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第４回　地球の概観：　地磁気

配付プリント等

• 　地球（Earth）は磁気（Magnetism）を持つが、これを地磁気（地球磁場、Earth's Magnetic Field）と呼ぶ。地球内部の外核（Outer Core）は主に鉄（Fe）からなる液体（Liquid：熔融している）であり、その規則的な動きが発電機（Electrical Generator）のような働きを行い、電場（Electric Field）を発生しており、同時に磁場（Magnetic Field）も形成していると考えられている。このようなモデルはダイナモ理論（Dynamo Theory）と呼ばれている。結果的に、地球は１個の棒磁石（Bar Magnet：磁気双極子、Magnetic Dipole）のような振舞いをしていることが知られている。
  　磁場は磁力線（磁束、Magnetic Flux）で表わせるが、地表付近では、その向きは様々である。そのような３次元的な方向と強さはベクトル（Vector）で表現できる。一般に３つのベクトルで表わすことが多く、水平分力（全磁力を水平面に投影した分力）・偏角〔へんかく、Declination：磁北（コンパスが示す北）と真北（地理学的な北）間の角度：水平分力の向きと真北間の角度〕・伏角（ふっかく、Inclination：全磁力の向きの水平面からの角度）と呼ばれ、これらは地磁気の要素と総称される。
  　地球を棒磁石（磁気双極子：北側にS極、南側にN極）と仮定した場合の極は地磁気（北、南）極（Earth's North or South Geomagnetic Pole）と呼ばれる。これは地軸（自転軸、Rotation Axis）の極である地理学的な極（Geographical Pole）とは約１２度近くずれている。実際の地表では、非双極子成分の影響や磁性を持つ鉱物の影響などで、もっと複雑に磁力線は分布しているが、水平分力が０で伏角が９０度になる地点は磁（北、南）極（Earth's North or South Magnetic Pole）と呼ばれる。地磁気極と磁極は一致しないことに注意する必要がある。また、地表のある地点でコンパス（Compass）が示す極（例えば、日本であれば北極側は磁北と呼ぶ）の方向は、厳密には地磁気極とも磁極とも異なる。
  　重力と異なり、地磁気は時間的に変化する。その変化（Magnetic Variations）を（１）短周期と（２）非周期と（３）永年変化（Geomagnetic Secular Variation）に分けて説明する。（１）の短周期の変化は、地球外部に原因がある。地球の地磁気は地球の周りに磁気圏（Magnetosphere：およびバンアレン帯、Van Allen Radiation Belt）を形成しており、磁気圏は太陽風〔Solar Wind：プラズマ（Plasma：陽子と電子）からなる〕と相互作用を行っている。また、大気圏には電離層〔Ionosphere：ほぼ熱圏（Thermosphere）と重複する〕も存在する。そのため、地球と太陽の位置関係の変化によって、１日（日変化）・１年などの周期で地磁気も変化する。また、太陽黒点（Sunspot）の約１１年周期の変動も影響する。（２）の非周期の変化も、地球外部が原因であり、主に太陽黒点の異常活動による場合が多い〔磁気嵐（Geomagnetic Storm）など〕。（３）の永年変化の変化は、地球内部に原因があり、外核における変動が主なものである。数年や数百年や数千年や数万年というような長い時間をかけて変動するものである。これは地磁気の発生メカニズムに関わるものであるが、詳細は不明である。
  　地表の岩石（Rock）は鉱物（Mineral）から構成されるが、鉱物の中には強磁性（Ferromagnetism）の性質を持つものが存在する。いわゆる磁石（Magnet）に付くような鉱物である。代表的な鉱物は磁鉄鉱（Magnetite：Fe3O4）であるが、その他にも数種類が存在する。これらが地表付近に存在すると、磁力線も変化する。このような鉱物は重要な働きを行う。それはこれらの鉱物はその生成時の地磁気を記録することである。従って、放射年代法（Radiometric Dating）などの別の方法で時間を決定し、その鉱物（岩石）に記録された地磁気の要素を測定できれば、その当時の地球磁場を復元できる。このような原理で、過去の地球の磁極の移動（Magnetic Pole Wandering）や地磁気の反転現象（Magnetic Field Reversals）が、主に海底（Seabed）の岩石〔および堆積物（Sediment）〕の研究などから確立されている。このような過去の地磁気は古地磁気と呼ばれ、その古地磁気学（Paleomagnetism）は、大陸移動説（Continental Drift Theory）が海洋底拡大説（Seafloor Spreading Theory）そして最終的にプレートテクトニクス（Plate Tectonics）として復活するために大きな貢献をしたことが知られている。
• 『地球の概観：　地磁気』。講義内容は以下について。
  『1.3　地磁気』
  �@地磁気の要素：水平分力、偏角、伏角
  　平均的な磁気の強さは０.７G程度。10^-5G（ガウス）＝1γ（ガンマ）＝10^-9T＝1 nT（ナノテスラ）。
  �A磁極と地磁気極：
  　地磁気極は、地球内部に仮定した磁気双極子の極。地軸（自転軸）の極（いわゆる地理学的な極）とは約11.5゜ほどずれている。
  　磁極は、磁場の水平成分が0で伏角が±90゜になる地表点。
  　地磁気極と磁極は一致しない。
  �B地磁気の変化：
  　１）短周期（地球外部に原因）：1日（日変化）、1月、1年、約11年（太陽黒点の周期的変動）
  　２）非周期（地球外部に原因）：磁気嵐（太陽黒点の異常活動）
  　３）永年変化（地球内部に原因）：数年〜数百年、数千年、数万年
• ビデオ『地磁気』（14分）。
• プリント2枚（番号：３）。出席票。
  【1枚目】
  図1.8、図1.9、図1.10…『教養の地学　改訂版』（7-8p）
  図3.4、図5.8…『地球』（109、236p）
  図21.4…『図説地球科学』（195p）
  図3-27、図4-16…『地球をはかる』（133、169p）
  （偏角）、（偏角分布図）、（伏角分布図）…『理科年表』
  【2枚目】
  （3.地質年代表）…『古生物学事典』（364-365p）
  （年代表）…『地球：その実像』（241p）
  （先カンブリア時代の世史年表）…『地球の歴史』（裏見返し）

