地球の奥深くには、生命を育む重要な働きがある

地球の奥深くで起きている活動は、私たちが生活する環境にどのような影響を与えているのだろうか。一見、関係がなさそうな地球内部と表層には、実は大きな相互作用があった。地球の内部はどうなっているのか？　その謎を解き明かす「地球内部ダイナミクス」の専門家、海洋研究開発機構・宮腰剛広主任研究員にインタビューを行った。（聞き手・構成／大谷佳名）

 

――宮腰さんの研究内容について教えてください。

私の専門である「地球内部ダイナミクス」は、地球の奥深くで起きている活動について研究する分野です。その活動がどのように生じているのか、そしてそれが地球の表層環境にどのような影響を及ぼしているのか、私はこれらのことを調べています。

地球は三つの層から形成されています。中心からコア、マントル、地殻ですね（図1）。「マントル」は地球の約8割の体積を占める層で、岩石からできています。その内側にある「コア」は、鉄からなる部分です。コアはさらに液体の部分（外核）と固体の部分（内核）に分かれます。私はマントルやコアで起こる現象について研究しています。

マントルやコアでは、「対流」現象が生じています。たとえばお椀に入れた味噌汁をイメージしてみてください。表面は空気に当たって冷却され、それによって対流が起きることで、熱が輸送され、全体の温度が冷えていきますよね。まさしくこの現象が、地球内部でも起こっているのです。

地球内部でコアやマントルが対流することで、地球の表層環境にも大きな影響が及びます。それがどのようなものなのか、そのメカニズムも明らかにしたいと思っています。そして最終的な研究目標としては、地球内部と表層との相互作用も理解したいと考えています。もちろん、地球内部の運動の様子は直接観察することができないので、私は主にスーパーコンピュータを使った数値シミュレーションで、マントルやコアのダイナミクスを調べています。

――地球の奥深くで起きていることが、私たちの暮らしている環境に影響を及ぼしているとは、なかなか想像がつきません。

そうですよね。でも、実は地球内部の活動は、私たち生命にも関わる重要な働きを担っているのです。

たとえば、「物質循環」と呼ばれるものです。これはここでは、水や炭素など、生命にとって必要なさまざまな物質を、地球の内部と表面との間で循環させることを意味します。

炭素は二酸化炭素として大気中に存在しますが、これが多いと強い温室効果で地表が熱くなり（金星はこのような状態で400度以上の高温です）、少ないと逆に凍りついてしまいます。どちらにしても、液体の水（海）を維持することができず、多くの生命にとって生きるのが困難な環境になってしまいます。

これを防ぐのに重要なのが、地球の「プレート運動」です。プレートとは、マントルの上層部にある固い岩板のことです。プレートが沈み込むことで火山活動や地震が起きるということはよく知られていますが、それと同時に、二酸化炭素を大気中に供給する作用もあります。

そして、このプレート運動を生じさせている原動力が、ほかならぬマントルの対流なのです。

もう一つ重要なのは、地球のコアの働きです。マントルは地球の表層に影響を及ぼすだけでなく、さらに内部にあるコアの対流をも引き起こしています。地球のコアというと、ますます私たちとは結びつかないように感じますが、こちらも表層環境に影響を及ぼしています。それは、コアが対流することでつくられる「惑星磁場」です。

――N極とかS極のことでしょうか？

はい、そうです。この磁場というのが、強い太陽風（太陽から吹くプラズマの風）が地表に吹き付けていたと考えられている太古の地球において、生命が深海から浅海に進出するために大きな役割を果たした可能性があります。また、そのため活発な光合成が可能になり、地球上の酸素が増えていったとも考えられています。

というのも、磁場は宇宙からやってくる有害な太陽風や銀河宇宙線（高エネルギーの放射線）などから、表層環境を保護するバリアになっているからです。もし磁場がなければ、生命は深海から陸上に進出できなかったかもしれません（太陽風などの影響は深海にはほとんど及ばないので、そこに住む生物にはあまり影響がないと考えられます）。

