2018年1月11日木曜日

6_148 重さの基準 1:水が基準

 体重を量るには体重計に乗り、重さを量るのはハカリを使います。当たり前のことですが、考えると疑問があります。例えば、ハカリの目盛りを、どのように決めているのでしょうか。目盛りの基準が正確になるかも知れないという報告がありました。

 重さを量る時の単位は、グラム(g)やキログラム(kg)です。重さには、物質が本来持っている属性としての「質量」という意味と、地球の引力(重力)のもとで量った「重さ」という意味もあります。
 同じ物を同じハカリを用いたとしても、違う天体で量ると、目盛りの指す値は違ってきます。これは、引力が違うからです。バネばかりを想像するとわかりやすいかもしれません。地球でも、場所によって引力が異なっているので、厳密に測定すると示す値が違ってきます。これが私たちがいつも量っている「重さ」というものです。
 もうひとつ、物理学で用いる「質量」というものがあります。「質量」は、物がもともと持っている属性です。動かそうとるするときの手応えとして感じるものです。宇宙のどこにいっても、この動きにくさは、その物がもっている本来の性質となります。
 では、質量の単位で1kgという値は、どう定義されているのでしょうか。これが今回の話題です。
 バネを利用したものだと、引力の影響を受けて、場所によって違ってきます。質量を量るときには、引力に影響されない方法を用いなければなりません。とはいっても、量る方法の仕組みは簡単です。質量の基準となるオモリがあれば、それと比べていけばいいのです。天秤とオモリを利用した量り方です。小学校でおこなった、上皿天秤を用いた量り方も、この方法です。
 では、オモリの質量は、どのようにして決めたのでしょうか。おおもとになったオモリのことです。ある時点で正確に量って決めなければなりません。
 かつての質量の基準は、水1リットルを1kgとしました。正確には、「最大密度における純水1リットルの質量」です。水の最大密度は、水温が4℃のときのものです。かつてはこの条件を満たしたものを重さの基準としていました。
 しかし、これにはいくつか問題がありました。
 質量を量る時には、4℃に設定した水1リットルを用意しなければなりません。これは大変な手間を要します。水を入れる容器も温度変化して体積が変わります。正確に量るには問題になります。
 さらに大きな問題がありました。大気圧下と温度を一定にした条件で量ることになるのですが、気圧や温度を正確に測定することが必要になります。ところが、気圧は質量が関与した単位となっています。質量の基準を決めるのに、質量を用いた条件が必要になります。ここに矛盾があります。
 この基準は問題があるので、1799年に変更され、現在の「キログラム原器」と呼ばれるものになりました。「キログラム原器」は次回としましょう。

・冬休み明け・
大学もスタートしました。
でも、すぐにセンター試験があるので、
講義は一時休講になります。
正月は終わって、急に慌ただしくなります。
これから3月までは、通常の授業に加えて
卒業研究の発表会や
いくつもの入試がはじまり、
慌ただしさが加わります。

・冬の雨・
北海道は冬になっても、
晴天率は少ないようです。
先日は、雪が降ったと思ったら、
雨が降りました。
この時期に雨は珍しいものです。

2018年1月4日木曜日

3_161 海の水の寿命 4:課題

 海水が6億年後にはなくなる、という推定を紹介しました。しかし、そこにいくつかの課題もあるようでうす。このような課題が、学界に議論を呼んで、科学を進めていくのでしょう。

