地球の内部はなぜ熱いのか？

地球の中心部は約6000度と言われていますが、どのようにして測ったのでしょうか。地球誕生の時は火の玉であったと言われています。なぜ高温になったのか、さらに、地球誕生から46億年経っているのに未だに冷えていないのはなぜなのか、についても説明したいと思います。

図１ 地球内部の層構造と圧力・温度

まず、地球の構造の説明から始めます。図１は地球の断面をパイ型に切り取った内部構造の模式図で、圧力、温度が示されています。地表から70kmの深さまでが地殻（厚みは場所により5～70kmのばらつきがあります）、地下70～2900kmがマントル、その下から地球中心までが核です。地殻は玄武岩や花崗岩などから出来ており固体です。マントルも固体ですが、上部と下部、そして間の遷移層、下部マントルの下のD”（ディーダブルプライム）層に分かれており、上部マントルは主にかんらん岩、下部マントルは高い圧力のためかんらん岩がより緻密になった構造、D” 層はさらに緻密な構造に変わっていると考えられています。核は主に鉄とニッケル、軽元素から出来ており、外核は液体で内核は固体になっています。地球内部構造を調べるには穴を掘ればよいのですが、今まで掘ったのは12km（地殻が厚い陸上で掘ったもの）まででマントルにも到達できてはいません。そのため、マグマにより運ばれる岩石の分析や、地震波伝達速度による深さと密度、硬度の測定を行い、実験により高温高圧下で示す物質の特性と比較することにより地球内部の構造や圧力を推定しています。

図２ 地球内部の温度推定方法

地球内部の温度も直接測定する技術はまだ開発されてはいませんので、多くの知見から温度を推定しています（図２参照）。
地殻部分では、熱伝導が熱輸送の主となります。地中の温度（温度勾配）と岩石の熱伝導率から地殻熱流量を求めることにより深さ1kmで温度が約20℃上がることが分かります。
上部マントルでは地質温度計で温度を推定します。マントル由来の岩石中に含まれる輝石^*1についての化学組成と相平衡図から、輝石が生成されたときの温度を推定することができます（1100℃から1500℃程度）。
遷移層は、主としてマントルの主要成分であるMg₂SiO₄ -Fe₂SiO₄固溶体の相転移によると考えられていて、マントル遷移層の温度を推定することができます（上部では1450℃程度、下部では1600℃程度）。

図３ ゼノリスとしてのかんらん岩（倉敷市立自然史博物館のHPより）

マントルは上部・下部とも固体と書きましたが、地質学的時間スケールでは粘性流体としてふるまうので熱の対流が起こります。下部マントルでは断熱温度勾配と考えられるので、外核の近くでは2200～2750℃と見なされています。
外核は鉄が主成分でニッケル、軽元素（シリコン、硫黄など）が含まれています。高圧高温下の液体状態になっており、溶融関係から約3500～5000℃と推定されています。
内核は外核と同じような成分ですが鉄の割合が多く、高圧下なので固体となっています。鉄の結晶構造は地上とは異なる緻密な構造となっており、温度は約5000～6000℃と考えられています。
下部マントルと外核との温度差は約800℃もあり、この部分での厚さは約100kmで地震被速度勾配の異常になっています（D” 層）。このような大きな温度勾配になることについては、液体の外核が固体化（内核が成長）する際の潜熱が原因であろうと言われています。

地球形成初期には、微惑星の衝突・合体の繰り返しや、ジャイアント・インパクト（小惑星が地球に激突し月が誕生したとの説）などにより大量の熱エネルギーが発生して地球は高温になりました。この熱は重力で引き付け合うものが持つ位置エネルギーが熱エネルギーへ変換されたことによります。当時の地球は全体がマグマに覆われた状態、いわゆるマグマ・オーシャンであったと考えられています。その後、次第に地球が冷えて表面が固まってきたので、丁度、魔法瓶のように内部の熱は保たれた状態（余り冷えない）になりました。これが今でも地球内部が高温であることの理由です。
地球内部で発生する熱エネルギーは、地熱エネルギー、潮汐によるエネルギー、化石燃料の燃焼によるエネルギーがあります。地熱エネルギーは約44 TW^*2（テラワット。テラは10の12乗）で、放射性元素が崩壊することによる壊変エネルギーや火山地帯などでの熱エネルギーからなります。放射性元素のウラン（²³⁵U、²³⁸U）・トリウム（²³²Th）・カリウム（⁴⁰K）などの半減期は70～1400億年です。地球形成初期の放出熱量は約180 TWでしたが、すでに半減期を過ぎた元素もあるので現在でも約24TWと見積られています。潮汐による熱エネルギーは約3TWで、これは太陽や月などと地球がお互いの引力で引き合う潮汐力によって生み出されるエネルギーです。化石燃料の燃焼による熱エネルギーは約13TWです。これらの熱エネルギー総量約60TWと地球から放出されるエネルギーの収支（出入り）は一致しているため、地球は一定の温度に保たれます。

図４ 地球のエネルギー収支

太陽から地球に注ぐ放射量（太陽放射量）は、地球大気表面の単位面積に垂直に入射する太陽のエネルギー（太陽常数 1.37kW/m²）に地球の断面積を掛けることで算定でき、174PW（ペタワット。ペタは10の15乗）になります。地球の内部と外部からの熱エネルギー全体に対する太陽放射のエネルギーは99.97%と圧倒的に大きな割合になります。短い時間スケールで考えると地球全体の平均気温は一定に保たれていますので、太陽放射量と地球から宇宙空間へ昼夜を問わず放射されるエネルギー量（地球放射）は同じと考えることができます。なお、太陽光に関する地球のエネルギー収支を図４に示します。
現在のエネルギー収支を出発点として考えますと、火山地帯からのエネルギーの散逸や放射性元素の壊変エネルギーの減少により長期間にわたり地球はゆっくりと冷えていくと考えられています。

太陽の水素核融合反応は今後50億年位は続くと言われていますが、その後には太陽が膨張して地球は飲み込まれるとの説や、太陽は地球公転位置近くまで膨張するが太陽の一部を宇宙空間に放出してしまい質量が減るため、地球の軌道は今より遠くなるので地球は飲み込まれる事は無いとの説などSFも含めた沢山の説があります。いずれにしても、遠い将来の地球への太陽放射量は不確実で、地球はどうなっていくのかについては分かっていないのが現状です。