高校地学基礎 地震波と内部の状態—波の伝わり方を根拠に内部構造を説明する｜武蔵野個別指導塾

P波とS波の記録を比較し、経路と観測器の条件をそろえて、液体の層を推論する根拠をたどります。

よくあるのは、離れた地点にS波が届かない資料を見て、距離が長いから届かなかったと説明する場面です。距離は調べるべき条件ですが、それだけでは通り道の途中に何があるかを説明できません。P波とS波の性質をそろえて見て、観測されたことと、そこから考えられることを分けましょう。始める前に、学校の範囲表と授業ノート、ワークや小テストの該当箇所で、授業で使った図と用語を確かめてください。

答案で求められる筋道

出方の1つは、P波とS波を表にして、物質の状態によって通るかどうかを選ぶ問題です。固体を通る波を問われたとき、S波だけに印を付けるとP波が抜けます。液体を通れない波を問われたのか、固体を通れる波を問われたのか、条件を読んでから表を埋めます。

もう1つは、地球内部を通る波の資料から、ある部分の状態を説明する問題です。資料に書かれているのは、どの地点でどの波が記録されたかという観測です。そこに波の性質を合わせると、波が通った経路にどのような状態の物質があるかを推論できます。答えには、観測と性質と結論のつながりを入れます。

さらに、別の説明が成り立つかを吟味する問題もあります。記録がないことは、直ちに液体の存在を証明するのと同じではありません。観測器の状態や波の経路など、問題が与える条件を確かめ、可能性と決定できることを区別します。ここでは波の伝わり方と内部状態を扱い、到着時刻から距離を求める計算には踏み込みません。

波の性質を通り道に重ねる

地震で生じた揺れは、地球の内部や表面を波として伝わります。内部を伝わるP波は、進む方向に沿って物質を押したり引いたりする波です。S波は、進む方向に対して垂直な方向に物質を揺らす波です。波が進む向きと、物質が揺れる向きを別の矢印として考えると、2つを取り違えにくくなります。

P波は固体中も液体中も伝わります。一方、S波は固体中を伝わりますが、液体中は伝わりません。液体は形をずらす変形を元に戻す性質を、固体のようには持たないためです。P波が通るという情報だけでは、その場所が固体か液体かは決まりません。S波が通ったという情報は、通った経路の物質の状態を考える手掛かりになります。

図1のように、同じ状態に対して2種類の波を並べて判定します。固体の欄は両方が通り、液体の欄はP波が通ってS波が通りません。これは波の基本的な性質を表す模式図で、地球内部の厚さや波の経路を縮尺どおりに表したものではありません。

地球内部については、S波が液体中を通らない性質と、地震波の観測などから、外核は液体と考えられています。内核は固体と考えられます。マントルは長い時間にはゆっくり変形しますが、全体が液体という意味ではありません。地球の内部に境界があることと、境界の両側の物質が何かは別の問いです。波の進み方が変わることも境界を探す手掛かりですが、変化を見ただけで物質名まで自動的に決まるわけではありません。

実際の波は内部で進む向きを変えたり、境界で反射したりします。したがって、ある地点に直接届くS波が記録されないとき、単純に震源と観測地点を直線で結ぶだけでは実際の経路を表せません。問題が模式的な経路を指定した場合はその条件で考え、実際の地球については複数の観測を合わせて推論します。

基本例題：通過の可否から状態を絞る

次は性質を使うために作ったモデルです。固体または液体からなる一様な層Aがあり、波は指定された経路に沿ってAを通るとします。経路上の他の部分は固体で、観測器は正常に働き、波が通れば記録される条件です。P波は記録されましたが、S波は記録されませんでした。層Aの状態を固体か液体から選び、「S波」「通らない」を使って理由を説明してください。

図2のように、まず観測を「P波は記録あり」「S波は記録なし」と分けます。記録の有無は問題で与えられた事実であり、まだ層Aの状態ではありません。観測器の故障や別の経路は、条件によってこのモデルでは除かれています。

次に、候補が固体の場合を考えます。P波は固体を通るので、P波が記録されることと矛盾しません。S波も固体を通ります。経路上の他の部分も固体で、通れば記録される条件なので、層Aが固体ならS波も記録されるはずです。実際の条件では記録されていないため、この候補は合いません。

続いて、候補が液体の場合です。P波は液体を通るので、記録されたことと合います。S波は液体を通らないので、指定経路に液体の層AがあればS波が記録されないことも説明できます。固体と液体の2候補を比べると、答えは液体です。

答案は「S波は液体中を通らないため、S波が記録されなかった層Aは液体と考えられる」とまとめられます。P波についても聞かれた場合は「P波は液体中を通るので、P波の記録とも矛盾しない」と付け加えます。出した結論を条件に戻し、P波の記録とS波の不記録の両方を説明できるか確かめるのが最後の点検です。

この例では、記録がない原因を層Aに絞れるように条件を置きました。条件を外して、観測器が故障していた可能性もあるなら、同じ記録から液体と一意に決めることはできません。答えが変わる理由は波の性質の変更ではなく、記録されない別の原因を除けなくなることです。

もう一歩：記録がない理由を比べる

別の自作モデルを考えます。内部に固体の領域と、状態が未知の領域Bがあります。震源から観測点Xへの指定経路はBを通り、観測点Yへの指定経路はBを通らず固体中を進みます。XではP波が記録され、S波は記録されません。YではP波とS波が記録されました。両観測器は正常で、それぞれ指定経路を波が通れば記録されます。Bは固体か液体のどちらかです。Bの状態を選び、「経路」「S波」を使って理由を述べてください。

