Geophysics - Chikyubutsurigaku (English spelling) geophysics

Japanese: 地球物理学 - ちきゅうぶつりがく（英語表記）geophysics

A field of study that primarily uses physical methods to study the Earth, its interior, the planets in the solar system, and the space between them. Along with geology, geography, and geochemistry, it constitutes Earth science.

[Kano Naga]

History and development

In the ancient Egyptian civilization, the fertile soil brought by the annual flooding of the Nile River was the basis for the development of agriculture, but the need to re-determine land boundaries that had become unclear due to flooding led to the development of surveying techniques. In the 3rd century BC, the natural scientist Eratosthenes, who lived in Alexandria in northern Egypt, accurately estimated the circumference of the Earth to within 10% error from the distance between Alexandria and Syene (present-day Aswan) in the middle reaches of the Nile, and the altitude of the sun on the summer solstice at both points. These can be considered the birth of geodesy, a field of geophysics. Along with astronomy, which began with celestial observations in ancient Egypt and Mesopotamia due to the need to create calendars, geodesy is one of the natural sciences with the longest history.

During the period of modern science's development from the 16th to 17th centuries, issues related to the Earth were important subjects of physics. When the Englishman W. Gilbert shaped a magnet (lodestone) into a sphere and measured the distribution of directions of a magnetic needle on it, he discovered that it was very similar to the distribution of geomagnetic fields on Earth. This can be said to have been the founding of experimental physics.

When I. Newton developed mechanics, the observations of planetary motion made by Kepler and Copernicus were an important foundation, but Newton also predicted that the Earth deviated from a sphere due to its rotation, becoming an ellipsoid with a protruding equator. This prediction was proven about a century later by the measurement of one degree of latitude by an expedition sent by the French Academy to Lapland in the Arctic Circle and Ecuador in South America near the equator. This relationship of Earth phenomena as important problems in the subject of physics continued until roughly the end of the 19th century. The analysis of the Earth's magnetic field by the German Gauss can be said to be a major development in electromagnetism, and an important goal of the research on fluid mechanics by the British G. Stokes was to elucidate the movement of seawater.

In the 20th century, as the main focus of physics shifted to a more microscopic world, geophysics separated from physics. At first, geophysics had a strong mathematical flavor, such as analyzing the propagation of seismic waves to determine the internal structure of the Earth and trying to explain the fluctuations in the Earth's rotation using elasticity theory. However, as observation methods rapidly improved, geophysics changed to an empirical science that extracts information from large amounts of data. In particular, the development of ocean observations from the 1950s and the appearance of artificial satellites and space probes from the 1960s were groundbreaking in that they expanded observations to the seafloor and outer space, which were previously unknown fields for geoscience. Ocean observations gave birth to the theory of seafloor spreading, and the subsequent development of plate tectonics, which provided an opportunity to reintegrate geosciences, which had been on the path of fragmentation and specialization. Space exploration also expanded the scope of geophysics, which had previously been limited to the Earth's vicinity, to the Moon, planets, and the space between them.

[Kano Naga]

Geophysical fields

Geophysics can be broadly divided into: (1) science that deals with the solid Earth, (2) science that deals with the fluid parts such as the atmosphere and oceans, and (3) science that deals with the magnetosphere and interplanetary space that extend above the atmosphere.

(1) is sometimes called geophysics in the narrow sense. It includes geodesy, which examines the shape, size, and distribution of gravity of the Earth; seismology, which aims to clarify the mechanism of earthquake occurrence, the propagation of seismic waves inside the Earth, and the internal structure of the Earth; physics of the Earth's interior, which studies the properties of materials and the mechanism of mantle convection under high temperature and pressure in the deep Earth; geomagnetism, which deals with the properties of the Earth's magnetic field and electromagnetic phenomena inside the Earth; and volcanology, which focuses on the generation of magma inside the Earth and volcanic eruptions. Of course, these divisions are for convenience, and since they both deal with the solid Earth, they are closely related to each other. Volcanology is also on the border between geophysics and geology. Furthermore, planetary science, which deals with the formation history and structure of the Moon and planets, is developing, and this is also a related field of solid geophysics.

