物理学(地球物理学・宇宙物理学・天文学)

地学基礎では、地震の波で地球の中を調べることを学びます。液体を伝わらない S 波が届かない地域があることから、外核は液体だと分かりました。では、地球の中心まで液体なのでしょうか。この問いに答えたのが、デンマークの地震学者インゲ・レーマンです。

レーマンは 1925 年からデンマークの測地研究所で働き、1928 年からは地震の部門の責任者を務めました。手がかりは、1929 年にニュージーランドで起きた大きな地震の記録です。液体の核で波が曲げられ、P 波が届きにくいはずの地域(影の部分)で、2 か所の地震計が大きな P 波を記録していました。

レーマンは、各地の記録をカードに書き写し、オートミールの空き箱に入れて整理していたと伝えられています。そして 1936 年、「P′」というとても短い題の論文を発表しました。外核の中にもう 1 つの核(内核)があると考えれば、記録を説明できるという内容です。のちに地震計の性能が上がると、内核があることは確かめられていきました。今では、内核はおもに固体の鉄でできていると考えられています。

ここで使われているのは、高校の物理で学ぶ波の屈折です。波は、伝わる速さが違う物質の境目で向きを変えます。光が空気から水に入ると曲がるのと同じしくみで、地震の波も、地球の中の層の境目で曲がったり跳ね返ったりします。大学の地球物理学では、弾性体の力学で地震の波の速さを求め、たくさんの地震計の記録から、地球の中のつくりを計算で描き出します。

地学では、地球の形と重力を学びます。重力の強さは、場所によってわずかに違います。地下に重い岩石や大量の水があると、その上では少しだけ強くなるのです。この小さな違いを宇宙から測ったのが、NASA とドイツが共同で打ち上げた衛星 GRACE です。

GRACE は、2002 年 3 月に打ち上げられました。同じ形の 2 機の衛星が、高さ約 500 km の軌道を、約 220 km 離れて前後に並んで回ります。重力の少し強い地域の上に来ると、先を行く衛星が先に引っぱられ、2 機の距離がわずかに変わります。その変化を、電波で 10 マイクロメートル(髪の毛の太さの約 10 分の 1)まで測りました。

NASA などの研究チームは 2009 年、この観測から、インド北部の地下水が減り続けていることを示しました。2002〜2008 年に失われた地下水は 109 km³ を超えます。日本最大の湖、琵琶湖の水の量(約 275 億 m³)のおよそ 4 倍です。地下水の水面は、1 年に最大で約 30 cm 下がっていました。原因は、ほぼすべてが人による利用だとされています。井戸を 1 本ずつ測らなくても、宇宙から広い地域の水の増え減りをつかめるのです。

GRACE は、予定の 5 年を大きく超えて 15 年以上観測を続け、氷床の氷が減っていく様子なども明らかにしました。衛星の動きを説明するのは、高校の物理で学ぶ万有引力と円運動です。教科書の法則が、地球の水の行方を追う道具になっているのです。

地学では、恒星の光をスペクトルに分けて、表面温度や種類を調べることを学びます。虹色の帯の中には、ところどころに暗い線があります。元素ごとに吸収する光の波長が決まっているので、暗い線から星の大気にある元素が分かります。

1920 年代のはじめまで、太陽の成分は地球の岩石とよく似ていると考える天文学者が多くいました。太陽の光の強い暗い線の多くが、地球に多い元素のものだったからです。これを覆したのが、アメリカのハーバード大学で天文学を学んでいたセシリア・ペインです。1925 年 1 月 1 日に書き上げた博士論文で、恒星の大部分が水素とヘリウムでできていることを示しました。

手がかりは、インドの物理学者サハが 1920 年に示した理論です。熱によって、原子が電子を失ったり、高いエネルギーの状態に移ったりする割合を表します。太陽の大気(約 5,700 K)では、水素の暗い線をつくれる状態にある水素原子は、約 2 億個に 1 個しかありません。線が弱いのは、水素が少ないからではなかったのです。

当時の有力な天文学者ラッセルは、この結論に強く反対しました。それでも、のちに天文学者のストルーベは、この論文を「天文学で書かれた最も優れた博士論文」と呼んでいます。今、天の川銀河で測られている水素とヘリウムの割合は、ペインの 1925 年の計算と合っています。ペインは 1956 年、ハーバード大学で女性として初めての教授になりました。大学の宇宙物理学では、熱と統計の物理や量子力学を使って、星の光を数字に変えて読み解きます。