてそれぞれに銅線をまいてコイルにし、induction ring, のちに変圧器といわれるものをつくった。磁気が変化するときに電流が流れることがわかった。次に、鉄心にコイルをまいただけの、のちの発電機にあたる装置をつくり、コイルの内側に磁石をとおして動かすと、ガルバノメーターが動いた。磁気を与えるのが電磁石でなく永久磁石でも電流をつくれるのだ。

Faradayは1846年の公開講演で、電気力線と磁力線でおおわれた世界像を述べた (数学は使わなかった)。

第16章はJames Clark Maxwellの業績。Maxwellは、1861年の論文で、電磁気の4つの方程式を示し、電磁波が存在し、光も電磁波であることを示した。Faradayの考えた「力線」に数学的表現を与えた。これは物理の標準モデルとなった。

科学の思想は、「聖書が真実」から「観測事実だけが信頼できる」そして「標準モデルが信頼できる」と変遷し、観測されていなくても、標準モデルから演繹されることは、現実にありそうだと考えられるようになった。

第17章から第24章までの第3部は、地磁気がつくられるしくみと、観測されている地磁気の変化について。そのうち初めの部分(どこまでかはよくわからない)は、おもにGrenoble大学のPhilippe Cardinの話によっている。

第17章。今の地球物理学の知識によれば、地球の核(core)のうち、内核は固体、外核は液体だ。核が熱を失いつつあることによって、外核には対流がおきる。これはコリオリの力の影響を受ける。対流は南北にのびる柱状になる。核はおもに鉄(不対電子が4つ)とニッケル(不対電子が2つ)でできており、溶融金属は導体なので、ダイナモ(発電機)の原理によって電流が作られる。地球がじゅうぶんひえて核が固体になると地磁気はなくなるだろう。火星や月はそうなった。太陽や惑星は自転するので、自転軸に近い向きの双極子磁場がつくられやすい。太陽磁場は11年ごとに逆転する。それは黒点の変動と関係があって、黒点のほうは1612年(ガリレオ)以来 記録されている。地球磁場も逆転する。逆転の間隔は一定ではないが最近の時代ではおよそ30万年ごとで、最新の逆転は78万年まえだ。地球磁場は双極子以外の成分ももつ。もし双極子が非常に弱まれば、四重極か八重極がおもになるだろう。それは数千年つづくだろう。そして、まえとは逆の双極子があらわれるだろう。

第18章。1897年6月12日に、インド北東部のShillong高原を震源とするAssam 地震(マグニチュード8.7)があった。(地盤液状化で地すべりがおき、1500人以上の死者が出た。) ヨーロッパの12ほどの地震計がこれを検知した。インドにいたアイルランド人の地震学者Richard Dixon Oldhamが調査し、1906年に論文を出した。地震波のP波とS波のつたわりかたから、地球内部に物質の不連続があると推論した。

Inge Lehmann (1888-1993)は、男女平等を徹底するHanna Adlerが校長をする学校で学び、Cambridge留学を経て、コペンハーゲン大学で数学・物理の学位をとって、デンマーク測地局に勤務し、デンマークとグリーンランドの地震観測網をつくった。1928年には地震部長のような職につき、25年間つとめた。ただし(観測所の現場勤務者は別として)オフィスには部下のいない職だった。研究は職務ではなかったが、複数地点の地震波を読んで波の伝搬を解読する研究をした。 1929年6月7日、ニュージーランド南島を震源とする Murchson 地震(マグニチュード7.8)で、デンマークの観測網に、予想外のP波が観測された。これを解析した結果、Lehmannは「流体核の内側に固体内核がある」と結論し、1936年に論文にした。Jeffreysをはじめとする学者たちが納得するまでにはしばらくかかったが、1947年には内核は地球物理の教科書に書かれる知識になった。

第19章。岩石の残留磁気が現在の地球磁場と対応しない理由としては、地磁気の極の逆転のほかに、大陸の移動・回転、局所的に岩石が動いたこと、岩石が地球の磁極と関係なく磁化を変えたこと、などの可能性がありうる。

