地球の内核が1日の長さを数ミリ秒単位で伸び縮みさせている

地球の一日は、固定された86,400秒ではない。数十年という時間幅で見ると、その長さは数千分の1秒単位で伸び縮みする。新たな研究は、この変動の大部分が、私たちの足元5,000キロメートル以上の深さで繰り広げられる重力の綱引きに起因すると突き止めた。

アルバータ大学の地球物理学者フイフェン・ジャン（Huifeng Zhang）とマチュー・ダンベリー（Mathieu Dumberry）はNature誌で、わずかに真円から外れた鉄の球である地球の固体内核が、向きを変えるにつれてマントル内の高密度領域を引っ張ると報告した。この引力は、岩石質のマントルと、私たちが暮らす地殻の回転を速めたり遅くしたりし、それに伴って一日の長さも変える。核とマントルの境界では、ほかの二つの力がこれに対抗して働く。

この結果は、地球物理学者が数十年にわたり追究してきた疑問に答えるものだ。彼らは、この時間スケールで核とマントルが回転をやり取りしていることは把握していたが、どの物理的な結び付きがその交換を担うのかは分かっていなかった。また、惑星の中心について意外なことも示している。内核は硬い塊としてじっとしているのではなく、きわめてゆっくりと流動しているように見える。

揺れる鉄球が時計を動かす理由

地球全体の回転、すなわち角運動量は、ほぼ一定に保たれている。液体の外核が速く回転すれば、その分を補うためマントルは遅くならなければならず、その逆も成り立つ。数十年周期で一日の長さを揺らすのは、こうしたマントルの回転におけるごく小さな変動だ。

未解決だったのは結合の仕組みであり、候補は三つあった。電磁結合は磁場を介して働き、マントル最下層の電気伝導性の高さに左右される。地形結合は、核・マントル境界の凹凸に圧力が押し付けられることで生じる。重力結合は質量に由来する。内核は完全な球体ではなく、マントルには高密度の岩石が不均一な塊として存在する。

液体外核の流れが内核を押し、マントルに対してわずかに回転させると、その膨らんだ部分は高密度領域との位置関係を崩す。重力はそれらを再び整列した位置へ引き戻そうとし、この復元力としての引力、すなわち重力トルクがマントルに回転を渡す。研究によれば、内核はマントルに対して約2.35度、60～70年周期で前後に揺れ動く。

「重力トルクは、観測されている地球自転の変化を説明するのに必要な方向に作用する一方、電磁トルクと地形トルクは概してそれに逆らう」と、両研究者はSpringer Natureの研究コミュニティー向けにまとめた研究概要で記している。

研究の手法

核まで到達できる観測機器はないため、研究チームは三種類の間接的な記録を組み合わせた。第一は、原子時計と天文観測で追跡される一日の長さそのもの。第二は、地球磁場の衛星観測から復元した、液体外核の流れに関する一連のモデル。第三は、深部地球の構造についての地震学的証拠である。

研究チームはこれらを、マルコフ連鎖モンテカルロと呼ばれる統計手法に投入した。この手法は未知の量について膨大な数の可能な値を試し、観測結果に合致する組み合わせを残すものだ。未知数には、三つの結合のそれぞれの強さも含まれていた。このモデルは、重力トルクが主な役割を果たし、ほかの二つがブレーキとして働く場合に、約60年分の一日の長さのデータを最もよく再現した。

三つのメカニズムをまとめて検証することは重要だ。なぜなら、それらは同時に作用し、互いの効果を一部打ち消すからである。一つの結合だけを見るモデルでは、現実の地球では別の結合によって相殺されている効果まで、その結合の働きとして帰してしまう可能性がある。

「こうした異なる情報を組み合わせることで、直接観測が極めて困難な領域である地球深部について、より首尾一貫した像を得ることができます」とジャンは述べた。

数ミリ秒とは、何を基準にした値か

この効果は、一日そのものと比べればごく小さい。86,400秒のうち数ミリ秒は、1億分の数程度の変化にすぎず、まばたきよりはるかに短い。人間が感じ取ることはないが、原子時計や、衛星航法のために地球の姿勢を追跡するシステムには影響する。

