地球内部を直接観察することは極めて困難である。
It is extremely difficult to directly observe the Earth’s interior.
人類が到達できる深さは地球半径約6400kmに比べてごく限られており、マントルや核を直接採取して調べることは現実的ではない。
The depth that humans can reach is very limited compared with the Earth’s radius of about 6,400 km, and it is not realistic to directly sample and investigate the mantle or core.
しかし、私たちは地球内部が地殻、マントル、外核、内核という層構造をもつことを知っている。
However, we know that the Earth’s interior has a layered structure consisting of the crust, mantle, outer core, and inner core.
これを可能にしたのが地震波の観測である。
Seismic wave observations have made this possible.
本稿では、P波とS波の性質および伝播特性に着目し、地球内部の層構造と各層の状態がどのように推定されるのかを述べる。
This paper focuses on the properties and propagation characteristics of P-waves and S-waves and explains how the layered structure of the Earth’s interior and the state of each layer are estimated.
地震波には主にP波とS波がある。
Seismic waves mainly consist of P-waves and S-waves.
P波は縦波であり、進行方向と同じ方向に振動する。
P-waves are longitudinal waves and oscillate in the same direction as their propagation.
P波は固体・液体・気体のいずれも伝播でき、速度も比較的速い。
P-waves can propagate through solids, liquids, and gases, and their velocity is relatively high.
一方、S波は横波であり、進行方向に対して垂直に振動する。
On the other hand, S-waves are transverse waves and oscillate perpendicularly to their propagation direction.
S波は固体のみを伝播し、液体や気体は伝わらない。
S-waves propagate only through solids and do not travel through liquids or gases.
また、一般にS波はP波より速度が遅い。
In addition, S-waves are generally slower than P-waves.
この性質の違いが、地球内部の状態を推定する上で決定的な役割を果たす。
This difference in properties plays a decisive role in estimating the state of the Earth’s interior.
すなわち、S波が観測される領域は固体である可能性が高く、S波が消失する領域は液体である可能性が高い。
That is, regions where S-waves are observed are likely to be solid, whereas regions where S-waves disappear are likely to be liquid.
さらに、P波の速度変化は、物質の密度や弾性率、状態変化の境界を反映する。
Furthermore, changes in P-wave velocity reflect boundaries involving density, elastic modulus, and changes in state.
地震波の速度は深さによって一様ではなく、特定の深さで急激に変化する。
The velocity of seismic waves is not uniform with depth and changes abruptly at certain depths.
このような速度が急変する面を不連続面といい、物質の種類や状態が変化する境界と考えられている。
Such a surface where velocity changes abruptly is called a discontinuity and is considered to be a boundary where the type or state of material changes.
地球内部には複数の重要な不連続面が存在する。
Several important discontinuities exist within the Earth’s interior.
まず、比較的浅部にあるのがモホロビチッチ不連続面、略してモホ面である。
First, the Mohorovičić discontinuity, or Moho, is located at a relatively shallow depth.
モホ面ではP波速度が約6〜7km/sから約8km/sへと急増する。
At the Moho, P-wave velocity increases sharply from about 6–7 km/s to about 8 km/s.
この面より浅い層が地殻、深い層がマントルである。
The layer shallower than this surface is the crust, and the deeper layer is the mantle.
地殻は地表を含む薄い層であり、マントルは地球の体積の大部分を占める。
The crust is a thin layer including the Earth’s surface, and the mantle occupies most of the Earth’s volume.
モホ面の存在は、地殻とマントルが異なる物質から構成されることを示している。
The existence of the Moho indicates that the crust and mantle are composed of different materials.
次に、約2900kmの深さにグーテンベルク不連続面がある。
Next, the Gutenberg discontinuity lies at a depth of about 2,900 km.
これはマントルと外核の境界である。
This is the boundary between the mantle and the outer core.
この面でS波は消失する。
S-waves disappear at this surface.
S波は液体を伝播できないため、外核が液体であることが強く示唆される。
Since S-waves cannot propagate through liquids, this strongly suggests that the outer core is liquid.
実際、マントルまではS波が伝わることから、マントルは固体であると考えられる。
In fact, because S-waves travel through the mantle, the mantle is considered to be solid.
一方、外核ではP波の速度が急激に低下する。
On the other hand, P-wave velocity decreases sharply in the outer core.
液体は固体に比べて剛性率がほぼゼロであるため、P波は固体中よりも遅く伝わる。
Because liquids have almost zero rigidity compared with solids, P-waves travel more slowly through liquids than through solids.
このことも外核が液体であることの根拠となる。
This also provides evidence that the outer core is liquid.
さらに深い約5150kmにはレーマン不連続面がある。
At a greater depth of about 5,150 km lies the Lehmann discontinuity.
これは外核と内核の境界である。
This is the boundary between the outer core and the inner core.
P波は外核では速度が低下するが、内核に入ると再び速度を増す。
P-wave velocity decreases in the outer core but increases again upon entering the inner core.
もし内核が外核と同様に液体であれば、P波速度は再び増加しないはずである。
If the inner core were liquid like the outer core, P-wave velocity should not increase again.
しかし実際には速度が増加するため、内核は固体であると考えられている。
However, because the velocity actually increases, the inner core is considered to be solid.
加えて、内核は約360万気圧という超高圧下にあり、圧力上昇に伴って融点が上昇するため、高温であっても固体状態を保つと考えられる。
In addition, the inner core is under extremely high pressure of about 3.6 million atmospheres, and because the melting point rises with increasing pressure, it is thought to remain solid even at high temperatures.
以上の観測事実から、地球内部構造は次のように推定される。
From the above observational facts, the Earth’s internal structure is estimated as follows.
地殻とマントルは固体であり、外核は液体、内核は固体である。
The crust and mantle are solid, the outer core is liquid, and the inner core is solid.
この推定は、地震波の速度変化、特にS波の消失とP波速度の再増加という客観的データに支えられている。
This estimation is supported by objective data such as changes in seismic wave velocity, especially the disappearance of S-waves and the re-increase in P-wave velocity.
直接観察できない対象であっても、地震波という物理的手段を用いることで、その内部構造と状態を高い確度で推論できるのである。
Even for objects that cannot be directly observed, their internal structure and state can be inferred with high confidence by using seismic waves as a physical means
