熱流量と地球内部

地球内部から放出される熱は、対流、地球ダイナモ、プレートテクトニクスを駆動しており、この熱流量を地震学的データや鉱物物理学的データと合わせて測定することで、深部惑星の組成、構造、進化が明らかになる。

Definition

熱流量と地球内部とは、惑星の内部熱状態とエネルギー収支を研究する分野であり、測定された地表熱流量、地震学的構造、高圧鉱物物理学を統合して、地殻、マントル、核の組成、温度、進化を決定する。

Scope

この分野は、地球の熱状態と内部の構成を対象とする。すなわち、地球の熱流量とその発生源である放射性熱、原始熱、核熱、地殻、マントル、核の層状組成と構造、そして高圧高温下での実験測定と地球深部を結びつける鉱物物理学である。地温勾配、熱輸送様式、惑星の長期的な熱進化を扱い、内部のエネルギー収支と物理状態に重点を置く。

Sub-topics

• 地球深部の組成と構造
• 鉱物物理学と高圧地球物理学
• 地熱流量と地熱学
• 地球の熱進化

Core questions

• 地球からどれくらいの熱が流出し、それはどこから来るのか？
• 地殻、マントル、核の組成と物理構造はどのようなものか？
• 高圧鉱物実験は深部内部をどのように制約するのか？
• 地球の熱状態は地質学的時間スケールでどのように進化してきたのか？

Key concepts

• 地球熱流量と地温勾配
• 放射性熱源、原始熱源、核熱源
• 層状構造：地殻、マントル、核
• 高圧高温下での鉱物物理学
• 地球の熱進化と冷却

Key theories

地球の熱収支

地球全体の地表熱流量は、長寿命同位体の放射性崩壊と、原始熱および核熱のゆっくりとした放出によって供給されており、この収支がマントル対流、プレートテクトニクス、地球ダイナモを駆動するために利用可能なエネルギーを決定する。

内部の層状構造

地震学、重力、鉱物物理学を組み合わせることで、地球は薄い地殻、相転移層を持つケイ酸塩マントル、そして液体外核と固体内核を持つ金属核に分化していることが確立されている。

Clinical relevance

地球内部の熱は、プレートテクトニクス、火山活動、磁場を引き起こす対流を駆動し、地熱エネルギー資源を支え、惑星や他の天体がどのように進化し、居住可能であり続けてきたかというモデルの基礎となる。

History

ケルビンによる19世紀の地球年齢に関する冷却推定は、後に放射能の発見によって覆されたが、地球熱の研究の端緒を開いた。20世紀の地震学は内部の層状構造を明らかにし、バーチは地震波速度と組成を関連付け、現代の熱流量の集積と鉱物物理学は惑星のエネルギー収支を定量化した。

Key figures

• William Thomson (Lord Kelvin)
• Inge Lehmann
• Francis Birch
• Edward Bullard

Seminal works

• fowler2005
• turcotte2014
• stacey2008

Frequently asked questions

地球内部の熱はどこから来るのか？

そのほとんどは、ウラン、トリウム、カリウムなどの長寿命同位体の放射性崩壊に由来し、残りの大部分は惑星形成時に残された原始熱と、核がゆっくりと冷却し内核が凍結する際に放出される熱である。

深部地球をサンプリングできないのに、その構成をどうやって知るのか？

科学者たちは、内部を波がどのように伝播するかという地震学的測定と、深部の途方もない圧力と温度を再現する実験室実験を組み合わせ、観測された特性を候補となる鉱物や金属と照合することで、内部の組成を推測している。