プレート運動がどうして起こるのか、惑星磁場はどのようにして発生しているのか。他にもたくさんの謎がありますが、たとえばそうしたことを明らかにするのが、私が研究している「地球内部ダイナミクス」という分野です。

「地球内部ダイナミクス」は地球環境だけでなく、他の惑星を理解することにもつながります。今、最新の研究によって、太陽系以外にも惑星（系外惑星）は多数存在し、その中には地球型の惑星もたくさん存在することがわかってきています。そうなると、もちろん一番の関心は、それらの惑星に生命がいるかどうかですよね。その条件を調べる上でも、私たちの研究は役立つと考えています。

――具体的には、地球内部の活動はどうやって調べるのでしょうか？

一つには、地震の際に地表で観測される「地震波」を調べる方法があります。地震波が伝播する速度は場所によって異なります。そこには、地球内部の温度や密度、組成などさまざまな条件が関係しているのですが、基本的に、マントル物質の温度が低いところは速度が速く、温度が高いところは速度が遅いことが知られています。

多くの震源と地表の観測点とを組み合わせることにより、さまざまな経路についての情報を集めることができます。それらを解析して地震波が早く伝わる領域、遅く伝わる領域を調べることで、場所ごとのマントル物質の温度分布が分かってくるわけです。そうすることで、マントル内部の温度構造の様子を調べることができます。こうした技術は「地震波トモグラフィー」と呼ばれます。

 

――宮腰さんのご専門である、数値シミュレーションはどういった方法なのですか。

さきほど、地震波トモグラフィーでマントル内部の様子を調べることができると言いました。しかし、それはある一瞬のスナップショットをとっていることに相当するんですね。

地球内部の現象は時間のスケールがとても大きいです。コアの対流を考えても数千年の単位です。マントル対流にいたっては1〜10億年というタイムスケールになります。それが引き金となってプレート運動が生じるわけなので、運動全体の様子を明らかにすることは、いま一瞬の様子を調べるだけでは難しいのです。しかし、スーパーコンピュータによる数値シミュレーションでは、このような長時間のスケールのダイナミクスを調べることができます。

地球内部のダイナミクスを支配する方程式はすでに分かっているのです。ただ、これは非常に複雑な式になっています。手計算では解くことは不可能なので、スーパーコンピュータを用いて解きます。しかし現在のスーパーコンピュータの力では解くことのできない問題もたくさんあります。それはたとえば、地球内部が表層とは異なる、極端な物理状態に置かれていることに依っています。

観測データのみでは、時間的・空間的な制約があり、地球や惑星の内部がどのような運動をしながら変動し進化してきたのか、といったことを解明するには情報が不足しています。ですのでそれを補うために、数値シミュレーションは一つの強力なツールになります。

数値シミュレーションを用いることで、たとえば、「地球のマントル対流にはなぜ現在見られるような特徴があるのか」「コアで磁場がつくられるメカニズムはどのようなものか」「地球磁場が変動するメカニズムはどのようなものか」「プレート運動が生じるにはどのような条件が必要なのか」といった、観測データからだけでは完全に解明することが難しい問題にも、大きく理解の助けになります。

そのためには、たとえば他の惑星ではどう違うのかとか、少し条件を変えてシミュレーションしてみることも有効です。それが容易にできるという点も数値シミュレーションの利点の一つです。

――マントルとコアの関係がよくわからないのですが。

マントル対流の仕組みから説明しましょう。マントル対流のエネルギー源のもとは、まず地球内部が高温であることです。それも地球中心部では5000度近くあると考えられています。

これほど高温であるのは、地球が生まれたときに無数の隕石がぶつかって生じた熱エネルギーが残っているからです。またマントル内には放射性元素と呼ばれる元素があり、これも大きな熱源となっています。一方で、表面より上の温度は内部よりも低いです。その温度差によって対流が起こります。