しかし、Matuyama (1929年)の日本、朝鮮、「満州」の玄武岩の研究、Jan Hospers (1951年)のアイスランドの溶岩の研究、Allan Cox, Doell, Darlymple (1964年)の世界の64件の溶岩の研究などによって、年代別に正逆が分かれ、複数回の磁極逆転があったことは確からしくなった。

岩石が磁化を変えることがあるかという疑問については、Louis Néelが1949年に、Fe, Ni, Coなどがふつうにもつ磁性であるferromagnetismとならんで、磁鉄鉱などは非常に安定なferrimagnetismと名づけられた磁性をもつことを示した。Carlo Lajが2002年に、Brunhesが調べたのと同じ場所のサンプルで、他の影響を取りのぞいて自然残留磁気を取り出し、結論は変わらないことを示した。

第20章。大陸は動くのか? Humboldtは南アフリカとアフリカの海岸線が対応することから、かつてはつながっていた可能性を示唆した。Wegenerが1915年に大陸移動説の本を出版したが、1950年代まで大陸移動は異端視された。Edward IrvingとKenneth Creerが、みかけの極移動軌跡を考え、1954年に発表した。実際には、極ではなく岩石(地殻)のほうが動いたと考えた。

第2次大戦後、海底探査が進み、海底地形の可視化がはじまった。Lamont地質研究所のEwingのもとでMarie Tharpが測深データをまとめ、1956年に大西洋中央海嶺の地形を示した。1960年ごろから船に積んだ磁気計による海底岩石磁気の観測がはじまり、それを作図すると海嶺を中心として両側に対称に広がるしまもようが見られた。

Lawrence Morleyは、1961年に海洋底拡大の論文を出したあと、それと大陸移動、磁極逆転をあわせた論文を書いたが、それが出版されないうちに、Vine & Matthewsの論文がNatureに出た。海洋底拡大説はVine-Matthews-Morley説として知られるようになった。Cox, Doell, Dalrymple (1964)によって海底にも地磁気逆転年代がはいった。プレートテクトニクスの理論が形成され、1970年代なかばからは地質学の基礎として認められた。

地磁気逆転の編年が進められた。2.52億年前のペルム紀/三畳紀(古生代/中生代)境界以後、だいたい百万年以内に逆転しているが、逆転のない長い期間(superchrons)が2つある。逆転までいかない弱まり(excursion)は逆転の10倍くらいの頻度でおきている。最近は4万年まえのLaschamp eventだ。

第21章。地球の核に関する知見は確定しておらず、研究は進行中だ。
Edinburgh大学のKathy Whalerは、CambridgeでDavid Gubbinsのもとで博士号をとった。そのとき、NASA+USGSのMAGSATという衛星のデータ(1979-80の半年)で、地磁気の全球構造を見た。さらに過去380年の地磁気の変動をまとめた。Gubbinsが1989年のScientific Americanで解説している。地磁気のパターンは、17世紀以来、西へドリフトしている。強さの観測値は1840年からだが、そのとき以来、双極子の強さは弱まる傾向にある。Terracottaにもとづく研究によれば、2千年前から弱まってきている。

マントルと地殻の影響をとりのぞいて核の表面での磁場を知りたい。1985年にWhaler, Gubbins, Jeremy Bloxham ほかが、それを推定し、1777-1980年の時系列を示した。磁場は双極子ばかりではない。アフリカに、西に速く動くパッチがある。

衛星による地磁気の観測は、1999年からのØrsted衛星 (デンマーク)、2000年からのCHAMP衛星 (ドイツ)、2000年からのSAC-C (NASAを含む連合)、2013年からのSwarmミッション (ESA、3つの衛星で全磁場をはかる)がある。

2000年に、Andrew Jackson (地球物理学者)は、核・マントル境界の磁場の数値モデルの結果を示した。(話題としては衛星観測に続いて出てくるのだが衛星観測との関係は不明。) Gubbinsたちが見つけたパッチが持続し西へ移動しているほか、1984年に南極にも同様なパッチが現われた。非双極子成分が強まっている。地表でみた双極子磁場の強さは1840年から10%弱まった。

