SF作家の先駆者であるジュール・ヴェルヌが1864年に「地球の中心への旅」を書いたとき、彼はおそらく自分のプロットが純粋なファンタジーであることを知っていたでしょう。 ヴェルヌの登場人物は数マイル下に降りただけでしたが、誰かが地球の核まで旅をしようと考えるという考えは、ヴィクトリア時代以前には否定されていました。
実際今日でも、私たちが地球を掘った最も遠い地点は約 12 km で、中心までの距離は 500 倍以上離れた 6,370 km になっています。
では、どのようにして地下に何があるのかを知ることができるのでしょうか。
なぜ地球が丸いとわかるのでしょうか？
地球の中心があるという考えは、この惑星が球形であることと密接に関連しており、我々は長い間円板の上に住んでいないことを知っていました。
中世の人々が地球は平らだと考えていたというのは俗説で、これは実際にはビクトリア朝の反宗教的プロパガンダと、当時の様式化された地図の誤った解釈からきている。
ギリシャの多才なエラトステネスが初めて地球の球の周りの距離を測定したのは2200年以上前で、以来、地球の中心にあることは明らかであった。
しかし、初期の哲学者が今日のように地球について考えていたということではありません。
古代ギリシャの物理学では、世界は4つの基本要素（土、水、空気、そして最後に火）の一連の同心円状の球体で構成されているとされていました。
この最古の科学的イメージでは、地球の球体の中に空気があるはずがないため、中心部は固体でなければならなかったのです。
明らかに、地球の球は完全に水に囲まれておらず、乾いた土地もないため、地球の一部が突き出ていると考えられ、つまり、大陸は1つしかないと考えられた。
ヴェルヌの本のように、地球が完全に中空になっているか、広大な洞窟が中心まで達しているという考えは、古代から小説や神話の中で人気があり、疑似科学や陰謀論にも登場します。
しかし、天文学者のエドモンド・ハレーが、1692年に異常なコンパスの読み取りを説明するために、空洞の地球を提案した以外、科学者がこの考えを真剣に受け止めていたとは思えません。
地球の重さはどれくらい？
キャベンディッシュは変わった人物で、使用人と直接会うのを避けるために、メモを通じてのみコミュニケーションを取っていました。
簡単なねじり天秤を使用したところ。 キャベンディッシュは、2つの大きな球が小さな球に及ぼす重力によって生じるねじれ力の大きさを測定し、2つの球の組の間の微弱な重力引力を計算することができたのです。
これを地球自身の重力と比較することによって、彼は惑星の密度（そして地球の大きさはすでに知られていたので、その質量も）を計算することができた。
しかし密度の図は、深部のどこかに非常に密度の高い未知の物質がなければ、我々の惑星はほとんど固体でなければならないことを示したのだ。
今日、私たちは地球の内部を、厚さ5kmから75kmの外側の層である地殻、深さ約2,900kmに及ぶマントル、そして私たちがここで関心を持っているコアの厚さは、地球の中心から約3,500km離れており、2つの異なるセグメントに分けました。 この内核の温度は約5,400℃で、太陽の表面と同じような温度である。
しかし、これほどアクセスしにくい場所について、どのようにしてその詳細を知ることができるでしょうか。
地震の後、地震波は地球を通り、通過する物質によって形と方向を変えます。 地球物理学者はこの情報を使って、地球のコアにあるものを推測してきた。
このような波を測定する装置である地震計は、地球内部を探るための望遠鏡に相当する。
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20世紀初頭までに、地球を深く掘り下げるにつれて温度が上昇していることと、地震学者の地球波の分析から、地球の内部は少なくとも一部が溶けており、岩や金属を液体に変えるほど高温であることが示唆されました。
波は地球の構造について何を教えてくれるのでしょうか。
波といえば、おそらく海で見るような表面波を思い浮かべるでしょう。
地震で被害をもたらす地震波は表面を伝わる波ですが、地球の中を伝わる「体表波」も2種類あります。 P波（「P」は「primary」の略）は音と同じ縦波で、
進行方向に振動し、通過するときに地球を押し上げたり、膨張させたりするものです。
P波は、花崗岩のような岩石では毎秒5km、マントルの最も密度の高い部分では毎秒14kmと、速く伝わる。
