地球の中心まで穴を掘って確かめたわけではないのに、内部に液体の層があると分かるのはなぜでしょうか。その重要な手掛かりの一つが、地震波の伝わり方です。
地震波には性質の違う波があり、通る物質によって振る舞いが変わります。ある観測点で特定の波が見つからないことも、内部を考える資料になります。ただし、「S波が来ない」と「地震による揺れが何も来ない」を同じ意味にしないことが大切です。
P波とS波は、同じ道を同じようには進まない
P波は、物質が押し縮められたり広がったりする変形を伝える波です。固体中だけでなく、液体中も伝わります。S波は、せん断と呼ばれる横ずれの変形を伝える波で、液体の外核をS波のまま通り抜けることはできません。
この違いから、世界各地の観測でS波の現れ方を調べると、内部の状態を探る手掛かりが得られます。地球の外核が液体であることを支持する、重要な観測の組み合わせです。
ただし、地球全体の内部が液体という結論にはなりません。外核の内側には固体の内核があると考えられています。液体の層を通れない波があることと、そのさらに奥のすべての層の状態を一度に決めることは別です。
図は層と波の関係を示す模式図です。実際の地震波は、速さの違う層の境界などで曲がったり、反射や波の種類の変換を起こしたりします。描いた矢印を、地球内部の正確な経路や観測角度として使うものではありません。
「届かない波」を指定して説明する
液体の外核を直接通るS波が見られない範囲でも、P波など、別の波による揺れは届き得ます。また、波の種類が途中で変わる場合もあります。「S波がないから、地震が起きなかった」「そこは絶対に揺れない」と書くと、資料の意味を広げすぎています。
問題文が初期微動と主要動を扱っているのか、地球規模の内部構造を扱っているのかも確かめましょう。震源から近い観測点でP波とS波の到着時刻の差を使う問題と、外核を含む長い経路の問題では、置いている条件が違います。
一つの決まった速さを地球のどの深さにも当てはめるわけではありません。速さが変わる層を通るなら、それぞれの区間に必要な時間を考えます。経路も、地表で測った距離と同じとは限りません。
例題1：S波がないなら、波は一つも来ない？
ある地球内部の模型で、震源と観測点を結ぶ経路に液体の層があります。P波は液体中を進め、S波はS波のまま液体中を進めないとします。「S波が直接通れないので、P波も届かない」という説明は正しいですか。
答え・解説： 正しくありません。P波とS波では伝わる性質が違うためです。S波の通過についての情報を、そのままP波へ移すことはできません。この模型ではP波が液体を通れる経路を検討できますが、実際にどの観測点へ届くかは、経路や屈折などの条件も必要です。
一地点の欠測と、地球内部の証拠は分ける
観測記録に波が見つからない理由には、装置の不具合、雑音、地震の規模や向きなども考えられます。ある一つの地点で記録がなかったというだけで、その地下が液体だと決めることはできません。
複数の地震と観測点を組み合わせ、波が現れる範囲や時刻を比較することが重要です。繰り返し現れる規則性が、内部構造の説明と合うかを調べます。直接見えない対象を調べるときほど、単発の結果と広い観測の傾向を分けます。
地震波の図には、観測点の位置、波の種類、到着の有無などの凡例があります。色の違いを読み飛ばすと、S波の経路をP波の経路として読んでしまいます。まず凡例の線を指で追い、その後で結論を文章にする順番がおすすめです。
例題2：二つの層を通る模型の時間
P波が、固体の区間800kmを毎秒8km、液体の区間600kmを毎秒10kmで進む仮の模型を考えます。経路は指定された長さとし、境界での待ち時間はないものとします。合計何秒かかりますか。
答え・解説： 固体の区間は800÷8＝100秒、液体の区間は600÷10＝60秒なので、合計160秒です。二つの速さを単純平均して全距離を割る方法ではありません。ここでの速さは計算用の仮定で、液体なら必ず固体より速いという一般則を示していません。
見えない内部を、波の通り方から考える
地震波は、内部を直接見た写真ではありません。波の性質と観測結果を結び付けて、どんな内部なら結果を説明できるかを考える資料です。「液体だからS波が通らない」と「S波の観測から液体の層を考える」は、同じ関係を異なる向きに使っています。
初期微動継続時間で近距離の到着差を整理し、地震計の相対的な動きで記録の仕組みを確認すると、波の性質・測り方・推論を分けて読めます。