第22章。 Copenhagen工科大学にあるNational Space Instituteは、Potsdam, Parisとともに、Swarmのデータを扱う中心だ。そこで働くChristopher Finlayは、ダイナモの数値モデルによって、現在の磁場を再現し、将来の動きを予測しようとしている。

地表では磁場の93.2%が双極子だが、核・マントル境界では38.6%だけだ。

南大西洋異常(逆向き磁場のパッチ)は、地表にも弱まりとしてあらわれている。この弱まりは人間が観測をしている時間範囲でも大きく進行し、60年で6.7%減った。地表でみた双極子の弱まりかたは 16 nT/年で、もしこのまま続けば2千年以内に0になる。

これは地磁気逆転に向かう現象なのか? Finlayはyesともnoともいえない。地磁気逆転が100年くらいかかるのか1万年くらいかかるのかもまだわからない。ダイナモは非線形であり、Lorenzのいうようなカオスの性質をもち、小さなちがいが増幅するだろう。

研究者たちは、今の科学知識による磁場の予測可能性は5年だと考えている。そこで5年ごとに会合をして地表での全磁場の予測計算をやってInternational Gemagnetic Reference Fieldをつくっている。Finlayはその2010年版の主著者になっている。

第23章。 Nantesに集まった地磁気ダイナモ研究者たちは、もし地磁気逆転が予測されるならば社会にそれを警告する責任がある、と感じていた。

Peter Olson (Johns Hopkins大学名誉教授)は、いまの南大西洋異常が地磁気逆転につながるかはわからないが、いまの20%(面積比?)から30%になったら逆転になりそうだ、と言っていた。

Cathy Constable (Scripps海洋研究所)は、統計的方法で過去なん百万年もの磁場のモデルをつくっている。Korte (GFZ Potsdam)と共著の論文によれば、最新の逆転からの78万年は、逆転の間隔として異常に長いというほどではない。近ごろの磁場の弱まりかたは、過去7千年の傾向からはずれていない。いまの磁場は、過去1.6億年の平均よりも強い。そこで Constable は逆転については「自分の寿命のあいだにはない」だろうという。

Carlo Lajたちは、堆積物、火山岩、氷コアなどの、放射性のベリリウムや塩素から、過去7万5千年の磁場を推定している。Laschamp事件のような「逆転しかける」ことがおこりかけていると考える。逆転しなくても、磁場が弱まるので、地表に達する放射線がふえる心配はある。

John Tarduno (Rochester大学)は、アフリカの西暦1000年ごろの遺跡の焼かれた粘土を調べたところ、700年まえにも磁場は弱かった。それからいったん強まって、いまの弱まる傾向に至る。また、Levantの紀元前750-前150年の土器を調べたところ、紀元前700年ごろにも、磁場が弱まったことがあった。

Jean-Pierre Valet & Alexandre Fournier は堆積岩からの地磁気逆転検出の精度をあげるためにはどうしたらよいかを論じた。

第24章。外核のダイナモのしくみについて、数値モデルのほかに、物体によるモデルを使って実験している人もいる。Daniel Lathrop (Maryland大学)は、ステンレスの二重の球のいれものの中で、金属ナトリウムを液体にして対流させている。これまでのところ、自己維持するダイナモはできていない。磁極逆転も起きていない。

第25章から第30章までの第4部は、地磁気の逆転や弱まりが起きたら、生物や人間社会にどのような影響が起きるだろうかという話。おもにDaniel N. Baker (Colorado大学のLaboratory for Atmospheric & Space Physics 所長)の話にもとづく。LASPはNASAの4つの衛星missionを動かしていて、雇われている人が500人、大学院生が50-60人いる。そのひとつ、Solar Anomalous and Magnetospheric Particle Explorerでは、地上数百kmでの荷電粒子濃度を見ている。