最初に言った通り、対流はお椀に入れた味噌汁のように、表面が冷却されるなどしてある程度以上の温度差が生じることで起こります。同じように、コアの対流はマントルがコアから熱をどんどん吸い出して冷却していることによって生じています。

――となると、マントルがコアから熱を吸い上げつづけることで、地球の内部が冷え切ってしまうことはないのですか。

それは考えられます。さきほどコアの内核は固体だと言いましたよね。これは地球が冷却されていく中で、固化されていったと考えられているんです。つまり、内核があるということは、地球が冷えているということなんです。

今のところ、コアの半径の約35％までが固体に変化してきています。もしコアがどんどん冷却されてすべて固体になってしまうと、どうなるのか。地球の磁場をつくるメカニズムが停止してしまいます。

とはいえ、コアが固化するスピードも分かっていませんし、内核がいつから発生したかについても、はっきりとは判明していません。もし、地球が生まれたときから固化がはじまり、一定のペースで進んでいると仮定すれば、約46億年で35％が固体になったことになります。ただ、これから約50億年たつと太陽が膨張し始め、やがて地球も飲み込まれるかもしれないと考えられているので、このことがコアが完全に冷えてしまうより早いかもしれませんね。

ついでに言うと、地球より小さいサイズの惑星だと、惑星内部に蓄えられている熱量が少ないので、コアが冷却しきるまでの時間も早いと考えられます。火星などは実際に磁場がありません。もしかすると惑星サイズが小さいために、早々に熱を失ってしまったのかもしれません。

さきほど言った通り、磁場のない惑星は宇宙からの放射線に直接晒されることになるので、惑星表層は生命にとって過酷な環境となる可能性が高いです。ですから、惑星の大きさという観点も、系外惑星における生命の存在を調査する際の大事な基準になるわけですね。

――惑星サイズが大きいほど磁場が強く、生命が住む環境に適しているのでしょうか。

いいえ。実は大きすぎてもダメなんです。これはまだまだ発展中の研究分野なのですが、私たちの研究成果からは、非常に大きな惑星ではコアの対流が活発になりにくいため、磁場も弱いだろうと予想されています。

系外惑星のうち、地球の数倍から10倍程度の質量を持つ地球型惑星を「スーパーアース」といいます。巨大なスーパーアースでは、マントルがコアの熱を吸い上げる効率がすごく悪いのです。これは、惑星が大きくて、内部で高圧による圧縮の効果（特に圧縮による温度変化）が大きいことが関係しています。マントル対流は、温度の条件を満たしていても高圧による圧縮の効果が大きいと、弱まる現象であることが分かりました。

さらに、これも私たちがシミュレーションによって明らかにしたことなのですが、スーパーアースではプレート運動が生じにくいと予想されるのです。つまり、生命の維持と発展に不可欠な物質循環が起こりにくい。

なぜかというと、惑星サイズが巨大だとプレートの厚みも大きくなってしまうからです。計算によると、いくつかの仮定はありますが、スーパーアースではマントルの厚みの20％もの分厚いプレートができる可能性があります。

プレート運動を起こすには、プレートを何らかの力で割って、かつそれを何らかの力で沈みこませる必要があります。地球ではそれが起きているわけですが、あまりにもプレートが分厚く、かつ、前述したようにマントル対流も弱まるとなると、巨大な惑星ではとても難しくなります。

ちなみに、惑星が小さすぎてもプレート運動は長期間維持されにくいと考えられます。さきほど言った通り、惑星内部の熱が少ないため、マントル対流が早く停止してしまうからです。

つまり、生命の進化に十分なくらいの長期間、快適な環境を維持できるようなマントル対流が生じる必要があります。そのためには、惑星のサイズが（大きすぎも小さすぎもせず）ある範囲内になければならない可能性があるということが、私達の研究から示唆されています。