補足説明

全般	地球科学用語については『地球科学用語集』ページを参照。 単位については『単位について』のページを参照。 地質年代については『地質年代表』のページを参照。

• 時間切れで説明していない内容。
  �C地磁気の原因：
  　ダイナモ理論
  �D岩石磁気：
  　強磁性鉱物（磁鉄鉱など）に地球磁場が記録される。
  　１）熱残留磁気…例えばマグマから強磁性鉱物が晶出し、冷却の過程でキューリー（またはキュリー）点を通過する時に、地球磁場を記録する場合（磁鉄鉱は573℃）。
  　２）堆積残留磁気…堆積作用の過程で、強磁性鉱物粒子が地球磁場を記録する場合。
  　３）化学残留磁気…強磁性でない鉱物が、環境条件の変化により化学反応によって強磁性鉱物に変わる過程で地球磁場を記録する場合。
  �D岩石磁気：キュリー温度、熱残留磁気、堆積残留磁気、化学残留磁気、古地磁気、地磁気の反転
• 地磁気については『地圏について』のページを参照。
• 『磁極』と『地磁気極』の違いは『地球科学用語集』を参照。
• NHKビデオ『地磁気』
  『〔内容〕
  １．方位磁石の針はつねに南北をさす。棒磁石を発泡スチロールの船にのせて水に浮かべても南北をさす。このことから、地球自身が磁場をもっていることを知らせる。
  ２．地磁気の性質をさぐる基礎として、まず棒磁石の性質を調べる。棒磁石の上に紙をのせ鉄粉をまくと、きれいな磁力線の模様ができる。まわりに方位磁石をおいても、針が磁力線の向きに並ぶ。
  ３．この実験から、地球全体の磁場も棒磁石のものと同様に考えられることを、地球磁場の図解とともに説明する。
  ４．地磁気の極、すなわち磁北極と磁南極は、地球自転軸の中心である北極点、南極点から少しずれていることを図で示す。
  ５．地磁気の性質として重要な三要素（偏角・伏角・水平分力）について説明し、日本付近での偏角・伏角の分布を図で説明する。
  ６．伏角方位針を使って、実際に伏角の値を測定するところを見せる。
  ７．茨城県柿岡にある気象庁の地磁気観測所を訪れ、プロトン磁力計などの観測装置を見る。あわせて日本各地の地磁気観測所網を紹介する。
  ８．地磁気の変化としてだいじな日変化と永年変化についてのべ、伊能忠敬が日本各地の測量をしたところ、偏角はゼロだったことにふれる。
  ９．地磁気はどうして生まれるかを、ソレノイドによるモデル実験でさぐってみる。コイルのまわりの磁場が棒磁石の場合と同様であることから、地球内部に電流が流れることによって磁場が生ずることを類推する。
  １０．こうして生まれた地磁気は、地球のまわりに広大な磁気圏をつくり、バン・アレン帯などを形成していることを説明する。
  １１．地質時代には磁極が何度も逆転した歴史がある。このような古地磁気の変動について、海底の岩石磁気の記録（地磁気の縞模様）などを例にのべ、地磁気のもつ奥深いなぞについてふれる。』
• 紹介できなかった参考書：
  【英語の地球科学参考書】
  �@Skinner,B.J., Porter,S.C. and Botkin,D.B.(1999): The Blue Planet An Introduction to Earth System Science Second edition.
  　　　地球システム科学の入門書としてお奨め。学部生（低学年）向き。
  �ASkinner,B.J. and Porter,S.C.(1995): The Dynamic Earth An Introduction to Physical Geology (3rd ed.). 　　　
  　　　副題が物理地質学入門とあるように、主に固体地球表層部の説明が主体。地球を構成する物質、地表を形成する過程、変わり行く地球表層についての、学部生向き解説。