一日の長さを変える力はほかにもある。風や海流は数日から季節単位で変化をもたらし、月による潮汐は数百万年かけて地球の回転にゆっくりとブレーキをかける。数十年規模の変動はその中間に位置し、その発生源は長く核だと疑われてきたものの、仕組みは未解決だった。

この研究は、惑星中心部がどれほど柔らかいかについても数値を与えている。最も適合度の高いモデルは、内核が約10年で形状を緩和することを示し、可能な範囲は2年から31年に及ぶ。圧倒的な圧力の下でも内核は固体の鉄だが、年単位で見れば、極めて硬いパテのように変形する。研究者らは、この粘性が鉄合金を用いた近年の実験室実験と整合すると報告している。

重力の強さは、マントルについても何かを語っている。それは、アフリカと太平洋の下にある大陸規模の二つの岩石塊、すなわち地震波が異常に遅く伝わる領域が、高温であるだけでなく、周囲の岩石より化学組成上も高密度であるという見方を支持する。

この研究で決着しないこと

この復元は、不完全な記録に依存している。深部地球の地震学的観測網には空白があり、磁気データから導かれた核流動モデルが捉えられるのは外核内の最大規模の構造だけだ。内核の推定形状とマントル内の岩石塊の密度は直接測定から得られたものではなく、モデルへの適合から導かれたものであり、内核の柔らかさについての2年から31年という範囲も広い。

モデルはまた、信号の一部を説明できずに残している。10年から30年の時間スケールで起こるより速い変動には、おそらく追加のプロセスが関与している。また、一日の長さに見られる別の6年周期の振動も未解決の問題であり、ジャンは現在これを調べている。

さらに、地震学で最も議論の多いテーマの一つである内核自体の回転もある。北京大学のチームによる2023年の研究と、南カリフォルニア大学のチームによる2024年の研究は、マントルに対する内核の運動が2009年から2010年ごろに停止し、逆向きに動き始めたと結論付けた。2010年ごろの方向転換を含む新モデルはこの見方に合致するが、別の地震学者らは、同じ地震学的信号を説明するのは内核の回転ではなく、その表面での変化だと主張している。著者らは、内核の回転に今後起こる変化をそもそも予測できるのかどうかも、未解決の問題として挙げている。

地球の一日の長さに関するよくある質問

なぜ一日は正確に24時間ではないのですか？

24時間の一日は慣習上のものであり、地球の実際の回転は変動する。風や海流は数日から季節単位で変化させ、月の潮汐は数百万年かけて長くし、核とマントルの間の回転のやり取りは数十年の間に数ミリ秒の変化をもたらす。

地球の内核は回転方向を反転しているのですか？

いいえ。地震学的研究は、内核がマントルよりわずかに速く、あるいは遅く回転していることを示唆しており、地表に対しては一方向へずれた後、反対方向へ戻る。この新研究は、これを60～70年周期で約2.35度揺れる動きとしてモデル化しており、2010年ごろに方向が変わるとしている。

内核によって一日は目に見えて長くなったり短くなったりしますか？

いいえ。変化の合計は数十年で数ミリ秒にとどまり、人が気付ける範囲をはるかに下回る。ただし、地球の回転をミリ秒未満の精度で追跡する精密計時、衛星航法、地球物理学にとっては重要である。

科学者は地球の核の内部で何が起きているかを、どうやって知るのですか？

そこまで到達できる探査機はない。研究者らは、核を通過する地震由来の地震波、液体外核で生じる磁場の衛星観測、そして地球の回転に関する精密な記録を組み合わせる。この研究では、その三つすべてが用いられた。

Nature誌はこの研究を2026年9月23日に掲載した。研究チームによれば、1970年代初頭から2021年までの間に、核のプロセスは一日の長さを数ミリ秒変化させた。次の検証対象は6年周期だ。まだ査読を受けていない2026年6月のプレプリントで別の研究グループは、衛星重力データに一致する6年周期の信号を報告し、これを内核とマントルの間に働く同じ結合と結び付けている。両方の記録が同じ揺れを示せば、惑星の中心にある金属球の引力は、時計だけでなく軌道上からも読み取れることになる。

参考文献：Zhang and Dumberry, “Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10999-2

タグ: 1日の長さ, earth science, geophysics, Mathieu Dumberry, University of Alberta, 内核