高校地学 地磁気の発生と変動—外核の運動と磁場の変化を区別して説明する｜武蔵野個別指導塾

外核の導電性流体と磁場の関係を追い、観測記録から原因を考える鍵は地磁気の変動です。

よくあるのは、高校生が地球内部に永久磁石が入っているから地磁気が生じると考える場面です。方位磁針を動かす磁場を棒磁石にたとえる図を見ると、その磁石が実物として地球の中にあるように思えます。しかし、磁場の形を近似することと、磁場を生み維持する仕組みを説明することは別です。外核の運動と観測される変化を区別して、説明の根拠をたどります。

何を問う資料か

地磁気は地球の周囲に広がる磁場です。方位磁針が向きを変えるのは、その場所の磁場の影響を受けるためです。問題では、棒磁石に似た磁場の図から発生源を説明する型、長期間の観測値の変化を読む型、短時間の変動が重なった記録から結論の範囲を判断する型が現れます。どの型でも、磁場を表す図と、それを生み出す物質の図を混同しないことが出発点です。

磁場は向きと強さを持ち、場所や時刻によって異なります。観測器が示す値は、その地点で複数の寄与が重なった結果です。したがって、記録の一部が変わったという事実と、変化を生んだ場所や仕組みを特定したという結論は同じではありません。まず横軸が時刻か場所か、縦軸が何の成分かを確認します。ここでは外核と地表付近での観測を結び、宇宙天気の詳しい仕組みには立ち入りません。

流体の運動から磁場を考える

地球内部は、物質の違いに着目すると地殻、マントル、核に分けられます。核は外側の液体の外核と、内側の固体の内核に区別されます。マントルの大部分は固体です。地磁気の主な部分については、電気を通す外核の流体の運動が電流と磁場の維持に関わるという説明を使います。

導体が磁場の中を動くと電流が生じ得ます。電流は磁場をつくります。その磁場が流体の運動と関わり、磁場が維持される仕組みを地球ダイナモと呼びます。運動さえあれば必ずどんな磁場でも維持されるという意味ではありません。流れの形や電気的な性質などに条件があり、運動と磁場は互いに影響し合います。高校の説明では、このつながりを言葉で押さえ、流れの詳細を一つの単純な矢印に決めつけないようにします。

図1のように、外核の流体の運動、電流、磁場を順につなぐと、磁場の発生源を考えやすくなります。矢印は関係を表す模式図で、外核の流れの正確な形や磁力線を描いたものではありません。

図1では磁場から流体運動へも矢印を戻しています。磁場が流体に作用するため、原因を一方向の固定した鎖として扱うと実態を単純化しすぎます。運動のエネルギーを背景として電流と磁場が維持されるのであり、何の供給もなく永久に磁石が働くという説明ではありません。外核には熱や物質の分布に伴う流れがあり、自転も流れの形に関わります。ただし、単一の流れの図から地表の各地点の磁場を計算することまではできません。

地表付近で観測する地磁気の大まかな形は、地球中心付近に置いた棒磁石の磁場に似た成分で表せます。この成分を双極子の近似と考えます。近似は方向の大づかみな理解に役立ちますが、地球の中心に棒磁石が実在する証拠ではありません。実際の磁場には近似からのずれがあり、向きも強さも場所によって違い、時間とともに変わります。方位磁針の向きが地理上の北と必ず一致するとも限りません。

地球内部は高温で、永久磁石のような固体がそのまま核に置かれて磁場を維持するという模型は適切ではありません。外核は液体であり、導電性のある流体の運動を考えます。一方、地殻の岩石が磁化されて局所的な磁場に寄与することはあります。局所の寄与があることと、主な地磁気を永久磁石の模型で説明することは別です。

長い期間を通じて少しずつ現れる地磁気の変化を永年変化と呼びます。主に外核内部の流れの変化に関係すると考えます。短時間の変動には、地球外部の電流系などによる寄与があり、内部の磁場に重なります。時間の長さは原因を見分ける手掛かりですが、それだけで各変動の原因を確定する判定器ではありません。観測地点や別の成分の記録も照らし合わせて考えます。

