惑星の内部構造

(1)

地球惑星圏物理学

惑星の内部構造

1

(2)

内部構造の推定方法

人が直接アクセスできる深度数 km ~ 10 km 程度 (地球の場合)

➭

間接的に情報を得る観測が必要 (例：地震波, マントル捕獲岩)

地震波観測

http://www.jma-net.go.jp/sapporo/bousaikyouiku/mamechishiki/jikazanknowledge/img/jikazanimg2̲1.png

P波(縦波)：固体でも液体でも伝播

S波(横波)：固体でのみ伝播

68 第 6 章惑星内部構造

表 6-1. 太陽系の代表的物質の密度 (1 bar における凝縮相のもの ) 。岩波書店『比較惑星学』

より転載。

6.1.2 内部構造の推定方法

内部構造の推定方法の中で、最も多くの情報をもたらすものは

地震波観測

である。惑星を構成する岩石や鉄は弾性体としての性質を持っているため、惑星のどこかでなんらかの破壊減少 ( 震源 ) が発生すると、その振動は波として伝播する。その伝播速度は P 波 ( 縦波 ) 、 S 波 ( 横波 ) それぞれについて、

V P = !" K + 4

3 µ/ρ

#

, V S = $ µ/ρ (6.3)

と書くことができる。ここで、 K は体積弾性率、 µ は剛性率である。地震波の速度は、物質の情報を含んでいることがわかる。また、地震波は光と同様に異なる性質を持つ物質の境界面で反射屈折を受ける。このため、ある震源で発生した地震波は様々な経路で伝播していく ( 図 6-1) 。実際には地震波の到達時間が観測量であり、そこから波の経路や内部構造の推定が行われる。このような地震波観測により、薄い

地殻

の下に、岩石の

マントル

、液体鉄の

外核

( 横波が伝播しない ) 、固体鉄の

内核

という地球内部の基本的な構造 ( 後述 ) が明らかにされた。

地震波の伝播速度を測定すれば、密度構造を知ることができる

!

1

0

dτ =

!

p(τ=1)

0

κ

g dp (33)

κ ∼ 10

⁻⁸

" p 1bar

# cm

²

g

⁻¹

, g = 10

³

cm s

⁻²

(34)

1 ∼ 10

⁻⁸

10

³

p(τ = 1)

²

2 (35)

p(τ = 1) ∼ 0.1 − 1 bar (36)

p = p

₀

" T T

₀

#

_γ₋^γ₁

(37)

∼ 1 bar " 1500 K 250 K

#

⁷₂

(38)

p ∼ 500 bar (39)

f = Φ

_D

/Φ

_H

[D]/[H] (40)

dM (r)

dr = 4π r

²

ρ(r) (41)

K = − V ∂ p

∂ V (42)

µ = F/A

∆x/l (43)

3

剛性率

!2

68

第

6

章惑星内部構造

表

6-1.

太陽系の代表的物質の密度

(1 bar

における凝縮相のもの

)

。岩波書店『比較惑星学』

より転載。

6.1.2 内部構造の推定方法

内部構造の推定方法の中で、最も多くの情報をもたらすものは地震波観測である。惑星を構成する岩石や鉄は弾性体としての性質を持っているため、惑星のどこかでなんらかの破壊減少

(

震源

)

が発生すると、その振動は波として伝播する。その伝播速度は

P

波

(

縦波

)

、

S

波

(

_横波

)

_{それぞれについて、}

V P =

!"

K + 4 3 µ

#

/ρ , V S = $ µ/ρ (6.3)

と書くことができる。ここで、

K

は体積弾性率、

µ

は剛性率である。地震波の速度は、物質の情報を含んでいることがわかる。また、地震波は光と同様に異なる性質を持つ物質の境界面で反射屈折を受ける。このため、ある震源で発生した地震波は様々な経路で伝播していく

(

図

6-1)

。実際には地震波の到達時間が観測量であり、そこから波の経路や内部構造の推定が行われる。このような地震波観測により、薄い地殻の下に、岩石のマントル、液体鉄の外核

(

_{横波が伝播しない}

)

_{、固体鉄の}_内核という地球内部の基本的な構造

(

_後述

)

_{が明らかにされた。}

!