――コアはどのようにして磁場を作っているのですか？

コア対流の運動エネルギーを磁場に変換しているのです。具体的にいうと、コアは電気を通しやすい鉄でできているので、磁場中を対流すると電流が発生し、電磁石としての性質を持ちます。これは物理法則の電磁誘導という働きで、対流によって電流が流れると磁場が発生するのです。

この詳細なメカニズムは、1990年代半ばになってようやく数値シミュレーションが可能になり、初めて明らかになりました。それ以前は、地球の内部に大きな棒磁石が埋まっているのだと考えられていたこともありました。しかし、地球内部の温度条件では、鉄が磁石としての性質を失ってしまうことが分かり、この考えは否定されました。

さらに、過去の磁場がどうなっていたかの調査が進み、地球のN極とS極がはるか昔から何度も逆転していることが明らかになりました。こうした現象は、地球の中に棒磁石が埋まっているという考えでは説明できません。

――えっ、磁場って逆転するんですか？

 

過去の地球磁場の様子を調べる研究を「古地磁気学」といいます。たとえば溶岩が海底や地表で固まるときや海底堆積岩が作られるときに、磁場の向きを記録するんです。それらを調べていくと、これまで幾度となく反転が繰り返されてきたことがわかります。ただ、反転のメカニズムはハッキリしていないのです。それを明らかにするのも私たちの研究のひとつです。

基本的に、コアが磁場をつくる仕組みを支配する理論（方程式）は他の惑星や天体にも同様に適用できます。たとえば太陽での磁場の生成維持に対しても同様です。ところが、太陽の磁場はほぼ11年で反転し周期に大きな変動はありませんが、地球は反転の周期が決まっておらず、ランダムです。天体の違いによって、なぜこのようなことが起こるのかについては、まったく謎です。

地球の場合、平均すると20万年に一度くらいで反転しますが、過去には4000万年くらいずっと反転しない、特異な時期もありました。このような現象が何故起こるのかについても分かっていません。

ちなみに、磁場の反転に要する時間は数千年くらいです。反転によって表層環境にどのような影響が及ぶのかについてはよくわかっていません。反転中は少し変わった磁場の形になるので、赤道付近でオーロラが観測されるなどの現象が起こるかもしれないと言われています。

これまでの歴史を見てわかる通り、反転することで生命が滅亡するなんてことはないです。いつ反転するかは現時点では予測することができませんが、たとえばどういう兆候が見えたら反転が始まるのかということは、明らかにできたらいいなと思っています。

 

――磁場がずっと反転しなかったころの地球は、どのようであったのですか？

長期間反転が無い時期は何度かあったようですが、よく知られているのは白亜紀という時代です。さきほど4000万年くらいずっと反転しなかったと言ったのがこのころです。

白亜紀は、表層、マントル、コア、どれをとっても他の時代とは違う、特異な特徴が見られます。まず、マントル活動は異常に活発でした。その証拠に、白亜紀にできたとされる巨大な海底火山の跡が発見されています。

マントルの対流が活発ということは、コアから熱をどんどん吸い出すので、普通に考えるとコアの対流も活発になるはずです。つまり、磁場は変動しやすくなると思いますよね。しかし、実際はまったく反対のことが起きている。

そして白亜紀の表層環境は非常に温暖であったことがわかっています。おそらくマントルの活発な活動による現象だと考えられますが、その相互作用については明らかになっていません。

私はコア、マントル、表層が一体となってどのような相互作用を生じるのかを詳しく調べることで、このような特異な時期がなぜ生じるのかも理解したいと考えています。そのことにより、地球環境の変動のメカニズムの理解に貢献したいと思っています。

――長いタイムスケールで考えると、地球内部と表面はこんなに大きく関係しているんですね。最後に、高校生へのメッセージをお願いいたします。

 