第2のタイプの本体波であるS波（「S」は「Secondary」の略）は、横波で、横から横に動くゆっくりとした波である。 P波と違って、液体の中を通ることができないので、この2種類の波が、地球の核を理解するのに不可欠であることがわかったわけです。
巨大地震があったとします。 波が地球を動き始めます。
P波は前方に、S波は約半分の速度で後ろに続いて発射されるのです。 どちらの波も、地面の振動を測定する地震計で、地球上のあちこちで検出されます。
しかし、波が核を通過して遠くの測定局に到達するところには、いわゆるシャドーゾーンがあります。 震源地から地球の外周を約104度移動すると、波は消えます。 しかし、140°以降では、P波が再び現れ、S波は伴わない。
1906年には早くも、リチャード・オルダムがこの奇妙な影の意味に気づいていた。 オルダムはそのキャリアのほとんどをインドの地質調査所で過ごし、しばしばヒマラヤで仕事をしました。
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1903年に英国に引退すると、それまでの数年間に蓄積したデータを生かして、地球の内部を探った。 7210>
その場合、P波は液体によって屈折し、光が水から空中に移動するときのように曲がって、独特の影を残すことになります。 それに対してS波は、液体のコアによって完全に止められてしまう。
オルダムによる突破口は、溶融したコアのイメージを広く受け入れることになったが、30年後、インゲ・レーマンはオルダムの考えが単純すぎることに気がついた。
地球の中心にある高密度の液体によるP波の屈折は、完全な影を作り出すはずでした。
実際、レーマンの時代にはより感度の高い地震計で測定したところ、かすかなP波がまだ影の部分に到達していることが判明しました。
レーマンは、1929年ニュージーランド地震からの惑星通過データを研究し、これらの波が内部の固体コアと外部の液体の境界から反射されていると提案しました。
1936年に発表された彼女の結果は、2年後にベノ・グーテンベルクとチャールズ・リヒターによって確認され、固体コアの効果を正確にモデル化しました。
これらの反射地震波の直接測定は、1970年にようやく実現しました。
さらに研究を進めると、さらに微妙な波が見つかり、その到達の遅れから、液体の外核をP波として横切り、内核で横方向のS波に変換され、出口でP波に戻されたはずだとわかった。
この発見は、2005年にようやく確認されて、固体核のさらなる証拠となったのだ。 たとえば、温度は、圧力下で物質がどのように溶けたり固まったりするかについての実験的研究からしか解明できません。
実際には、核は主に鉄とニッケルからなるという仮説は、天の川の我々の地域内で異なる要素が発生する頻度と、我々の惑星の形成方法に関する理解からきているのです。
地球の中心部では、大気圧の300万倍以上という非常に高い圧力がかかっており、物質は通常の状態とはまったく異なる挙動を示すことがあります。
ダイヤモンドアンビルセルに入る。
この驚くべき装置では、わずか1ミリの大きさの2つのダイヤモンドの点が、一緒に押されているのだ。
ダイヤモンドアンビルは地球のコアの2倍の圧力を作り出し、レーザーで加熱します。
金属サンプルを砕いてコアに近い状態に加熱すると、地球の中心部に結晶性の固体があることを示唆する結果が得られました。
熱、圧力、放射能（内部加熱の主な原因の1つ）のレベルが非常に高く、たとえ6000km以上の岩石や金属を掘り進むことができたとしても、探査機は生き残れないだろう。
コアへの到達に比べると、太陽系の外側に行くことは些細なことだ。
しかし、地震によって発生し、インゲ・レーマンのような独創的な科学者によって解釈されるこの惑星自身の振動は、私たちが実際に訪れることのない場所を心で探索する手段を与えてくれるのである。
- This article first appeared in issue 304 of BBC Focus
Key terms
Longitudinal waves – これらの波は進行方向の一連の圧縮と緩和からなり、まるで長さを押されているスリンキーバネのようなものである。 7210>
屈折 – 波が2つの物質の境界にぶつかり、斜めに伝わるとき、方向が変わる。 例えば、光波は水と空気の間を通過するときに屈折し、まっすぐな物体が曲がって見える。
地震学 – 地震の研究。
ねじり天秤 – この装置は、ねじれた繊維でフレームから吊るされた棒で構成されています。
横波-ロープの一端を上下に動かして送る波のように、一連の横から横への振動で構成される波。 光やS字波などがある。