基本例題：長い変化と一時的な変化

次は計算のために作った資料です。地点Aで同じ向きの磁場成分を同じ条件で測り、基準値からの差を任意単位で示します。時刻の単位は年です。長期成分は時刻0で0、時刻4で8の直線と仮定します。時刻2の観測値は長期成分に一時的な変動が加わって7でした。時刻2の長期成分と一時的な変動を、それぞれ整数と単位で求めてください。

図2のように、直線上の値と実際の観測値との差を読みます。図の線は問題の仮定であり、実測した地磁気の変化率ではありません。

まず、長期成分の単位時間あたりの変化を求めます。変化量は終わりの値から始めの値を引いた8、時間の幅は4です。傾きは縦の増加量を横の増加量で割るので、次のようになります。

傾き = (8 - 0)/(4 - 0)
傾き = 2 任意単位/年
時刻2の長期成分 = 0 + 2・2
時刻2の長期成分 = 4 任意単位
一時的な変動 = 観測値 - 長期成分
一時的な変動 = 7 - 4
一時的な変動 = 3 任意単位

答えは長期成分が4任意単位、一時的な変動が正の3任意単位です。元に戻すと4 + 3 = 7となり、与えられた観測値を再現します。また、傾き2で4年進むと8に達し、もう一方の条件も満たします。時間の基準を変えても、時間の差と値の差から求める傾きは変わりません。

この分離は長期成分が直線だという条件のもとで成立します。実際の観測値が同じ形だったとしても、直線を外挿して一時的な変動を確定したことにはなりません。測定誤差や長期成分の曲がりも差に含まれ得るためです。符号は、ここで選んだ成分と基準に対する増減を表し、磁場全体が正か負かを表すものではありません。

標準例題：資料から言える範囲

地点Bの同じ成分を、同じ条件で長期間測ったとします。作成した資料では、時刻0、3、6年の値が順に10、16、22任意単位でした。さらに時刻3年の直後、短い間だけ値が19になり、すぐ16付近へ戻りました。長期の変化を直線と仮定し、傾きを整数と単位で求め、短い変化の大きさを直前の値との差として整数と単位で答えてください。また、この資料から外核の流れの向きを決められるか、理由を述べてください。

長期の傾きは(22 − 10)/(6 − 0) = 2任意単位/年です。時刻3年には10 + 2・3 = 16となり、中央の長期値も再現します。短い変化は19 − 16 = 3任意単位です。16に3を足すと観測値19に戻ります。単一地点の一成分の変化だけでは外核の流れの向きを決められません。短時間の変動も重なり得て、異なる流れや磁場の配置が同じ成分の変化に対応し得るからです。

別解では、隣り合う長期値の差に注目します。3年間に6任意単位ずつ増えるので、6/3 = 2任意単位/年です。最初と最後だけを使った傾きと一致し、中央の値も直線に乗ることを確かめられます。途中の点が直線からずれていたら、端点だけの平均傾きは求められても、全期間の変化が一定とは言えません。

発展：差を取って共通の変化を見る

別の作成資料で、同じ時刻に地点CとDの同じ成分を測ります。時刻0ではCが12、Dが8、時刻5年ではCが17、Dが13任意単位でした。両地点とも観測条件は一定とし、各地点の増加量と、各時刻のCからDを引いた差を整数と単位で求めます。差が一定なら外核だけが変化したと言えるでしょうか。

Cの増加は17 − 12 = 5、Dの増加は13 − 8 = 5任意単位です。地点間の差は時刻0で12 − 8 = 4、時刻5年で17 − 13 = 4任意単位です。最初の値にそれぞれ5を加えると後の値になり、差も両時刻で4に戻ります。共通の増加は読み取れますが、原因を外核に限定することはできません。共通する外部の変動や機器の共通した偏りなども考える必要があります。

差を使う方法は、両地点に同じ量だけ加わる成分を取り除くときに役立ちます。ただし、共通でない外部変動まで消えるわけではありません。測定器を交換した時刻に両地点で同じずれが生じれば、差は変わらなくても各地点の増加量は影響を受けます。基準器との比較や同じ条件での並行測定が、原因を絞る手掛かりになります。

間違いの形から直す

誤答の例は「磁場が棒磁石に似るので、地球の中心に永久磁石がある」です。図3の左は地表付近の磁場を棒磁石で表す近似、右は発生に関わる外核の流体運動です。両者は答える問いが違います。

