地磁気はなぜ反転するのか？

2017年11月に千葉県市原市養老川の崖（がけ）に地磁気反転を示す地層のニュースがテレビや新聞に大きく報道されました。「千葉セクション」という名前の地層で、国際地質科学連合へ提出した国際模式地申請が作業部会を通り、上位の委員会に答申することになったという内容です。その後、いくつかの委員会で審査が進められ、2020年1月17日に正式に承認されました。千葉セクションが前期‐中期更新世境界を示す国際模式地*と認定され、地質時代の中期更新世（約77万年前～約12万6千年前）は「チバニアン（Chibanian）」（千葉時代を意味する）と名付けられました。

地磁気反転が主題ですが、その前に地磁気はなぜ発生するのかについて記します。地表の地磁気の向きを調べたら、地球の内部に棒磁石があるのと同じような磁気分布であることがわかりました。地球の中心部の温度は4,000℃以上ですが、棒磁石のような永久磁石は数100℃に熱すると磁石の性質が無くなってしまいます。したがって、地磁気は永久磁石とは異なったものと推測されます。

図１ 地球の内部構造
（出典：気象庁地磁気観測所ホームページ）

地球の内部構造を図１に示します。内核（固体）や外核（液体）は鉄やニッケルが多く含まれているので電流を流すことができます。電流が流れると磁場が作られます（右ネジの法則）。また、磁場の中を導体が動くと電流が流れます（フレミングの左手の法則）。マントルは外核より温度が低いので、外核の表層部は冷やされ熱収縮により密度が上がって内部に沈もうとし（外核は液体であるため）、内部の熱く軽い外核部分が湧き上がって熱をマントルに逃がします。これを熱対流と呼びます。このように外核内で導体が動くので、磁場があれば電流が流れます。最初は小さな磁場であったと思われますが、良くわかってはいません。元からわずかに磁場があったと仮定します。次第に、互いに電流や磁場が強め合い、やがて大きな電流や磁場になります。この考えがダイナモ理論と呼ばれているものです。地磁気発生の原因は難しい問題で、今でも全てが解明されているわけではありませんが、スーパーコンピュータを活用するなどいろいろな方法で研究が行われています。地磁気の北磁極（方位磁石のN磁針が指す北磁極はＳ極になります）と南磁極（Ｎ極）はどこにあるのでしょうか。地球は北極点（北緯90度）と南極点（南緯90度）を結ぶ軸に沿って回転していますが、北磁極と南磁極はこの軸からずれた場所にあります。また、いつも同じ場所にあるのではありません。1842年から1980年の北磁極と南磁極の位置を図２に示します。かなり大きく移動していることがわかります。東京ではN磁針の方向は真北から約7度西に傾いていますが、200年ほど前にはほぼ真北を指し、350年ほど前には約8度東に傾いていました。長い時間をかけて地磁気の向きが移り変わっていく現象を地磁気の永年変化といいます。この極の移動については、外核の熱対流の乱流、大陸移動説、海洋底拡大説、プレート・テクトニクスなどいくつかの考えが出されています。

図２ 磁極の移動 左：北磁極、右：南磁極　　 （出典：気象庁地磁気観測所ホームページ）

図３ 地磁気極性と地質年代
　（出典：気象庁地磁気観測所ホームページ）

地磁気反転は極移動の極端な場合と考えられます。熱対流のカオス的振る舞いによって起きていると言われており、外核の電流の向きが逆になると磁場すなわち磁極も反転してしまいます。
冒頭の千葉セクションは78万年前にＮ極とＳ極は逆転したことを物語っており、また少なくとも過去360万年の間に11回は逆転したと考えられています。図３は地磁気極性と地質年代を示しています。地磁気極性で黒い帯の部分は現在の地磁気と同じ向きの時期、白い帯の部分は逆転していた時期です。

太陽にも地磁気と類似の北極点・南極点から出た磁場があり、約11 年毎に南北が反転しているとのことです。黒点数が11 年周期で増減を繰返していることから、磁気反転と黒点数とは密接な関係がありそうです。なお、太陽の磁場は太陽の大気を構成するプラズマが流動することで磁場が発生し、プラズマ流に対応した多磁極の構造との考えもあります。木星では中心部には液体水素があって電気を通すため、高速の自転運動によって大きな電流が発生し、磁場が形成されています。火星はかつて地球と同じようなダイナム効果に沿った磁場がありましたが、今は冷えてしまい核の流動が起こらなくなったため磁場はないようです。他の星についても、光が弱いため観測が困難ですが、恒星の磁場もどんどん見つかっているとのことです。