 沈み込む海洋プレートにともなって、海水が地球深部に入り込んでいきます。一方、絞り出されて地表に火山などで戻ってくる水もあります。深部に入っていく水の量と戻ってくる量がわかれば、収支が計算できます。
 これまで沈み込む水は、海洋地殻に含まれているものだけによるものだとされていました。ところが、海洋プレートのマントル部分にも水が含まれることがわかってきました。マントルの含水量も見積もり加えると、かなりの水が地球深部に入っていくことがわかってきました。6億年後には、海水がなくなる可能性が指摘されました。
 ここまでは前回まで紹介したことでした。この見積もりには、いくつか問題があるように思えます。実は、似たようなモデルが、以前に唱えられました。
 6億年前ころから、地球の冷却が進み、沈み込む海洋プレートの含水鉱物が分解されることなく、地球深部に沈み込んでいくことになるという考えがありました。この時の証拠は、高圧変成帯の変成鉱物の時代変化をみていくと、明瞭な違いありました。6億年前ころから、海洋地殻の含水の変成鉱物が、地球深部にまで分解されずに入り込むことになります。そして、海水が一気に減少し、海水面が200mも低下したというモデルが唱えられたことがありました。
 その時、私は、いつかの課題があると考えました。ひとつは、マントルに急激に水が入り込むと、マントルの物性が変化しマントルの状況が変わること、その後もそのペースで海水が減っていくと海水がなくなってしまう可能性があること、などでした。これらの課題をどう解いていくかということになります。マントルに水が入ると対流の速度が変わったり、プレートの厚さが変わる可能性もあります。降下プルーム(コールドプルーム)の形成条件が変わり、それに連動して、大規模な火成作用の状況、海洋プレートの形成速度も変わっていくはずです。そのような異変は、地球史に記録されているはずです。それが検証されるかどうか、という疑問でした。
 今回のモデルでも、似たような疑問があります。海洋プレートへの水の浸透は、論文での現象であれば、いつでも起こりうることです。ですから、プレートテクトニクスで常に起こる現象なら、なぜ今も海水があるのか。現状に至るモデルとしてどのようなものがあるのか、気になるところです。
 現在の状態は動かしがたい事実です。もし海水が見積もり通りに減っているでのあれば、過去へ遡ると海水は昔ほど多くかったはずです。ある時以前は、地球は水惑星だったはずです。しかし地球には、陸地でしかできない地層が、38億年前から現在まで見つかっています。ですから、陸がすべて沈むほどの海水はなかったことになります。
 現在から過去の遡った時、ありえない過去が見えるのであれば、なにかが、どこかが間違っているはずです。ある時代に含水量に大きな変化があったのではないか、見積もり間違っていないかなど、議論すべきことろがあるはずです。
 しかし、このような新しいアイディアは、面白いものです。いろいろな議論を沸き起こして、その真偽の確認を進めてもらいたいものです。

・正月・
正月の三が日、我が家では朝に
お雑煮を家族で食べています。
元旦には初詣にもいきます。
元旦はよるは我が家では贅沢な食事を自宅でとります。
2日の夜は、知り合いの中華屋さんに
家族で食事にいきます。
3日は近くの温泉にいきます。
これらを毎年のようにおこなっています。
これが現在の正月の恒例となっています。
でも、家族の形態が変われば、
いずれは変わっていくのでしょう。
のんびりと三ヶ日を過ごしました。
北海道も雪は降りましたが、
比較的穏やかな、年の初めとなりました。

・英気を養う・
私は、4日から大学に出て仕事を初めていきます。
大学の講義は9日からスタートですが、
私には急ぎの仕事があるので、
それをこなさなければなりません。
そのための準備で早目にでています。
年末年始で、5日も、のんびりとした時間を過ごしたのは
昨年の正月以来でしょうか。
英気を養えました。

2017年12月28日木曜日

3_160 海の水の寿命 3:蛇紋岩の水

 海洋プレートのカンラン岩の部分にも、水が染み込む可能性がでてきました。すると、今までの海洋地殻だけの水の持ち込みとは、違った見積もりになってきます。海のどんな未来を、予測させるのでしょうか。

