地球内部物理学 Physics of the Earth’s Interior

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1 地球内部物理学 Physics of the Earth’s Interior
北海道大学理学院 Hokkaido Univ. 地球惑星ダイナミクス講座 Earth and Planetary Dynamics 日置 幸介 Kosuke Heki へ き

2 地球内部物理学 (宇宙測地学研究室 日置) 1. 質点としての地球の力学 Earth as a point mass
地球内部物理学　 　　　　　　　　(宇宙測地学研究室　日置) 1. 質点としての地球の力学 Earth as a point mass 　　公転・ケプラー運動 Orbital motion 2. 剛体としての地球の力学 Earth as a rigid body 　　地球の慣性モーメントと自転 MOI and rotation 3. 極運動と自転速度変動 Polar motion and DLOD 　　チャンドラー運動、地球ー月の力学進化 Chandler Wobble, Earth-Moon system

3 4. 流体としての地球 Earth as a fluid 地球の形、地球楕円体、ジオイド
　　地球の形、地球楕円体、ジオイド Shape, ellipsoid, Geoid 5. 弾性体としての地球 Earth as an elastic body 　　地球潮汐、分潮、ラブ数 Earth tide, tidal components, Love number 6. 地球の重力とその変動 Earth’s gravity 　　重力異常、アイソスタシー Gravity anomaly, isostasy 　　

4 7. 現実的な地球・地球熱学 Realistic earth 粘弾性、マントル対流、プレート運動
　　粘弾性、マントル対流、プレート運動 viscoelasticity, mantle convection, plate motion 8. 固体地球の中の波動と振動 Wave & oscillation 　　地震、地球自由振動 Earthquake, Free oscillation 9. 固体地球の電磁気学 Electromagnetics 　　地球磁場 Geomagnetism

5 L=Iw . 地球の回転変動 1. 歳差・章動 運動方程式
地球の回転変動　　1. 歳差・章動 Earth rotation variation Precession and nutation 運動方程式 Equation of motion L=Iw . 歳差・章動の速さは They are proportional to 1.力学的扁平率に比例 Oblateness 2.潮汐力に比例 Tidal force 3.自転角速度に反比例 Inversely proportional to w

6 起潮力の周期的変動と章動 回転軸が傾く向きとの幾何学的関係で半年周章動 太陽と地球の距離変化によって年周変動 annual
Periodic fluctuation of tidal torque causes nutation 回転軸が傾く向きとの幾何学的関係で半年周章動 Semi-annual nutation 太陽と地球の距離変化によって年周変動 annual 同じ理屈で半月周期と一ヶ月周期 half-monthly + monthly

7 Earth, a wonder planet 2003年制作 2004年5月TV放映 科学技術映像祭 文部科学大臣賞
TEPIAハイテクビデオコンクール 最優秀作品賞・日本経済団体連合会会長賞 日本産業映画ビデオコンクール　文部科学大臣賞

8 Change in rotation /orbital motion and climate change
自転・公転の変動と気候変動 Change in rotation /orbital motion and climate change ミランコビッチ周期 Milankovitch cycles

9 氷河期：氷期と間氷期の繰り返し （氷河期は何千万年、氷期は何万年）
Glacial age: alternation of glacials/interglacials （氷河期は何千万年、氷期は何万年） Glacial age ~ tens of Ma, glacials ~ tens of thousands years

10 ・二万年前に最終氷期が終わり温暖化の途中 ・現在の地球はどちらかと言えば涼しい時期
・三~四千万年前から現在に至る氷河期 ・二万年前に最終氷期が終わり温暖化の途中 ・現在の地球はどちらかと言えば涼しい時期 十度くらい？ ・Glacial age since Ma still continues ・Current interglacial started ~20 kyr ago ・Current earth is cooler than the average

11 Period of ~40 kyr : One of the Milankovitch cycles
傾斜角の振動 Oscillation of the obliquity 22.5~24.5o 約４万年周期：ミランコビッチ周期の一つ Period of ~40 kyr : One of the Milankovitch cycles

12 Period of ~100 kyr : another Milankovitch cycle
離心率の周期的変化 Periodic change of the eccentricity 約１０万年周期：ミランコビッチ周期の一つ Period of ~100 kyr : another Milankovitch cycle

13 Period of ~26 kyr : one of the Milankovitch cycles
ベガ Vega 北極星 Polaris 歳差 Precession 14850 2004 周期約26,000 年: ミランコビッチ周期の一つ Period of ~26 kyr : one of the Milankovitch cycles

14 運動方程式 Equation of motion
歳差章動と極運動の違い： Difference between precession/nutation and polar motion 運動方程式 Equation of motion L= H (H=Iw) . 歳差章動 Precession, nutation Lがωを変える Actual L makes changes in w 極運動 Polar motion 　 Lなし. Iの変化がωを変える No L. Changes in I change w 　