1

0

dτ =

!

p(τ=1)

0

κ

g dp (33)

κ ∼ 10

⁻⁸

" p 1bar

# cm

²

g

⁻¹

, g = 10

³

cm s

⁻²

(34)

1 ∼ 10

⁻⁸

10

³

p(τ = 1)

²

2 (35)

p(τ = 1) ∼ 0.1 − 1 bar (36)

p = p

₀

" T T

₀

#

_γ₋^γ₁

(37)

∼ 1 bar " 1500 K 250 K

#

⁷₂

(38)

p ∼ 500 bar (39)

f = Φ

_D

/Φ

_H

[D]/[H] (40)

dM (r)

dr = 4π r

²

ρ(r) (41)

K = − V ∂ p

∂ V (42)

3

体積弾性率

(3)

地震波観測

6.1.

内部構造論の基礎

69

図

6-1.

地球内部でのいろいろな破線とその名称。岩波書店『地球科学入門』より転載。

地震波観測が行われた天体は地球と月に限られており、他の天体ではより限られた観測から内部構造の推定が行われている。惑星や衛星の観測値としてまず求められるのは、質量

M

である。その周囲をまわる衛星や探査機の軌道から、

(1.12)

式を用いて、

M = 4π

²

G

a

³

T

²

. (6.4)

ここで、

T

は軌道周期、

a

は軌道長半径である。半径

R

は天文観測や探査機の画像解析から推定されるため、

M

と

R

から平均密度

ρ

が計算できる。平均密度と表

6-1

の既知の物質の密度を比較することにより、第

0

近似的な天体の組成を推定することができる。

地球内部の地震波の伝播

岩石の地殻・マントル、金属鉄の外核(液体)・内核(固体) という地球内部構造が地震波観測から明らかになった

!3

岩波書店『地球科学入門』朝倉書店『基礎地球科学』

(4)

地球内部の物理・化学構造

72

第

6

図

6-3

．地球内部の密度・地震波速度構造。

Spring 8

のウェブサイトより転載。

図

6-3

に地球内部の地震波速度と、地震波速度から推定された密度構造を示す。内部に行くほど圧力の効果で密度が上がることにより、地震波速度が大きくなっている。外核は液体であるため横波が伝播しない。マントルとコアでは化学組成が異なるため、密度と地震波速度に大きなギャップがある。また、マントル中においても小さな地震波速度・密度のギャップがあるが、これは鉱物の相転移の影響である。

表

6-3

．地球の組成。

Cambridge Press

『

Physics of the Earth 4th Edition

』より転載。

6.2.2

_{岩石惑星の内部構造}

地球以外の岩石惑星においても、水星がダイナモ磁場を持つこと、火星がかつてダイナモ磁場を持っていた地質学的証拠があること、各惑星の慣性能率の観測などから、すべて地殻・

マントル・コア

(

核

)

に分化した内部構造をもっていると考えられている。

Cambridge Press『Physics of the Earth』

岩石 (67.5 wt%) 金属鉄 (32.5 wt%)

地殻：マントルから分化した岩石

※分化：化学組成の異なる層に分かれること

マントル：(Mg, Fe)

2

SiO

4

, (Mg, Fe)SiO

3

主成分の岩石外核：液体。金属鉄を主成分とする。ダイナモ磁場の起源内核：固体。金属鉄を主成分とする

!4

朝倉書店『基礎地球科学』

(5)

プレート・テクトニクス

!5

• プレート：地球を覆う(厚さ数十~200 km)程度の十数枚の岩盤 ( 地殻)

• 海嶺で生成され、海溝で沈み込む

(6)

物質大循環

!6

朝倉書店『基礎地球科学』

• マントル対流に伴う部分溶融が海洋地殻を生成

• プレート沈み込みに伴う部分溶融が大陸地殻を生成

(7)

(e.g. Komiya et al., 1999). However, de ﬁ nition of ophiolite depends on the rock assemblages (Maruyama et al., 1989), and therefore when, where, and how plate tectonics began to operate remains unsolved. To tackle these questions, we start from clarifying what plate tectonics is from its most essential characters such as rigidity, plate boundary processes, role of water as a driving force, mantle potential temperature, and evaluate the multi-disciplinary aspects of the theory. Finally, we propose a trigger to initiate plate tectonics on Hadean Earth.