(2) Fields that study the fluid sphere include meteorology (or atmospheric physics), which examines phenomena such as wind and precipitation in the atmosphere; oceanography (or ocean physics), which studies the circulation and movement of water in the oceans; limnology, which studies water on land such as lakes and rivers; and cryosphere physics, which studies the mechanisms of the formation and maintenance of snow and ice, as well as glaciers and large ice sheets.

(3) is a field of study that focuses on the upper atmosphere, particularly at altitudes where ionized gases are important (such as the ionosphere, at altitudes of about 50 kilometers or higher). It originally started as a branch of geoelectromagnetism, but has developed into a large, independent field known today as upper atmosphere physics. This field is also called space physics or solar-terrestrial physics, and it studies a wide range of space in the solar system, from the Earth's magnetosphere, where highly ionized gases (plasmas) spread, to interplanetary space and even the planetary magnetospheres, and has made remarkable progress in recent years.

Each field of geophysics is based on classical physics, such as mechanics, thermodynamics, electromagnetism, elasticity, and fluid mechanics, which were mainly developed by the 19th century, and has little to do with current cutting-edge fields of physics, such as quantum mechanics and particle physics. However, there are some fields in which geophysics leads the academic world, such as the properties of matter under extreme conditions of high temperature and pressure, such as 1 million atmospheres and 3000 degrees Celsius. In addition, even if the fundamental equations are known, there are phenomena that cannot be verified in a laboratory because the size and time are too different from the human scale, and this requires research on the actual Earth. In this sense, the Earth can be said to be a huge laboratory for natural science.

[Kano Naga]

"Tsuboi Chuji (ed.) Geophysics (1966, Iwanami Shoten)" ▽ "Ueda Seiya, Mizutani Hitoshi (ed.) Earth (1978, Iwanami Shoten)" ▽ "Rikitake Tsunetsugu (1978, Academic Press Center) Geophysics"

[References] | Geodesy | Earth Science | Earth Ellipsoid | Plate Tectonics

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

地球上や地球内部、さらに太陽系の各惑星やその間に広がる空間などを対象とし、おもに物理学手法で研究する学問の分野。地質学、地理学、地球化学などとともに地球科学を構成する。

［河野　長］

歴史と発展

古代エジプト文明の時代には、毎年のナイル川の氾濫(はんらん)によって肥沃(ひよく)な土砂が運ばれてきたことが、農業の発展の基礎となっていたが、氾濫によってわからなくなった土地の境界を決め直す必要から測量技術が発達した。また紀元前3世紀に、エジプト北部のアレクサンドリアに住んでいた自然科学者エラトステネスは、アレクサンドリアとナイル川中流のシエネ（現在のアスワン）との間の距離と、両地点での夏至の日の太陽の高度から、地球の周長を1割以下の誤差で正しく推定している。これらは、地球物理学の一分野である測地学の誕生と考えることができる。暦をつくる必要から古代エジプトやメソポタミアでの天体観測に始まった天文学と並んで、測地学はすべての自然科学のなかでもっとも古い歴史をもつ学問である。

　16世紀から17世紀にかけて近代科学が発展を遂げた時代には、地球に関する問題が物理学の重要な課題であった。イギリスのW・ギルバートは、磁石（ロードストーン）を球状に整形し、その上で磁針の指す方向の分布を測ったところ、地球上での地磁気の分布とよく似ていることを発見した。これは実験物理学を創始したともいえる。

　I・ニュートンが力学をつくりあげる際には、ケプラーやコペルニクス以来の惑星の運動の観測が重要な基礎となったが、ニュートンはまた、自転があるために地球は球形からずれて、赤道付近が張り出した回転楕円(だえん)体になっていることを予言している。この予言は、約1世紀後にフランスのアカデミーが、北極圏内のラップランドと赤道近くの南アメリカ・エクアドルに派遣した探検隊による緯度1度の長さの測量によって証明された。こうした、物理学の対象の重要な問題としての地球の諸現象という関係は、ほぼ19世紀終わりごろまで続いた。ドイツのガウスによる地球磁場の解析は電磁気学の大きな発展といえるし、イギリスのG・ストークスが行った流体力学の研究では海水の運動の解明が重要目標であった。