第25章。Bakerは太陽が地球にどう影響を与えるかを専門にしている。1960年代、IowaでVan Allenのもとで学んだ。Van Allen は1958年に(Van Allen帯ともいわれる)放射線帯を発見した人で、2006年に亡くなった。

太陽からは、X線、γ線などの電離放射線や、陽子、電子などの荷電粒子からなる「太陽風」が来る。荷電粒子や電離放射線は生命にとって危険だが、地球の生物は、磁気圏、大気、Van Allen帯によってまもられている。磁気圏やVan Allen帯の存在は、地球内部のダイナモに依存している。(このようなことがわかってきた歴史は、Stern (2002)では終わりのほうには書かれているのだが、本書では省略されている。)

火星では、40億年まえ、ダイナモが止まった(その原因はまだ確定していないが)。太陽風によって大気がふきはらわれ、二酸化炭素もなくなったので、生命維持はできないだろう。

地球の磁場が逆転するときには、磁場は数百年から数千年、弱い状態になるだろう。文明への影響は? ヒトをふくむ生物への影響は?

第26章。地磁気の弱まりではなく太陽フレアなどの太陽活動の強まりによって、地上に達する荷電粒子がふえたことならば経験がある。1950年以来でも70回以上ある。

1989年3月13-14日には、カナダ(ケベック)、アメリカ(ニュージャージー)、イギリスなどで、変圧器がこわれるなどの理由で、広域停電が起きた。

2003年10月28-29日に太陽表面で爆発があり、31日ごろに、南アフリカで変圧器がこわれる、スウェーデンで停電、北アメリカで多数の予防停電があった。国際宇宙ステーションの宇宙飛行士はシールドの比較的多いロシア製の部分に避難した。(本書では日本の衛星ADEOS II (みどり2号)の故障もこのフレアのせいにしているが、別の情報源によればフレアよりも前であり直接の関係はないようだ。)

1859年8月28日から9月2日の事件は、Richard Carringtonがはじめて太陽フレアを観測したので、Carrington eventと呼ばれる。現代の用語でいえばcoronal mass ejectionがおきていた。氷コア分析によれば、最近500年のうちでいちばん強い太陽放射線eventだ。オーロラが赤道近くにまで見えた。電信網が被害をうけた。ピッツバーグでは電池が発火、スウェーデンではスパーク。ノルウェーではスパークから紙が燃えた。バッテリーがこわれても「天からの」電力で電信が働いたところもあった。地磁気の乱れは11日続いた。

2012年7月23日、Carrington級のeventが、太陽の地球からみて裏でおきた。

太陽フレアから地球の電磁場への因果連鎖は、磁気圏・電離層の電流のパルスが、地表の磁場を変動させ、地殻・マントル上部の電流 (geomagnetically induced currents, telluric currents)をつくる、というものだ。

(順序を入れかえて) 第28章。磁気の乱れが経済に与える影響。
イギリスでは2015年、保険業者はextreme space weatherのリスクを考慮せよと法制化した。しかし根拠となる科学は未熟だ。ひとつの研究では、アメリカ合衆国の電力網被害によるアメリカ合衆国経済への影響、その続編では、そこから貿易を通じて他国への間接的影響を扱っている。別の研究では、電力網、鉄道や電化された大量輸送、通信(とくに衛星通信)、GNSS… への影響がはかりきれないと論じている。

冷戦時代、太陽起源の磁気あらしを敵国による通信妨害と思って核戦争になりかけたこともあった。

もし地磁気逆転が起きるならばその進行中は、電力や通信に影響のある乱れの頻度が高くなるだろう。

第27章。地磁気逆転で生物の死滅をもたらす可能性。
1963年にRobert Uffenは、地磁気逆転のときは、Van Allen帯がこわれ、生物の突然変異がふえるだろうと考えた。

地質の古地磁気と化石の証拠を見ると、地磁気逆転がかならず大量絶滅をおこすわけではないが、古生代の終わり、中生代の終わりの大量絶滅のときには、地磁気逆転が何度もあった。長期間地磁気の逆転がない時期(superchron)には大量絶滅がなかった。(いまの生物は頻繁な逆転に適応したものなのかもしれない。) 1971年にIan Crainが種の絶滅と地磁気逆転とに相関がある(磁場が弱いとき種の絶滅が多い)ことを示した。