2. What is plate tectonics?

2.1. Deﬁnition of plate tectonics and three-dimensional structure of lithosphere

Plate tectonics is basically de ﬁ ned as follows; The Earth’s surface is covered by more than a dozen rigid lithospheres called plate. The movement of these plates is rotational motion on the spherical body of the Earth. Hence both the rotational pole and angular

Figure 1. A summary of planetary tectonics (modi ﬁ ed after Kumazawa and Maruyama, 1994). The mechanism of plate tectonics is dominant in upper mantle of present day Earth. In contrast, Mars and Venus are dominated by stagnant-lid convection at present in which the mantle convection is caused by upwelling and downwelling of plumes only beneath a rigid and immobile lid or plate.

S. Maruyama et al. / Geoscience Frontiers xxx (2016) 1e 17 2

Please cite this article in press as: Maruyama, S., et al., Initiation of plate tectonics in the Hadean: Eclogitization triggered by the ABEL Bombardment, Geoscience Frontiers (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.gsf.2016.11.009

!7

(e.g. Komiya et al., 1999). However, de ﬁ nition of ophiolite depends on the rock assemblages (Maruyama et al., 1989 ), and therefore when, where, and how plate tectonics began to operate remains unsolved. To tackle these questions, we start from clarifying what plate tectonics is from its most essential characters such as rigidity, plate boundary processes, role of water as a driving force, mantle potential temperature, and evaluate the multi-disciplinary aspects of the theory. Finally, we propose a trigger to initiate plate tectonics on Hadean Earth.

2. What is plate tectonics?

2.1. Deﬁnition of plate tectonics and three-dimensional structure of lithosphere

Plate tectonics is basically de ﬁ ned as follows; The Earth’s surface is covered by more than a dozen rigid lithospheres called plate. The movement of these plates is rotational motion on the spherical body of the Earth. Hence both the rotational pole and angular

Figure 1. A summary of planetary tectonics (modi ﬁ ed after Kumazawa and Maruyama, 1994). The mechanism of plate tectonics is dominant in upper mantle of present day Earth. In contrast, Mars and Venus are dominated by stagnant-lid convection at present in which the mantle convection is caused by upwelling and downwelling of plumes only beneath a rigid and immobile lid or plate.

S. Maruyama et al. / Geoscience Frontiers xxx (2016) 1e 17 2

Please cite this article in press as: Maruyama, S., et al., Initiation of plate tectonics in the Hadean: Eclogitization triggered by the ABEL Bombardment, Geoscience Frontiers (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.gsf.2016.11.009

Figure from

Maruyama et al. (2016) Geoscience Frontiers

地球：プレート・テクトニクス (複数のプレートが流動)

金星・火星：スタグナントリッド (1枚だけのプレート)

テクトニクス形式の違いは惑星表層環境

の違いにつながる(炭素循環，大陸地殻)

プレート・テクトニクスの発生条件は

未解明(液体の水？)

(8)

標高分布の比較

The underlying importance of Earth’s bimodal hypsography was noted early last century. In 1929,Wegener (1966, p. 37)presciently observed: ‘‘In the whole of geophysics there is hardly another law of such clarity and reliability as this – that there are two preferen- tial levels for the world’s surface which occur in alternation side by side, and are represented by the continents and ocean floors, respectively. It is therefore very surprising that scarcely anyone has tried to explain this law, which has, after all, been well known for some time. . . In this way we have achieved for the first time a plausible explanation. . .’’ He explained the bimodal elevation distribution with the fundamental difference in continental and oce- anic crust, this supporting his theory of Continental Drift. As Wegener realized, topographic data hold clues for understanding the history of a planet’s surface. Earth’s hypsometric curve has more recently been explained by plate tectonics, and shows some second-order effects, such as the peaks in the seafloor portion, which may reflect periods of fast spreading.