 これまでは、海洋地殻だけが、地球深部に水を持ち込んでいると考えられていました。海洋地殻の含水率は、重量で2.1%でした。これで地球深部に持ち込まれる水の量を見積もると、年間1.1×10^9トンとなります。
 海洋地プレートのマントル部のカンラン岩には、アウターライズ断層で水がマントルまで、染み込んでいることがわかってきました。もしそうなら沈み込む海洋マントルにも、水が含まれている可能性があることになります。
 そこで、海洋プレートを構成している海洋地殻や海洋マントルに、どの程度水を含むのかが問題となってきました。それは、海洋プレートが海溝で沈み込む時、地下深部に、どの程度水を持ち込むかということが基準になるからです。沈み込み中に水が絞り出されて、ある程度の地表に戻りますが、その量は見積もることができ、年間2×10^8トンと考えられています。ですから、沈み込む海洋プレート全体での水の量がわかれば、もとの水の量を引けば、地球深部に入っていく量が見積もれます。
 畠山さんたちは、カンラン岩が水を含んだ時できる蛇紋岩で、透水実験で調べていきました。千葉の嶺岡帯と海洋地域(パレスベラ海盆、マリアリ海溝、トンガ海溝)から得られた蛇紋岩の浸透率(含水率)は、重量で2.3%の水を含むことがわかりました。
 カンラン岩(蛇紋岩として)には、重量で2.3%の水が含まれています。従来のモデルでは、地球深部に持ち込まれる水の量は、海洋地殻の厚さが7km分で考えていました。しかし、水が染み込む可能性があるマントルの厚さは5kmほどあるので、それが加わることになります。厚さと浸透率から、地球深部に持ち込まれる水の見積もりは、年間は約2.3×10^9トンとなりました。
 海洋地殻だけでは年間1.1×10^9トンでしたが、海洋マントルも加わると年間2.3×10^9トンとなり、これまでの見積もりの倍以上の水が、地球深部に持ち込まれる可能性がでてきました。
 これらの見積もりから、海水の未来が導きだされました。現在の海水の量は1.4×10^18トンとなります。そこから年間2.3×10^9トンの海水ががなくなっていきます。すると、6億年間で海水がなくなるという見積もりになったのです。
 しかし、この見積もりに、いくつかの疑問があります。それは次回としましょう。

・年末は・
我が家での年末の行事は、
餅つき機による正月用の持ちをつくこと、
大晦日に年越しそばを食べることくらいです。
子どもたちは紅白歌合戦をみているようですが、
私はいつもの時間には布団に入っています。
実は、先週、すでにもちをついて家族で食べました。
しかし、実家の母がもち米を送ってくれるので、
昨年度の古いもち米を消費するためでした。
正月用のもちは、今年の新米のもち米でつくことにしました。
これは、30日につく予定です。

・好きこそ・
今年最後のエッセイとなりました。
大学の講義は26日で終わりました。
私はいつもと変わりなく、年末も大学で仕事をしてます。
締め切りに追われて、いつも仕事をしています。
正月も自宅で多分、いつものように
追われている仕事をしていることでしょう。
もしこれがノルマとして強制的に行われていたら、
ブラックな働き方になりますね。
でも、好きでやっていたら問題はないはずです。
皆様も良いお年をお迎えください。

2017年12月21日木曜日

3_159 海の水の寿命 2:アウターライズ断層

 海の海溝から少し離れた海側に、地形的な高まりがあり、アウターライズと呼ばれています。その高まりは、断層によってきできたものでした。この断層には、別の重要な役割もあることがわかってきました。

 海は、少なくとも38億年前から、そして現在まで、継続的に存在していた可能性があります。一時、全球凍結などで海の機能をなくしていたこともあるのですが、長い地球史から見ると、そればささやかな不在期間といえるでしょう。
 では、海の水はいつまで存在し続けられるでしょうか。これは、海に関する未来予測です。どのように予測していくでしょうか。原理は簡単です。現在のプレートテクトニクスで水の収支をみて、それを未来に延長していきます。
 現在の地球で海水がなくなるのは、マントルの中に取り込まれていく作用が大きいと考えられています。一方、沈み込む海洋プレートからは、マグマの形成や火山活動などによって、地表に戻される水もあります。いくつもの火山の噴気で水蒸気の起源を調べると、化学組成から海水に由来することがわかっています。それらは沈み込む海洋プレートから絞り出されたもののようです。この海洋プレートに沈み込み伴う海水と、地表に戻される水の収支が、見積もれれば、海水の未来が予測できるはずです。
 水の収支の見積もりは以前にもなされていたのですが、海洋地殻にどの程度水が取り込まれるかとして、考えられていました。海洋プレートの海洋地殻だけでなく、マントルにも、どの程度の水が取り込まれるかを検討したのが、今回の報告です。その検討から、海水の、思わぬ未来が見てきました。
 海の水の未来についての論文は、2017年10月24日、イギリスの科学雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。筆頭著者は広島大学の畠山航平さんで、博士課程の大学院生の方でした。タイトルは、
Mantle hydration along outer-rise faults inferred from serpentinite permeability
(蛇紋岩の浸透率から推定されるアウターライズ断層沿いのマントルの含水)
というものです。
 このタイトルには、いくつか難しい言葉があります。まず蛇紋岩ですが、もともとカンラン岩という岩石が、変質で水を多く含んでしまったものです。カンラン岩は、マントルを構成している岩石です。つまりマントルにもし水がたくさん入り込んだた蛇紋岩なっていく可能性があります。
 海底の地震探査によって、海溝付近のアウターライズ断層で水を含む領域が、広がっていることがわかってきました。アウターライズ断層とは、海洋プレートが沈み込む時、海溝より海側に盛り上がっている地形(アウターライズ)があります。その地形は、断層(アウターライズ断層)によってできています。この断層は、プレートが沈み込む時折れ曲がるので、その時引っ張りの力によりできる断層(正断層と呼ばれます)です。アウターライズ断層は、マントルまで達しています。断層にそって水が入り込んでいくと、マントルに達します。以上のことから、海洋マントルに水が浸透している可能性があることが指摘されていました。
 そこで、畠山さんたちは、千葉の嶺岡帯と海洋地域(パレスベラ海盆、マリアリ海溝、トンガ海溝)から得られた蛇紋岩を用いて浸透率を調べました。その結果は、次回としましょう。