15 Polar wander in geological timescales
Add mass to mid-latitude 地質学的な時間スケールでの極移動 Polar wander in geological timescales

16 真の極移動 (True Polar Wander) 大陸毎の古地磁気極の軌跡 Trace of paleomagnetic poles from individual continents

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18 地球の回転変動　　3. 自転速度変動 Change in earth rotation Spin rate change

19 どの部分が風と角運動量を交換しているのか？
Which part exchanges angular momentum with atmosphere? 外核 Outer core （流体）(Fluid) 内核 inner core 地殻 crust マントル mantle 流体核が参加しているか否かで外核の粘性 Behavior of the outer core reflects the outer core viscosity

20 潮汐力と海洋潮汐 Tidal force and ocean tide

21 Delay of ocean tide and evolution of the Earth-Moon system
潮汐の遅れと地球ー月系の進化 Delay of ocean tide and evolution of the Earth-Moon system

22 自転を止めてみた潮汐（理想） Movement w.r.t. the Earth (ideal) 海は、月について行くのが大変
Ocean have to chase the Moon

23 自転を止めてみた潮汐（現実） Movement w.r.t. the Earth (real) 海が月に追いつけなくて遅れる
Ocean cannot catch up with the Moon (delayed)

24 Tidal friction and the Earth-Moon system
潮汐摩擦と地球ー月系の進化 Tidal friction and the Earth-Moon system 理想 ideal 角運動量保存のため 月が遠ざかる The Moon goes away to conserve angular momentum 現実 realistic トルクが自転を減速 Torque brakes the spin

25 Acceleration in the orbit
軌道での加速とその結果 Acceleration in the orbit

26 月レーザ測距 (Lunar Laser Ranging) 月が毎年4 cm 程、遠ざかることが確認されている
LLR showed that the Moon is getting farther by 4 cm/year 地球からのレーザパルスの往復時間を観測 Measure the round-trip time of a laser pulse アポロ計画で月面に設置された反射板 Reflectors on the Moon

27 Earth-moon distance was 1/20
45億年前の潮汐は今の8000倍 （自転の遠心力は25倍） 4.5 byr ago: Tide ~8000 times stronger Centrifugal force ~25 times stronger 過去(~ 45 億年前) Past (4.5 byr ago)　　 現在 Now 1 day = 24 hours 1 day = 5 hours 20,000 km 380,000 km 月ー地球の距離は1/20 Earth-moon distance was 1/20

28 潮の干満 Ocean tide

29 分離・飛び出し（親子説：片親）Daughter
月はどうしてできた？ How was the Moon formed? 一緒に育つ（兄弟説）Brother 巨大衝突 （親子説：両親）Giant impact　 捕獲 Stranger （他人説） 分離・飛び出し（親子説：片親）Daughter

30 Moon: Too large for the Earth
~10,000 km ~2,700 km 重さ　80 : 1 (mass) 月：大きすぎる衛星 Moon: Too large for the Earth

31 重さ 80 : 1 重さ 50000000 : 1 重さ 4000 : 1 地球 The Earth 火星 Mars 月 The Moon
重さ　80 : 1 mass 火星 Mars フォボス、ダイモス Two moons of Mars 重さ　 : 1 mass タイタン Titan (太陽系最大級) 重さ　4000 : 1 mass

32 そうだったのか地球の形 The Shape of the Earth This is it ! ！

33 地球内部物理学 (宇宙測地学研究室 日置) 1. 質点としての地球の力学 Earth as a point mass
地球内部物理学　 　　　　　　　　(宇宙測地学研究室　日置) 1. 質点としての地球の力学 Earth as a point mass 　　公転・ケプラー運動 Orbital motion 2. 剛体としての地球の力学 Earth as a rigid body 　　地球の慣性モーメントと自転 MOI and rotation 3. 極運動と自転速度変動 Polar motion and DLOD 　　チャンドラー運動、地球ー月の力学進化 Chandler Wobble, Earth-Moon system

34 4. 流体としての地球 Earth as a fluid 地球の形、地球楕円体、ジオイド
　　地球の形、地球楕円体、ジオイド Shape, ellipsoid, Geoid 5. 弾性体としての地球 Earth as an elastic body 　　地球潮汐、分潮、ラブ数 Earth tide, tidal components, Love number 6. 地球の重力とその変動 Earth’s gravity 　　重力異常、アイソスタシー Gravity anomaly, isostasy 　　

35 7. 現実的な地球・地球熱学 Realistic earth 粘弾性、マントル対流、プレート運動
　　粘弾性、マントル対流、プレート運動 viscoelasticity, mantle convection, plate motion 8. 固体地球の中の波動と振動 Wave and oscillation 　　地震、地球自由振動 Earthquake, Free oscillation 9. 固体地球の電磁気学 Electromagnetics 　　地球磁場 Geomagnetism