因果関係をつなぐのは何だろうか? 地磁気が南北をしめさないとnavigationができなくなるのか? 地磁気が弱いと地表に達する有害な放射線が多いのか? (放射線のうち二次宇宙線が多かったことは放射性ベリリウムでわかっている。) オゾン層が失われ地表に達する紫外線Bが多いのか? 2010年に Glassmaier & Vogtのレビュー論文があるが、因果説はまとまっていない。

第29章。生物は地磁気をどのように感じるか? 地磁気をnavigation (ここでは地球上の方向あるいは位置を知ること)に使っている生物はどのようなしくみで使っているのか? Michael Winklhofer (Duisburg-Essen大学)の話にもとづいて考える。

地磁気をnavigationに使うしくみとしては、 磁鉄鉱などのferrimagnetic物質をもちそれが方位磁石のように働くことと、たんぱく質分子のうちに磁性をもつものがありそれが伏角にそった向きにならぶことがある。鳥の場合は後者が多いようだ。

Winklhoferによれば、生物種は、地磁気逆転に伴うようなあまり急でない地磁気の弱まりには適応できるだろう。しかし、野生生物は、人間活動(漁獲・狩猟や、生息可能場所の破壊)などの地磁気以外の理由で危機にあるものが多い。それと地磁気の弱まりとの組み合わせで絶滅するリスクがある。

第30章。放射線の健康影響。
地球のVan Allen帯を通ってその外の宇宙空間に行った人は、アポロの24人だけだ。アポロの飛行のときには出会わずにすんだが、16号と17号のあいだの1972年8月に大きな太陽フレアがあった。もし月面に人がいたら、穴をほってもぐっても耐えられなかったかもしれない。

X線、放射性物質の放射線、原子爆弾の放射線の健康影響はだいぶよくわかっている。基本的には、電磁波でも荷電粒子でも、放射性物質起源でも太陽や宇宙線でも、害は同様だ。粒子や波のもつエネルギー、粒子の大きさ、近さにはよる。放射線があたるとからだの組織中に不安定なイオンをつくる。それがDNAをこわすことがある。大きくわけて急性と慢性の害がある。急性のものは免疫がおとろえて感染症にかかりやすくなることなど、慢性のものはガンなどである。(ほかにもあげられているがメモを省略する。)

有人火星飛行の計画のために、長期の放射線の人への影響の研究が進められている。人体を近似するプラスチックを2009年に月周回軌道に送った。結果は解析中だ。また、火星探査機で地球から火星まで移動中に受ける放射線をはかろうとしている。もし強い太陽高エネルギー粒子eventがあると致死量に達するだろう。

著者による結びよりも、第28章と第30章のそれぞれBakerの話を引用した部分がまとめになっていると思う。

太陽のダイナモの数値モデルは作られているが、まだ予測が合わない。地球のダイナモモデルによる磁場の予測能力もまだ高くない。不確かさの大きい状況で、リスクにそなえることになる。

地磁気逆転の際には、磁場が完全になくなるのでなく、双極子成分がほぼなくなり、全体の強さも弱くなるだろう。世界全体でなく地域で、ただし高緯度だけでなく中緯度でも、磁場による粒子線遮蔽やオゾンによる紫外線遮蔽がなくなることがありうる。

地質時代とちがう現代の特徴は、多数の人がいること、多くの野生生物が絶滅の危機にあること、電力や電気通信に頼った工業文明があり、地表だけでなく上空(飛行機)や宇宙空間(人工衛星)も利用していることだ。

文献

• David P. Stern, 2002: A Millennium of Geomagnetism. Reviews of Geophysics, 40(3), 1-1..1-30. doi:10.1029/2000rg000097 ; 著者サイトにある本文 http://www.phy6.org/earthmag/mill_1.htm

折り返しのあとに詳しい目次(Kindle版にもとづく)をつける。

Continue reading →