Unlike Earth, Venus does not appear to have plate tectonics.

Comparison of the hypsographs for the two planets (Fig. 1) reflects major differences in the processes shaping their surfaces – Earth’s bimodal distribution results from the two major rock types, granite and basalt, whereas Venus seems dominated by only one type of rock, presumably basalt. Of the terrestrial bodies, Venus displays the simplest hypsography, with 80% of its surface within 1 km elevation of the mean (Ford and Pettengill, 1992). The near-Gaussian distribution bears an overall similarity to the distribution of the continental portion of Earth’s curve and the higher elevation portion of Mars’ curve, and to a lesser degree, to the curves of the

Moon and Earth’s oceans. This suggests that Venus’s hypsography may represent the typical distribution of a one rock-type surface.

Mars may have seen two ancient sea-level stands (Parker et al., 1993). Both have signatures in the hypsograph (Fig. 1) with the lower stand much more pronounced, and indeed only the deeper sea-level stand is supported by MOLA evidence (Head et al., 1999). Although Mars’ bimodal distribution is similar to that caused by Earth’s plate tectonic processes, it has been attributed to offset of center of mass from center of figure (Smith and Zuber, 1996).

The Moon’s hypsographic curve features a shoulder at about

!3 km, perhaps due to volcanic infill of major basins. Another sa- tellite, Saturn’s Titan, unique in so many ways, displays a hypsometric curve with a negative tail (Lorenz et al., 2011). This could be the result of collapse on Titan’s surface. Cassini’s radar can im- age Titan’s surface beneath the thick clouds and has revealed numerous dark circular features in the equatorial region. These may be related to methane–cryovolcanism, and have been inter- preted as collapse features, or pits. For a portion of Cassini’s equatorial swath, Adams and Jurdy (2011) identified 195 pits with diameters between 1 and 6 km (3–17 pixels), and from the Poisson distribution they inferred the probable number of additional pits in the region below the resolution of 3 pixels. They conclude that in total, pits could account for 0.5% of the area, thus contributing noticeably to Titan’s hypsography.

The remaining unexplored terrestrial body, Mercury, is sched- uled to be fully mapped by MESSENGER, following its March, 2011 orbit insertion. Until then, we can only guess about the char-

Fig. 1. Hypsographs for Venus, Earth, Moon, and Mars. A best-fit Gaussian curve (red) is shown for Venus. Blue regions represent below sea-level portions of the terrestrial curve, and portions below two sea levels proposed for Mars. The bimodal distribution for Earth is attributable to differing densities of basalt (seafloor) and granite (continents). Venus’ distribution is distinctly unimodal, implying only one dominant surface rock type. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

P.R. Stoddard, D.M. Jurdy / Icarus 217 (2012) 524–533 525

Stoddard & Jurdy (2012) Icarus

(9)

慣性能率

70 第 6 章惑星内部構造

表 6-2. 岩石惑星・月の内部構造に関する物理量。 Cambridge Press 『 Physics of the Earth 4th Edition 』より転載。

より高次の内部構造の推定では、慣性能率 I を用いる。

I = !

V

r 2 dm (6.5)

ここでの r は自転軸からの距離であることに注意。慣性能率 I は天体の質量の中心集中度を表しており ( 中心の密度が大きいほど I が小さい ) 、天体の形状や重力場などの測地学的観測データから求めることができる。完全な球形・一様密度の天体の場合、 I/M R 2 = 0.4 となる。

表 6-2 に実際の惑星の慣性能率を示す。月、火星、地球の順に I が 0.4 より小さくなっており、質量の中心集中度が高いことがわかる。これはコアの存在や、自己重力による惑星深部の物質の圧縮を示している。

慣性能率(慣性モーメント)

• 回転させにくさを表す

• 物体の質量の中心集中度

70 第 6 章惑星内部構造

表 6-2. 岩石惑星・月の内部構造に関する物理量。 Cambridge Press 『 Physics of the Earth 4th Edition 』より転載。

より高次の内部構造の推定では、慣性能率 I を用いる。

I = !

