image: Our planet has a layered structure of silicate mantle and metallic core. The liquid outer core is located 2900 km below the surface where the pressure and temperature are extremely high, >136 gigapascal (1.36 million atmospheres) and >4000 C. The sound speed and density profiles of the deep-interior of our planet is given by seismological observations. view more
Credit: Assistant Professor Yoichi Nakajima
日本の研究グループが、大型放射光施設SPring-8を利用して、地球の液体金属コアの主成分である液体鉄の密度を、100万気圧4,000度という、コアの環境とほぼ同じ超高圧高温の極限条件下で決定することに成功しました。熊本大学は東京大学との共同研究による成果です。
地球の中心には固体金属の内核、その外側の液体金属の外核があり、ともに超高圧高温下にあります。外核の主成分は鉄であり、またその密度が純粋な鉄の密度よりもかなり小さいことから、軽い元素（水素や酸素など）が大量に含まれているとされてきました。この軽元素の種類や量を特定することにより、地球の成り立ち、具体的には地球を作った材料物質や、コアがマントルから分離した時の状態を知ることができます。しかしそれには、純鉄との密度差を正確に理解する必要があり、まず鉄自体の密度を正確に知る必要があります。
外核は地表から2,900km下にあり、135万気圧4,000度以上の超高圧高温下にあります。圧力が上昇すると鉄の融点も上昇するため、このような超高圧下で液体鉄の密度を調べる実験は難しくなります。過去に高圧下で行われた液体鉄の測定では、通常下の液体鉄密度よりおよそ10%大きいとされてきましたが、衝撃圧縮実験によるものであり誤差が大きいとされてきました。
本研究チームは、レーザー加熱式ダイヤモンドセルを使った、静的圧縮法による超高圧高温実験により、地球深部の解明に大きな貢献をしてきました。今回、その開発をさらに進め、SPring-8のビームラインBL10XUにおいて高強度X線集光に取り組むことにより、超高圧高温下における液体鉄のX線回折データを測定しました。また、これまでとは全く異なるアプローチの分析手法を開発することにより、超高圧下における液体鉄の密度の精密決定に成功しました。さらに、これらの結果をさまざまな温度および圧力での測定データと組み合わせて、実験サンプル全体の密度を計算しました。
地球の外核の密度は、地震波の観測データより見積もられています。今回得られた超高圧下の液体鉄の密度は、地球の外核の密度に比べて約8%大きいことがわかりました。従来有力な不純物とされてきた酸素ではこの密度差を説明することができないため、水素など他の軽元素の存在が示唆されます。これは、地球科学で第一級の問題とされてきたコアの化学組成の見積もりに向けた大きな一歩になります。
研究に携わった中島陽一助教は次のようにコメントしています。 「レーザー加熱ダイヤモンドセルを用いて超高圧下の液体の密度や構造を決定するという試みは、世界中で30年以上にわたり取り組まれてきましたが、これまで成功していませんでした。本研究における技術革新により、今後高圧下での液体の研究が飛躍的に進み、外核やマントル深部のマグマについての理解が大きく進むと考えられます。」
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本研究成果は、学術雑誌誌「Physical Review Letters」に令和2年4月23日に掲載されました。また本論文は、「Physical Review Letters」誌において、特に注目すべき論文（PRLエディターズ・サジェスチョン）として紹介されています。
[Source]
Kuwayama, Y., Morard, G., Nakajima, Y., Hirose, K., Baron, A. Q. R., Kawaguchi, S. I., � Ohishi, Y. (2020). Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions. Physical Review Letters, 124(16). doi:10.1103/physrevlett.124.165701
Journal
Physical Review Letters