・予行演習・
今年の我が大学の最後の授業は、26日です。
この日は、私の4年生のゼミでは
卒業研究の発表会の予行演習をすることになっています。
大変だった卒業研究の執筆から
時間があまりたっていなのですが、
私のゼミの学生は、予知通りのペースで仕上げてくれました。
執筆の方はなかなか順調でしたが、
発表の方はどうでしょうか。
まあ、予行演習しておけば、
安心して年越しができでしょう。

・師走・
現在、本の初稿の校正をしています。
そこそこのページ数なので、
時間もかかるので手間どっています。
なんとか今週中に終わせなければなりません。
次なる2つの論文の締め切りも近づいているので
のんびりとはできません。
毎日ぎりぎりのスケジュールで
その時その時を過ごしている気がします。
師走だからでしょうかね。

2017年12月14日木曜日

3_158 海の水の寿命 1:海はいつから

 地球は「水の惑星」とよくいわれます。水、つまり海はいつから存在し、できてから現在までずっと存在していたのか、そしていつまで存在し続けるのでしょうか。「いつまで」に対する、新しい考え方が報告されました。

 宇宙空間に浮かぶ地球は、青く美しい姿をしています。地球というと、多くの人が、そんな姿を思い浮かべることでしょう。地球の「青」を生み出しているのが、「水」の存在です。他の惑星には、同じH2Oが存在しても、その多くは個体の「氷」なっています。液体の水が、存在しているのは地球だけです。火星にもかつては海があったと考えられていますが、今では表面からはなくなっています。
 では、地球では「いつから」海が存在し、「ずっと」存在し続けたのでしょうか。そして、「いつまで」存在しうるのでしょうか。海の存在について考えていきましょう。
 「いつから」という疑問に関しては、このエッセイで紹介したのですが、少なくもと38億年前には、海が存在していたという証拠があります。その時代に、海底でたまった堆積岩が見つかっているからです。いくつかの年代値がありますが、最古の堆積岩が海の直接的な証拠となっています。他にも間接的には40億年前や42億年前などの証拠がありますが、直接的証拠とはいえません。
 38億年前に出現した海は、その後「ずっと」存在していたのでしょうか。それとも消えたり、出現したりを繰り返していたのでしょうか。38億年前から現在まで、連続ではありませんが、いろいろな時代の堆積岩があります。ある時代に堆積岩があるということは、その時代に海があったということになります。さらに、同じ地域で地層が連続していなくても、別の地域には続く時代の堆積岩があれば、海が継続的に存在した根拠となります。
 もしある期間、堆積岩が見つかっていないとしても、その時代に海がなくなったと考えるより、その時代の堆積岩がたまたま見つかっていないか、あるいは後の時代に、侵食でなくなったと考えたほうが合理的です。なぜなら、海がある時期なくなり、また出現するという現象を考えることは非常に難しいものです。考えられる唯一の可能性は、強烈な氷河期にあって海がすべて凍ってしまうことで、堆積岩ができなくなることはありえます。そんな異常な環境変化の時代は、地層に記録されています。実際の全地球凍結という時代が何度かあったことは知られていますが、すべての地球の時間と比べると氷河期の期間は短いものです。氷河期以外では、海が継続的に存在した考えられています。以上のことから、氷河期で一時的に途切れることがあっても、38億年前から現在まで、地球には海が存在していたと考えられます。
 では、海は「いつまで」存在しつづけられるのでしょうか。これは未来の予測なので、なかなか検証は難しいものです。ですが、2017年10月24日付のイギリスの「Scientific Reports」という科学雑誌に、海の水がなくなるかもしれないという予測の報告がでました。詳しくは次回以降としましょう。