V r 2 dm (6.5)

ここでの r は自転軸からの距離であることに注意。慣性能率 I は天体の質量の中心集中度を表しており ( 中心の密度が大きいほど I が小さい ) 、天体の形状や重力場などの測地学的観測データから求めることができる。完全な球形・一様密度の天体の場合、 I/M R 2 = 0.4 となる。

表 6-2 に実際の惑星の慣性能率を示す。月、火星、地球の順に I が 0.4 より小さくなっており、質量の中心集中度が高いことがわかる。これはコアの存在や、自己重力による惑星深部の物質の圧縮を示している。

• 密度一定の球体の場合、

Cambridge Press『Physics of the Earth』より

70

第

6

表

6-2.

岩石惑星・月の内部構造に関する物理量。

Cambridge Press

_『

Physics of the Earth 4th Edition

_{』より転載。}

より高次の内部構造の推定では、慣性能率

I

を用いる。

I = !

V

r

²

dm (6.5)

ここでの

r

は自転軸からの距離であることに注意。慣性能率

I

は天体の質量の中心集中度を表しており

(

中心の密度が大きいほど

I

_が小さい

)

、天体の形状や重力場などの測地学的観測データから求めることができる。完全な球形・一様密度の天体の場合、

I/M R

²

= 0.4

_となる。

表

6-2

に実際の惑星の慣性能率を示す。月、火星、地球の順に

I

が

0.4

_{より小さくなってお} り、質量の中心集中度が高いことがわかる。これはコアの存在や、自己重力による惑星深部の物質の圧縮を示している。

• コアの存在, サイズ・圧力による圧縮

r

!9

質量素片

dm

(10)

岩石惑星の内部構造

・小さい慣性能率・水星の磁場と火星の岩石残留磁場

➭ 地球同様に分化した内部構造を持つ

水星と火星は液体の外核を持つ金星は未知

➭ 各惑星の熱史 (内部温度の時間進化) の複雑性を反映

!10

(11)

巨大ガス惑星の内部構造

6.2.

各惑星の内部構造

73

表

6-2

によると、金星は地球と同様に約

30 %

程度の質量のコアを持っていると推定されているが、水星のコアは質量の約

70 %

にも及ぶ。また、火星のコアはやや小さい。このような違いが惑星形成過程においてどのように生じたかは未知である。

水星にはダイナモ磁場があることから、コアの少なくとも外部は液体であると考えられる。

また、現在の火星はダイナモ磁場はないが、火星の潮汐変形の観測から、コアに液体部分があることが示されている。地球とサイズの近い金星がダイナモ磁場を持っていない理由はよくわかっていない。ダイナモ磁場の有無や液体外核の有無は惑星のたどってきた熱史

(

内部の温度変化の歴史

)

の違いを反映しているが、太陽系の岩石惑星のこれらの観測事実は、小さい天体ほど早く冷却しているという単純な熱史ではないことを示している。

6.2.3 巨大ガス惑星の内部構造

Jupiter

Molecular H₂ (Y~0.23)

Metallic H⁺ (Y~0.27)

Helium rain

165-170 K 1 bar 6300-6800 K

2 Mbar

15000-21000 K 40 Mbar

Saturn

Molecular H₂ (Y~0.20?)

Metallic H⁺ 0.30?)(Y~

Helium rain

135-145 K 1 bar

5850-6100 K 2 Mbar

8500-10000 K 10 Mbar

Ices + Rocks core ?

図

6-4.