36 どうしてですか？ そもそも地球の形って何ですか？

37 等ポテンシャル面の一つを地球や月の形として定義
（表面だけでなく内面も反映した「形」） ジオイド (Geoid) ＝ 地球のようなもの セレノイド (Selenoid) ＝ 月のようなもの 水を張った時の水面の形 （地球では海面の形） 参考：アンドロイド ＝ 人のようなもの

38 地球や月の形 1. 大局的な形 Overall shape 2. 不規則な凹凸 Random undulations 球 sphere
shape of the Earth and the Moon 1. 大局的な形 Overall shape 球 sphere 金星 venus 地球 the earth 回転楕円体 ellipsoid 三軸不等楕円体 triaxial ellipsoid 月 the moon 2. 不規則な凹凸 Random undulations 大きな天体で小さい smaller for larger body

39 朝日選書　１２６０円 ジオイド高の分布

40 日本列島のジオイド Geoid in Japan
From Modern Geodesy, GSJ (1994) From Is the Earth really round?, GSJ (2004)

41 月の方がでこぼこ 月の等ポテンシャル面 Selenoid (SGM100h) 地球の等ポテンシャル面 Geoid (GRACE 360次)
Selenoid is more irregular

42 大きいほど丸い A large body is rounder Itokawa Gaspra Eros Vesta ~250 km
0.5 km long Gaspra 19 x 12 x 11 km Eros 30 km long Ida 56 km long

43 どれくらい小さい星まで丸い？ The smallest “round” body

44 Itokawa 0.5 km 234 km Ida 265 km 50 km Vesta （一番小さな丸い星？）

45 “Planet” is a celestial body that
1. orbits round the sun 2. is round in shape 3. is isolated from others (IAU, Prague, 2006)

46 エロス写真館 Eros 撮影：NEAR

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48 31.6 km 8.7 km 2.67 g/cm3

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50 ガスプラ・アイダ写真集 Gaspra and Ida 撮影：ガリレオ

51 asteroid 951 Gaspra 19 x 12 x 11 kilometers Photo taken by Galileo

52 Gaspra Deimos Phobos (taken by Galileo) (taken by Viking)

53 Ida (photo taken by Galileo)
asteroid 243 Ida (photo taken by Galileo) 56 km long ~100 km Dactyl ~1.5 km イトカワはもっと小さい

54 イトカワ写真集 Itokawa 撮影：はやぶさ

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56 500 m Itokawa (Asteroid 25143)

57 1.9 g/cm3 Escape velocity 10 cm/s (Fujiwara et al., 2006)

58 ベスタ:最も小さな丸い星 Vesta : The smallest “round” planet 撮影：Dawn

59 Vesta 234 km 265 km

60 Other large asteroids 476 km km Pallas Ceres (dwarf planet)

61 Ceres from Dawn (46,000 km) Mysterious bright spots

62 「月の公転周期と自転周期はなぜ一致しているのか、その理由を図解して解説せよ」
地球内部物理学レポート課題 「月の公転周期と自転周期はなぜ一致しているのか、その理由を図解して解説せよ」 レポートの長さ：A4で１枚以内 提出期限：５月28日(月) 午前１２時 提出場所：理学部８号館３階３１７号室 （ポスト設置します） メール添付で

63 インターネット利用の指針 内容の真偽に注意 　論文と異なり査読を経ていない 引用の明記と自分の言葉での再編成 　 剽窃にならないよう要注意

64 「地球はなぜ丸いのか（イトカワはなぜ丸くないのか）を様々な視点から考えよ」
昨年の地球内部物理学レポート課題 「地球はなぜ丸いのか（イトカワはなぜ丸くないのか）を様々な視点から考えよ」 レポートの長さ：A4で１枚以内 提出期限：５月28日(月) 午前１２時 提出場所：理学部８号館３階３１７号室 （ポスト設置します） メール添付で

65 二つの正解 丸くなりたい理由 丸くなれる理由 重力： 天体が大きい方が重力は強い （同じ密度なら半径に比例） 内部の熱：天体が大きいほど熱い
　重力： 天体が大きい方が重力は強い （同じ密度なら半径に比例） 丸くなれる理由 　内部の熱：天体が大きいほど熱い （同じ物質でできてれば熱流量は半径に比例）

66 体積のわりに表面積が小さいと冷めにくい 丸っこい人ほど 冷めにくい 大きい人ほど 冷めにくい
Stay warm if surface area is small for volume 丸っこい人ほど 冷めにくい Rounder one can stay warm 大きい人ほど 冷めにくい Larger one can stay warm

67 Sに対してVが大きい 表面の熱流量大きい リソスフェア薄い 大きい （岩石圏） リソスフェア lithosphere
Large V/S ratio 表面の熱流量大きい Large heat flow リソスフェア薄い Thin lithosphere 大きい large S V リソスフェア lithosphere （岩石圏）