Alanna Mitchell (2018) The Spinning Magnet [地磁気とその逆転の話]

  • 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。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(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、Bruhnes 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。Bruhnes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それを高めようとした。

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06月07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倍くらいある。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

折り返しのあとに詳しい目次(Kindle版にもとづく)をつける。

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