• 本教室がある地点の地磁気値を国土地理院の測地部の『地球の性質をはかる』の『地磁気』の『磁気偏角を求める』から求めると、次のようになる。

  緯度	経度	全磁力	偏角		伏角
  34゜23′58″	132゜42′41″	47581 nT≒0.5 G	7° 1′（西偏）		48° 40′

• フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明を参照してください。
  ■Category:磁気（Category:Magnetism）／Category:電磁気学（Category:Electromagnetism）／磁性（Magnetism）／磁場（Magnetic field）／磁気双極子（Dipole）／強磁性（Ferromagnetism）／キュリー温度（Curie point）／
  ■地磁気（Earth's magnetic field）／方位磁針（Compass）／Category:磁石（Category:Magnets）／磁石（じしゃく、Magnet）／
  ■古地磁気学（Paleomagnetism）／磁化（Magnetization）／
  ■磁鉄鉱（Magnetite）／磁硫鉄鉱（ただし、組成はFe1-xSが正しい）（Pyrrhotite）／
  ■太陽風（Solar wind）／プラズマ（Plasma）／磁気圏（Magnetosphere）／ヴァン・アレン帯（Van Allen radiation belt）／オーロラ（Aurora）／電離層（Ionosphere）／デリンジャー現象（Sudden Ionospheric Disturbance）／
  ■太陽（Sun）／太陽黒点（Sunspot）／太陽フレア（Solar flare）／太陽嵐／磁気嵐（Geomagnetic storm）／

【地磁気の要素】

• 	地磁気は、強さと方向をもつベクトル量です。地磁気を表すためには、地磁気要素のうち、互いに独立な３要素が必要です。 　　地磁気の要素 　F：全磁力(nT) 　D：偏角(°) 　I：伏角(°) 　H：水平分力(nT) 　X：南北成分(nT) 　Y：東西成分(nT) 　Z：鉛直分力(nT) 　(　)単位
  〔国土地理院のホームページの『地球の性質をはかる』の中の『地磁気』から〕

【磁極と地磁気極の移動】

• 地磁気北極 (青) と磁北極 (緑)

  地磁気南極 (青) と磁南極 (緑)

  図2 IGRFに基づく地磁気極と磁極の1900〜2000年までの10年毎と2005年の位置 (赤)、及び2010年の予測位置。 年 地磁気北極 地磁気南極 磁北極 磁南極 緯度 経度 緯度 経度 緯度 経度 緯度 経度 1900 78.6N 68.8W 78.6S 111.2E 70.5N 96.2W 71.7S 148.3E 1910 78.6N 68.7W 78.6S 111.3E 70.8N 96.7W 71.2S 148.7E 1920 78.6N 68.4W 78.6S 111.6E 71.3N 97.4W 70.4S 148.2E 1930 78.5N 68.3W 78.5S 111.7E 72.3N 98.7W 69.5S 147.0E 1940 78.5N 68.5W 78.5S 111.5E 73.3N 99.9W 68.6S 144.6E 1950 78.5N 68.8W 78.5S 111.2E 74.6N 100.8W 67.9S 143.6E 1960 78.5N 69.5W 78.5S 110.5E 75.3N 101.0W 66.7S 140.2E 1970 78.6N 70.2W 78.6S 109.8E 75.9N 101.0W 66.0S 139.4E 1980 78.8N 70.8W 78.8S 109.2E 76.9N 101.7W 65.4S 139.3E 1990 79.1N 71.1W 79.1S 108.9E 78.1N 103.7W 64.9S 138.9E 2000 79.5N 71.6W 79.5S 108.4E 81.0N 109.7W 64.7S 138.4E 2005 79.7N 71.8W 79.7S 108.2E 83.2N 118.0W 64.5S 137.8E 2006 79.8N 71.8W 79.8S 108.2E 83.8N 122.0W 64.5S 137.7E 2007 79.8N 71.9W 79.8S 108.1E 84.1N 123.7W 64.5S 137.7E 2008 79.9N 71.9W 79.9S 108.1E 84.2N 124.0W 64.5S 137.6E 2009 79.9N 71.9W 79.9S 108.1E 84.9N 131.0W 64.4S 137.4E 2010 80.0N 72.0W 80.0S 108.0E 85.1N 133.0W 64.4S 137.4E 表１　IGRFに基づく1900〜2010年 (2005年以降は予測) の地磁気極と磁極の地理緯度、経度。（抄） 〔京都大学大学院理学研究科附属地磁気世界資料解析センターの『地磁気とは？』の『磁石の北と地磁気極と磁極』から〕