図3のように、似た磁場を描けることは、同じ物体が中にあることを意味しません。直すときは「地表付近の大まかな磁場は棒磁石で近似できるが、主な磁場の維持には導電性を持つ外核の流体運動が関わる」と書きます。近似が役立つ点と、実物の発生機構を分けた答案です。

別の誤りは「観測値が1回上がったので永年変化だ」という判断です。短い変動や誤差でも1回の増加は起こり得ます。繰り返し測定した期間、測定条件と誤差を確認し、長期的な傾向を読む必要があります。逆に、長期の傾向があることから、途中に短い変化がなかったと決めることもできません。

「長期的に変わるから、地表の磁石が移動した」という答えも飛躍です。測ったのは磁場であり、変化した物体を直接見たわけではありません。複数の場所や成分の記録を使い、内部由来と外部由来の寄与や観測の偏りを検討してから、可能な仕組みを絞ります。

自分で解く5問

以下はすべて練習用に作った資料です。数値は現実の観測値ではありません。計算では整数と指定の単位で答え、記述では根拠も述べてください。

1. 長期成分が時刻0で2、時刻4年で14任意単位となる直線だとします。時刻2年の長期成分と、そのときの観測値が11任意単位だった場合の一時的な変動を求めてください。
2. 同じ地点の長期値が時刻0、2、4年にそれぞれ5、9、13任意単位でした。直線を仮定した傾きを任意単位/年で求め、中央の値が条件に合うか確かめてください。
3. 地点EとFの値は、時刻0でそれぞれ20と11、時刻3年でそれぞれ24と15任意単位でした。各地点の増加量と各時刻の地点間の差を求め、共通の増加だけから原因を特定できるか述べてください。
4. ある地点で測った値が、1回だけ急に増え、直後に元の水準へ戻りました。この記録だけで永年変化と結論できるか、観測期間を根拠に答えてください。
5. 地表の大まかな磁場を棒磁石で表した図を見た人が、外核は永久磁石の固体だと説明しました。図が表すものと外核の状態を区別して、この説明を直してください。

答えと考え方

1. 傾きは(14 − 2)/4 = 3任意単位/年です。時刻2年の長期成分は2 + 3・2 = 8任意単位、一時的な変動は11 − 8 = 3任意単位です。8 + 3 = 11で観測値に戻り、2 + 3・4 = 14で端の条件にも合います。
2. 傾きは(13 − 5)/4 = 2任意単位/年です。時刻2年の値は5 + 2・2 = 9任意単位で、資料の中央の値を再現します。前半と後半はいずれも2年間で4増えるので、傾きは一致します。
3. Eは24 − 20 = 4、Fは15 − 11 = 4任意単位の増加です。差は最初が20 − 11 = 9、後が24 − 15 = 9任意単位です。各初期値に4を足すと後の値に戻ります。共通の変化は読み取れますが、内部と外部の寄与や観測の偏りを区別できないため、原因は特定できません。
4. 結論できません。短い記録の一時的な増加であり、長期にわたる傾向を示していないからです。前後の長い記録と測定条件を調べて判断します。
5. 棒磁石の図は大まかな磁場の形の近似です。外核は導電性の流体であり、その運動と電流が主な磁場の維持に関わります。近似した形から内部に固体の永久磁石があるとは言えません。

覚えておくこと

地磁気の主な部分は、導電性の外核流体の運動と関係します。
棒磁石は大まかな磁場の近似であり、内部の実物を示しません。
永年変化は長期の変化で、短時間の外部由来の変動も重なります。
記録の傾きと差を求める際は、軸、単位、期間、仮定を確認します。

答案を点検する視点

「磁場」と「磁石」を同じ語として扱っていないか、まず図に書いたラベルを見ます。次に、外核を固体と書いていないか、流体の運動と電流の関係が答案にあるかを点検します。個別指導で確認するなら、棒磁石の図を指して何を近似したかを言葉にし、その後で外核の状態を別の図に描けるかを見ます。

数値資料では、横軸の期間と縦軸の成分、傾きの単位を指で追います。差を求めた後は、長期成分に足して元の観測値に戻るか確かめます。測定値が欠ける、測定条件が変わる、誤差が変化量と同程度になる場合は、直線や原因を断定せず、追加の観測に必要な条件を述べます。観測された変化とその原因を分けて読むことで、地磁気の説明は筋道を持ちます。