私は小学校のころから理科が好きで、研究者になりたいと思っていました。とくに物理や天文学についてはずっと興味があって、いろいろな本を読んでいましたね。

高校の教科では、天文学も地球科学も「地学」に含まれます。ちなみに、この天文学、地球科学というのは人間が勝手に分けているだけなんです。たとえば先に述べたように、地球と太陽で磁場を作るしくみを支配しているのは同じ方程式です。地球と地球以外の固体惑星のマントルの間でも同様です。もちろん惑星によって条件は変わってきますが、用いられる理論は基本的に同じです。

地学の教科は、最近は大学入試の関係もあって、履修できる学校の数が少なくなっていると聞きます。私も高校生のとき地学を履修したかったのですが、クラスの定員が足らなくてできませんでした。こうした現状は、研究者として残念に思います。

高校生のみなさんにアドバイスできることといったら、とにかく今の勉強に一生懸命取り組むことですね。とくに自然科学系の研究者になりたい方は、高校生のころの勉強（数学、物理、化学など）が将来そのまま仕事をする上での基礎の基礎になるので、しっかりやっておくことに損はありません。というのも僕自身、高校生時代はそれほど勉強に打ち込んだわけでなく、大学入試の時に浪人もしているので、そうした自戒も含めてです。 

そして、まだやりたいことが決まっていない学生さんは、時間に余裕があればさまざまな分野の本を読んでみることをおすすめします。

いろいろな研究所の一般公開に出かけてみるのも良いでしょう。この一般公開というのはたくさんの国立研究開発法人で行われていて、各分野の最先端の研究にも触れることができます。研究の成果を市民の方々に知っていただこうと、イベントなども非常に熱心に取り組んでいる研究所が多いです。

私たちのいる海洋研究開発機構でも（横須賀、横浜を始め数カ所ある拠点のそれぞれで）、年に一度、一般公開をしています。私が以前勤めていたJAXA（宇宙航空研究開発機構）でもやっていました。一般公開では子供向けのイベントも多いですし、最先端の研究に関するセミナーや講演会もあります。そこで、研究者に直接質問をしたり話を聞くことができます。そういうイベントに行ってみると、興味のあることが見つかるかもしれません。

あとは、人の縁を大切にするということです。私もいろいろな研究をしてきましたが、どれも一人だけでやってきたわけではありません。学生時代は指導教官のお世話になり、また他の共同研究者の協力があってこそ、これまで研究を続けてこれたのです。ご縁が生まれた異分野の研究者との共同研究により、大きな研究成果が生まれるということもあります。

どの仕事でもそういう面があるのではないかと思いますが、将来につながる縁はどこに転がっているかわかりません。高校生のころかもしれないし、大学生のころかもしれない。実際に研究を始めてからはもちろん重要です。とにかく、どんな時でも生じた縁は大切にすることが、実は研究者にとって重要なことだと私は思います。

最後に、自分の専門の本ばかりでなく、他に興味のある分野の本も読んでみるのも良いと思います。私の場合は絵画鑑賞や歴史などが好きなので、そういった類いの本も楽しんでいます。私の場合、研究での突破口を開くようなアイデアは、机に向かってうんうん唸りながら考えているときよりも、このようにリラックスして別のことをしている時に閃くことが多いです。これは研究者にもよると思いますが、私の場合はこのような息抜きの時間も（間接的な意味で）研究にとって重要ですね。

プレートテクトニクスを中心に固体地球科学について丁寧に解説されています。カラーの図も豊富で、楽しく読めると思います。

マントル対流や大陸移動について中心に、基礎的な事柄から最先端の研究成果まで、詳しく解説されています。

現在、系外惑星といって、太陽系外にも惑星がたくさん見つかっています。そのような惑星に生命がいるのか、どのような惑星に生命は存在出来るのか、その条件について考えた本です。プレート運動についても出てきますし、固体地球分野に限らない、その他のたくさんの条件についても詳しく解説されています。