　20世紀に入って、物理学の主要な対象がよりミクロな世界へ移っていったのに伴い、地球物理学が物理学から分離した。初めは地震波の伝搬を解析して地球内部構造を求めたり、地球の自転の変動を弾性論によって説明しようとするなど数理科学的色彩が強かったが、観測手段が急速に進歩するにつれて、大量のデータから情報を抽出する実証的な科学へと変化してきた。とくに1950年代からの海洋観測の進展と、1960年代からの人工衛星や宇宙探査機の登場は、地球科学にとって未知の分野であった海底や宇宙空間に観測を広げた点で画期的であった。海洋観測からは海洋底拡大説、さらにそれが発展したプレートテクトニクスが誕生し、細分化、専門化の道をたどっていた地球科学をふたたび統合するきっかけを与えた。また宇宙探査は、それまで地球周辺に限られていた地球物理学の対象を月や惑星やその間の空間に広げた。

［河野　長］

地球物理学の各分野

地球物理学は大きく分けて、(1)固体地球を対象とするもの、(2)大気や海洋など流体部分を対象とするもの、(3)大気の上に広がる磁気圏や惑星間空間を対象とするもの、に分類される。

　(1)は狭い意味での地球物理学とよぶこともある。このなかには、地球の形・大きさ・重力の分布を調べる測地学、地震の発生の機構や地震波の地球内部での伝搬の仕方、さらに地球内部構造の解明を目的とする地震学、地球深部での高温高圧下における物質の性質やマントル対流の機構などを研究する地球内部物理学、地球のもつ磁場の性質や、地球内部での電磁感応現象を対象とする地球電磁気学、地球内部でのマグマの生成や火山の噴火などに焦点を当てる火山学などがある。もちろん、これらの分け方は便宜的なものであり、同じ固体地球を対象とする以上、相互に密接に関連している。また火山学は地球物理学と地質学の境界領域でもある。さらに、月や惑星の形成史や構造などを扱う惑星科学が発展してきているが、これも固体地球物理学の関連分野になっている。

　(2)の流体圏を対象とするもののなかには、大気中での風や降水などの現象を調べる気象学（または大気物理学）、海洋における水の循環や移動が対象となる海洋学（または海洋物理学）、湖沼や河川など陸上の水について研究する陸水学、雪や氷さらには氷河や大規模な氷床の生成維持機構を対象とした雪氷圏物理学などがある。

　(3)は、大気圏より上層の、とくに電離した気体が重要となる高度（電離層など、高度約50キロメートル以上）を対象とする学問で、もともと地球電磁気学の一分野として出発したが、今日では超高層物理学とよばれる独立の大きな分野に発展した。この分野はまた宇宙空間物理学とか太陽地球系物理学とよばれることもあり、電離度の高い気体（プラズマ）が広がる地球磁気圏から惑星間空間、さらには惑星磁気圏など、太陽系の広い空間を研究対象としており、近年の発展は著しい。

　地球物理学の各分野が基礎としているのは、力学、熱力学、電磁気学、弾性論、流体力学など、おもに19世紀までに完成をみた古典物理学が主であり、量子力学や素粒子物理学など、現在の物理学の最先端の分野に関係することは少ない。しかし、100万気圧、3000℃といった高温高圧の極限条件下での物性など、地球物理学が学界をリードしている部門もある。また基礎方程式は知られていても、サイズや時間などが人間のスケールと違いすぎて実験室では検証できない現象などは、実際の地球の研究にまたなければならない。この意味で、地球は自然科学の巨大な実験場であるともいえよう。

［河野　長］

『坪井忠二編『地球物理学』（1966・岩波書店）』▽『上田誠也、水谷仁編『地球』（1978・岩波書店）』▽『力武常次著『地球物理学』（1978・学会出版センター）』

[参照項目] | 測地学 | 地球科学 | 地球楕円体 | プレートテクトニクス

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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