・水の色・
水は無色透明の物質です。
しかし、水に光が当たると
水の分子が黄色や赤色の光を吸収します。
それ以外の青の光が散乱して水から放出されます。
それが水の色となります。
散乱が水の量が少ない時は水色になり、
多い時は青となります。
水色は水の色なのです。

・次々と・
12月も、あれよあれよという間に過ぎていきそうです。
忙しくしている時は、特に時間の過ぎるのが早いようです。
この1年も、そして12月もあっという間に過ぎそうです。
本の執筆は、先日終わったのですが、
次の論文が、2つ同時に書き進めなければなりません。
そのための時間が、確保できるかどうかが心配です。
もちろん、書くべき材料はあるのですが、
その間、集中が続くかどうかも問題です。
今年の暮から来年の正月は忙しくなりそうです。

2017年12月7日木曜日

6_148 5回目の重力波 2:5度目は

 5回目の重力波の発見は、どんな現象によるものでしょうか。その観測は今までとは違ったことがいくつかりました。発見によって、どんなことを、私たちに教えてくれるのでしょうか。

 4回までの重力波の検出は、サイズこそ違っていたのですが、いずれもブラックホール同士の合体によって起こった現象でした。5回目の重力波は、4回目の現象からわずか3日後、2017年8月17日に起こったものでした。あまりに連続した検出で、研究者にも驚き持って迎えられました。
 単に驚きだけでなく、5回目の重力波には、2つの重要なことがありました。ひとつは、5回目の重力波の発生が、これまでの現象とは違っていたことでした。ブラックホールではなく、2つの中性子星の衝突によるものでした。次に、今回の観測は、70ヶ所に上る観測所で100基ありまりのいろいろな装置で、この重力波を発生した星の観測がなされました。その結果、その発生源を状況が、重力波以外の波長でも詳しく調べられたことでした。
 この重力波が発生した場所は、楕円銀河NGC4993の外れにあるGW170817と呼ばれる天体でした。1億3000万年ほど前に超新星爆発で2つ中性子星ができ、長い間、お互いの周りをらせんを描きながら回っていたのですが、衝突合体しました。この衝突によって重力波が発生しました。多数の観測によって、中性子星が衝突するという現象が、詳しく観測されました。
 重力発見の報告の10時間後には、観測がスタートしました。カリフォルニア大学のキルパトリック博士が、まず最初にチリの小さな望遠鏡で観測しました。その結果、NGC4993の外れに、それまで何も見えなかったところに、輝く天体を発見しました。この発見をすぐに世界に配信しました。1時間ほどで5つのグループで、この天体が確認されました。
 中性子星が衝突すると、金属元素が放射線を放出しながら飛び出します。この現象は、通常の望遠鏡で観測可能となります。また、放射線も電波からガンマ線まで、いろいろな波長のもので観測されました。その観測によって、多くの重金属が含まれていることがわかってきました。
 宇宙に存在する重元素の形成過程は、星が死ぬ時の超新星爆発でできるとされていました。しかし、宇宙の重い元素の存在比が、実際に観測とは合わないとされていました。もし、中性子星の衝突のような現象が、ある程度の頻度で起これば、重元素が大量に合成されて、宇宙空間に放出することが可能になるかもしれません。
 2つの中性子星の衝突の結果、太陽の約2.6倍の質量の天体が形成されたことがわかりました。その天体は、一体などんなものかはまだわかっていません。ブラックホールではないか、非常に大きな中性子星ないか、という説もありますが、まだ決着をみていません。また、衝突後のX線と電波は、地球に届く時間が予測より遅かったのですが、これは何故でしょうか。いろいろ疑問が生まれてきました。まだ、観測も継続されていくでしょうから、新しい発見もできるでしょう。