分かれ目は、Xの経路とYの経路を同じものとして扱わないことです。YのS波の記録は、Bを通らない固体の経路でS波が伝わったという条件に合います。しかしYの記録だけでは、Yの経路に含まれないBの状態は決まりません。Bを通るXの経路に注目する必要があります。

Bが固体なら、指定経路の他の部分も固体なので、S波はXまで通り、条件により記録されるはずです。実際には記録されないため、固体という候補は合いません。Bが液体なら、S波はBを通れず、P波はBを通れます。Xの2種類の記録と、Bを通らないYの記録の両方に合います。

したがって、答えは「Bは液体です。Bを通る経路ではS波が記録されず、S波は液体を通らないからです」となります。戻して確かめると、XではP波が通りS波が通らず、Yでは固体の経路を両方が通ります。YでS波が届いたことを根拠にBも固体と答えると、波が通った場所を取り違えています。

もしXの観測器の正常性が不明なら、XのS波が記録されない理由として故障も残ります。また、Bを通ると指定された経路が本当に通り道か不明なら、その点も調べる必要があります。Yの正常な記録があっても、Xの観測器まで正常だったとは言えません。観測条件が不足した場合は、結論を保留し、何を追加で確かめるかを書くことが適切です。

誤答を観測まで戻して直す

「S波が届かないので、震源から遠すぎた」という答えは、距離の影響を考えようとしている点では出発点になります。ただし、基本例題は波が通れば記録されると決めており、距離による記録漏れは条件から除かれています。原因を距離にする前に、指定経路とその条件を読み直します。

図3のように、記録がない事実から、条件に合う理由へ進みます。経路に液体があればS波はそこを通りません。直すときは「S波は液体を通らないので、指定された経路の液体がS波の到達を妨げた」と、波の性質と通り道をつなげます。実際の観測では距離や経路、観測器なども検討するため、記録がないたびに液体と断定する文にはしません。

「P波が届いたから内部は固体」という誤答もあります。P波は液体も通れるため、到達の記録は固体にも液体にも合います。修正するには、P波の記録だけで決めず、S波の記録や経路の情報を合わせます。逆に「S波が届いたから地球全体が固体」という答えは、通った経路と地球全体を混同しています。経路に含まれない場所の状態までは、その記録だけで決まりません。

「外核が液体なら、マントルも全部液体」という答案は、層の名前と状態の対応を広げすぎています。外核についての推論を、マントル全体にそのまま移せません。教科書の断面図で層を指しながら、どの部分について何を根拠に述べているのか、文の主語を補って直しましょう。

自分の言葉で確かめる問題

次の問題は練習用に作った条件です。答えを見ずに、問われた範囲と根拠を先に書き出してください。

1. 固体中と液体中について、P波とS波がそれぞれ伝わるかを4通りとも答えてください。答えは「伝わる」「伝わらない」で示してください。

2. 固体または液体からなる一様な領域Cを必ず通る経路を考えます。経路の残りは固体です。観測器は正常で、波が通れば記録されます。P波は記録され、S波も記録されました。Cの状態を選び、「S波」「液体」を使って理由を記述してください。

3. ある観測点でS波が記録されませんでした。観測器は故障していた可能性があり、波の通り道も確定していません。この情報だけで経路に液体があったと決められるか答え、「観測器」「経路」を使って理由を述べてください。

4. 固体中の経路Dと、液体を含む経路Eを考えます。それぞれの経路に沿ってP波とS波を送り、通れば正常な観測器に記録されるとします。各経路で記録される波を答え、液体を通れない波の性質を使って理由を述べてください。

解答と確かめ方

1. 固体中ではP波もS波も伝わります。液体中ではP波は伝わり、S波は伝わりません。固体での2種類と液体での2種類をそれぞれ確かめると、計4通りです。S波が液体を通らないことだけを覚えて、P波が固体を通る欄を空けないようにします。

2. Cは固体です。S波が記録されたので、指定経路をS波が通っています。S波は液体を通らないため、必ず通るCは液体ではありません。候補は固体と液体なので固体です。Cを固体に戻すと、残りも固体であり、P波とS波の両方が記録される条件に合います。P波の記録だけではどちらの候補も残ることにも注意します。

3. 決められません。観測器が故障して記録できなかった可能性があり、経路も確定していないからです。液体が経路にある場合はS波が通らないと説明できますが、経路が固体でも観測器の故障によって記録がない場合を除けません。正常な記録と経路を確かめる情報が必要です。

4. DではP波とS波、EではP波が記録されます。P波は固体と液体の両方を通り、S波は固体を通る一方、液体を通らないからです。Dを固体中の経路、Eを液体を含む経路という条件に戻すと、それぞれの記録の組合せと一致します。EでS波が記録されないことと、P波も記録されないことは別です。

覚えておくこと

P波は固体と液体を伝わり、S波は液体を伝わりません。
記録の有無は観測、内部状態は波の性質を使った推論です。
結論を出す前に経路と観測器の条件を確かめます。
外核は液体と考えられ、マントル全体を液体とはしません。

どこで考えが途切れたか

答案が短くても、観測、波の性質、結論がつながっていれば筋道を追えます。結論だけが書かれている場合は、どの波のどの性質を使ったのかを余白に足します。性質は正しく書けるのに結論を誤る場合は、波が通った経路を図になぞり、経路に含まれない場所まで判断していないかを調べます。

個別指導で確かめる際は、まず本人に記録された事実を読み上げてもらい、次に固体と液体の候補をそれぞれ条件に戻します。観測器の故障を除けない問題では結論を保留できるかも見ます。根拠の矢印を1本ずつたどると、地震波から内部の状態を考える説明が整います。