【地球磁場の強さの変動】

• 地球磁場の強さの変動 　地球磁場はこの数100年あまりの間減少を続けています。この速さで減少を続けると、あと1000年足らずで消失する計算になりますが、将来本当にその通りになるのか、または、一時的な現象で再び磁場強度が回復していくのか、結論を出すことは容易ではありません。 〔京都大学大学院理学研究科附属地磁気世界資料解析センターの『地磁気とは？』の『地磁気とはなんだろう？』から〕

【地球の磁気圏】

• A three-dimensional view of the Earth's magnetosphere 〔James L. Green氏による。NASAのSpace Science Education Outreachの中の『The Magnetosphere』から〕 地磁気により磁気圏が生成し、プラズマ（おもに陽子と電子）からなる太陽風を防ぐ働きをする（プラズマは磁気圏の弱部である両極から侵入し、大気成分と反応して発光し、オーロラと呼ばれる現象を起こす）。また、太陽光の強力な紫外線により電離層（圏）が生成しているが（ほぼ熱圏に重なる位置）、太陽風の強さが変動すると、これらの磁気圏と電離層（圏）に影響を与え、それは地表付近の地磁気の強さにも影響を与えることになる。

【太陽黒点】

• Sun Spots This image shows the region around a sunspot. Notice the mottled appearance. This granulation is the result of turbulent eruptions of energy at the surface. (Courtesy National Solar Observatory/Sacramento Peak) 〔Calvin J. Hamilton氏によるViews of the Solar Systemの『Sun』から〕 太陽黒点。

  Sunspot Numbers In 1610, shortly after viewing the sun with his new telescope, Galileo Galilei made the first European observations of Sunspots. Daily observations were started at the Zurich Observatory in 1749 and with the addition of other observatories continuous observations were obtained starting in 1849. The sunspot number is calculated by first counting the number of sunspot groups and then the number of individual sunspots. The "sunspot number" is then given by the sum of the number of individual sunspots and ten times the number of groups. Since most sunspot groups have, on average, about ten spots, this formula for counting sunspots gives reliable numbers even when the observing conditions are less than ideal and small spots are hard to see. Monthly averages (updated monthly) of the sunspot numbers show that the number of sunspots visible on the sun waxes and wanes with an approximate 11-year cycle. Sunspots Sunspots appear as dark spots on the surface of the Sun. Temperatures in the dark centers of sunspots drop to about 3700 K (compared to 5700 K for the surrounding photosphere). They typically last for several days, although very large ones may live for several weeks. Sunspots are magnetic regions on the Sun with magnetic field strengths thousands of times stronger than the Earth's magnetic field. Sunspots usually come in groups with two sets of spots. One set will have positive or north magnetic field while the other set will have negative or south magnetic field. The field is strongest in the darker parts of the sunspots - the umbra. The field is weaker and more horizontal in the lighter part - the penumbra. 〔Solar Physics Group at NASA's Marshall Space Flight Centerによる『Solar Physics』の『The Sunspot Cycle』から〕 太陽黒点の数の１１年周期の変動。

参考

• 地学雑誌の『特　集：地磁気・古地磁気研究の最前線』（2005 VOL.114 No.2）から、最近の地磁気に関する研究の状況が伺える。
• 地球磁場には外部磁場と内部磁場がある。外部磁場は電離層や磁気圏を流れる電流によりつくられる。内部磁場は地殻起源の磁場・誘導磁場・核起源の磁場に分けられる。核起源磁場は主磁場（全体の9割以上）とも呼ばれ、その強さは、赤道付近では約3万nT（＝約0.3G）、磁極付近では約6万ナノテスラ（＝約0.6G）である。
  〔１G（ガウス、gauss）＝10^-4T（テスラ：磁束密度のCGS-emu）＝10⁵nT（ナノテスラ）＝10⁵γ（ガンマ、gamma）〕