・科学の進歩のきっかけ・
ひとつのことがわかれば、多くの人が調べると、
さらに多くのことがわかります。
新しい現象が発見され、多くの人が観測することでも
同じようなことが起こります。
しかし、そこには必ず、新たな疑問が生まれてきます。
それが科学でもあります。
そんな繰り返しが、科学を進めてきます。
今回もそんな科学の進歩のきっかけになりそうですね。

・原稿執筆・
11月締め切りの原稿を1週間のばしてもらいました。
今年の後半ずっと作業していた書籍の原稿です。
本来なら夏休みに執筆作業を進める予定でしたが、
夏休みが忙しくて進みませんでした。
その代わり、完成原稿での入稿となりました。
原稿の完成度が、まだ不十分です。
しかし、時間的に間に合わないので、
校正作業をストップして、編集作業に集中しています。
InDesignというソフトでの作業になります。
このソフトは、以前チャレンジして挫折しています。
必要に迫られば、最低限でなんとかするしかありません。
金曜日には印刷屋さんに、データを渡します。
できれば、入校後、校正をしたいと考えていますが、
どうなるでしょうか。

2017年11月30日木曜日

6_147 5回目の重力波 1:まずは4度目から

 重力波の観測については、これまで何度か紹介してきました。11月に、また重力波の観測がおこなわれました。5度目の観測となります。これまで3つの現象を紹介しました。今回は、まず4回目の現象から紹介していきましょう。

 2017年のノーベル物理学賞は、LIGOと呼ばれる装置によって「重力波の発見」をした研究者3名に与えられました。「発見」の報告は、2016年にされました。その論文発表の翌年にノーベル賞が与えられたのですが、こんな短期間で与えられるのは稀なことです。
 重力波の理論は、アインシュタインが1916年にすでに示していたもので、あとはそれが実証されるかどうかが問題でした。まあ、観測できればノーベル賞確実だったようです。その観測がされたので、業績は明らかだったので、こんなに短期間に受賞が発表されたのでしょう。
 重力波は、2015年9月に最初に観測され、2016年11月に2度目が、2017年1月に3度目の観測がなされました。非常に稀な現象だと考えられていたのですが、こんなに頻繁に観測されることに、多くの研究者は驚きました。
 そして2017年8月に4度目の観測がなされました。この観測の重要な点は、イタリアに設置されている欧州重力波観測所の重力波検出器「Advanced Virgo」と同じ重力波を同時に検出した点です。
 重力波の発生は、エリダヌス座の方向で約18億光年離れたところで起こりました。領域がかなり限定されたました。もし、LIGOだけの観測なら、現象が起こったエリアは、もっと広いものでした。それが別の地域での観測データがあったので、位置の精度が上がったのです。
 では、4度目の重力波は、どんな現象に由来するものでしょうか。それまで3度観測された同じ現象による重力波でした。太陽質量の31倍と25倍のブラックホール同士の合体現象で発生したものでした。合体の結果、太陽質量の53倍のブラックホールになりました。その時に、太陽3個分の質量がエネルギーとなり、重力波を発生しました。
 違った装置での観測の成功が、LIGOの観測の正当性を示すことになりました。これがノーベル賞受賞の重要な決め手となった考えられています。
 そして、4回目の検出からわずか3日後、2017年8月17日に5回目の重力波が検出されました。それは、次回としましょう。

・予防接種・
11月も終わり、北海道では何度も寒波に襲われました。
ひどいアイスバーン状態もありました。
11月だというのに厳冬期の寒さです。
服装も厳冬期仕様になってきました。
今年の冬は早く厳しいようで、
寒くなるとインフルエンザが心配になります。
なのにインフルエンザの予防接種が
私は、まだできていません。
学生のためでもあるのですが。
もちろん自分のためでもあります。
12月上旬になんとか接種ができればいいのですが。

・本の執筆中・
現在、本の執筆中です。
11月末が本当の締め切りですが、
いろいろ調整して1週間ほど、
締め切りを伸ばしてもらいました。
ここ数週間、執筆に最大の時間と精力を
つぎ込んでいるのですが、まだ終わりません。
他の仕事もしなければなりません。
優先順を付けて進めるしかありません。
校務もかなり滞っています。
非常につらい時期を過ごしています。
あと少し頑張りつづけなければなりません。