木星・土星の内部構造の推定。

Elsevier

_『

Treatise on Geophysics, Second Edition

_』より転載。

巨大惑星においても、質量・半径に加えて慣性能率やより高次の重力場測定によって、内部構造の推定が行われている。図

6-4

は木星・土星の内部構造の模式図である。惑星形成論に基づく理論的予想と、重力場の観測から、水素・ヘリウムを主成分とする木星・土星の中心部には岩石や氷のコアが存在すると考えられている。また、大気中のヘリウム含有量が原始惑星系円盤のヘリウム含有量よりやや小さいことから、内部でヘリウムの沈殿が起こっていると予想されている。

Elsevier 『Treatise on Geophysics, 2nd Edition』より

※ Y：ヘリウムの質量存在度

重力場測定・形成理論 ➭ 高密度のコア(岩石/氷)を示唆

大気中のヘリウム存在度 < 原始惑星系円盤のヘリウム存在度 (Y=0.28)

➭ ヘリウムの沈殿

強力なダイナモ磁場 ➭ 金属水素の存在

!11

(12)

74

第

6

-2 0 2 4 6 8 10 12

log P [bar]

1 2 3 4 5 6 7

lo g T [K ]

Jupiter Jupiter Saturn Saturn

Uranus, Neptune Uranus, Neptunetunetune Uranus, Nep Uranus, Nep

Gl229 B CoRo

T-15b

HD209458 b HD209458 b

Sun

liquid gas

soli d

solid H

²

molecular

H

⁺

m eta llic

molecular metallic H atom ic

H

⁺

P^gas

=P^ra^d

T=T

F

IV IV IV IV I I

III III III

molecular molecular

^II^II

?

plasma

図

6-5.

_{水素の相図。}

Elsevier

_『

_{』より転載。}

巨大ガス惑星の内部構造の特徴として、金属水素相の存在が挙げられる

(

_図

6-5)

_{。巨大惑星} 内部の高密度領域では、電子のエネルギーがイオン化エネルギーを上回り、水素原子は電離した状態にある。電子は金属中の自由電子のように振る舞う。この金属水素相は木星・土星の強力なダイナモ磁場の起源となっている。

6.2.4

_{巨大氷惑星の内部構造}

Uranus

~75 K 1 bar

~2000 K 0.1 Mbar

6000~6500 K

~8 Mbar

Neptune

~70 K 1 bar

~2000 K 0.1 Mbar

5000~5500 K 10~16 Mbar Molecular H₂

Helium + Ices

Mixed with hydrogen?Ices Mixed with rocks?

Rocks?

図

6-6.

天王星・海王星の内部構造の推定。

Elsevier

『

』より転載。

巨大ガス惑星の内部構造

Hydrogen phase diagram

!12

高圧高密度 ➭ 電離・自由電子化 ➭ 対流運動でダイナモ磁場を生成

(13)

巨大氷惑星の内部構造

74 第 6 章惑星内部構造

-2 0 2 4 6 8 10 12

log P [bar]

1 2 3 4 5 6 7

lo g T [K ]

Ju pit er Ju pit er Sa turn Sa turn

Ura nu s, Ne ptune Ura nu s, Ne ptune tune tune Ura nu s, Ne p Ura nu s, Ne p

Gl229 B CoRo

T-15b

HD209458 b HD209458 b

Su n

liquid gas

soli d

solid H

²

molecular

H

⁺

m eta llic

molecular metallic H atom ic

H

⁺

P^gas

=P^ra^d

T=T

F

IV IV IV IV I I

III III III

molecular molecular

^II^II

?

plasma

図 6-5. 水素の相図。 Elsevier 『 Treatise on Geophysics, Second Edition 』より転載。

巨大ガス惑星の内部構造の特徴として、金属水素相の存在が挙げられる ( 図 6-5) 。巨大惑星内部の高密度領域では、電子のエネルギーがイオン化エネルギーを上回り、水素原子は電離した状態にある。電子は金属中の自由電子のように振る舞う。この金属水素相は木星・土星の強力なダイナモ磁場の起源となっている。

6.2.4 巨大氷惑星の内部構造

Uranus

~75 K 1 bar

~2000 K 0.1 Mbar

6000~6500 K

~8 Mbar

Neptune

~70 K 1 bar

~2000 K 0.1 Mbar

5000~5500 K 10~16 Mbar Molecular H₂

Helium + Ices

Mixed with hydrogen?Ices Mixed with rocks?

Rocks?

図 6-6. 天王星・海王星の内部構造の推定。 Elsevier 『 Treatise on Geophysics, Second Edition 』より転載。

木星・土星と比較して観測データが少ない水素ヘリウム層の下に氷の層

高圧氷はスーパーアイオニック相(水素イオンが自由電子的に振る舞う) になっていると考えられている

!13

(14)

巨大氷惑星の内部構造

http://eps.berkeley.edu/spotlight/apr-2013-over-last-three-years-burkhard-militzers-group-has-been-working-understanding

木星・土星と比較して観測データが少ない水素ヘリウム層の下に氷の層

高圧氷はスーパーアイオニック相(水素イオンが自由電子的に振る舞う) になっていると考えられている

!14

(15)

まとめ

内部構造の推定方法：地震波、慣性能率、磁場

慣性能率が0.4より小さいほど、中心に質量が集中

地球の内部構造：地殻・マントル・外核・内核に分化他の岩石惑星も同様に分化している

地球の特徴：プレート・テクトニクス他の岩石惑星スタグナント・リッド

巨大ガス惑星：分子水素/ヘリウム・金属水素・岩石/氷コア

巨大氷惑星：分子水素/ヘリウム・氷(スーパーアイオニック相)・コア

!15

惑星の内部構造

地球惑星圏物理学

地震波観測

P波(縦波)：固体でも液体でも伝播

68 第 6 章 惑星内部構造

の下に、岩石の

∼ 1 bar " 1500 K 250 K

より転載。

6.1.2 内部構造の推定方法

内部構造の推定方法の中で、最も多くの情報をもたらすものは地震波観測である。惑星を 構成する岩石や鉄は弾性体としての性質を持っているため、惑星のどこかでなんらかの破壊 減少

∼ 1 bar " 1500 K 250 K

0

岩石の地殻・マントル、金属鉄の外核(液体)・内核(固体) という 地球内部構造が地震波観測から明らかになった

Physics of the Earth 4th Edition

地殻：マントルから分化した岩石

プレート・テクトニクス

• マントル対流に伴う部分溶融が海洋地殻を生成

Plate tectonics is basically de ﬁ ned as follows; The Earth’s surface is covered by more than a dozen rigid lithospheres called plate. The movement of these plates is rotational motion on the spherical body of the Earth. Hence both the rotational pole and angular

S. Maruyama et al. / Geoscience Frontiers xxx (2016) 1e 17 2

金星・火星：スタグナントリッド (1枚だけのプレート)

標高分布の比較

Stoddard & Jurdy (2012) Icarus

慣性能率(慣性モーメント)

70 第 6 章 惑星内部構造

• 密度一定の球体の場合、

Cambridge Press

岩石惑星の内部構造

巨大ガス惑星の内部構造

水星にはダイナモ磁場があることから、コアの少なくとも外部は液体であると考えられる。

6.2.3 巨大ガス惑星の内部構造

165-170 K 1 bar 6300-6800 K

Saturn

5850-6100 K 2 Mbar

Elsevier

巨大惑星においても、質量・半径に加えて慣性能率やより高次の重力場測定によって、内 部構造の推定が行われている。図

重力場測定・形成理論 ➭ 高密度のコア(岩石/氷)を示唆

log P [bar]

Uranus

Elsevier

巨大氷惑星の内部構造

木星・土星と比較して観測データが少ない 水素ヘリウム層の下に氷の層

木星・土星と比較して観測データが少ない 水素ヘリウム層の下に氷の層

慣性能率が0.4より小さいほど、中心に質量が集中

68 第 6 章惑星内部構造

内部構造の推定方法の中で、最も多くの情報をもたらすものは地震波観測である。惑星を構成する岩石や鉄は弾性体としての性質を持っているため、惑星のどこかでなんらかの破壊減少

岩石の地殻・マントル、金属鉄の外核(液体)・内核(固体) という地球内部構造が地震波観測から明らかになった

70 第 6 章惑星内部構造

巨大惑星においても、質量・半径に加えて慣性能率やより高次の重力場測定によって、内部構造の推定が行われている。図

木星・土星と比較して観測データが少ない水素ヘリウム層の下に氷の層

木星・土星と比較して観測データが少ない水素ヘリウム層の下に氷の層