地下の圧力はなぜ緩やかに増加？

質問

地下の密度分布は、地殻、マントル、外核内核と、その構成物質の違いによって不連続に増加します。
一方、圧力は何となく密度の傾向と似ているとはいえ、かなり緩やかに増加しています。この違いはなぜなのでしょうか？
（小さな密度が積みあがって大きく増加した圧力の前では、わずかな高密度の層による圧力など、微々たるものだ、ということなのでしょうか。）
（密度分布は、あくまでもその場その場の物質限定のデータなのに対して、圧力はそこまでより上にある物質による積み重ねのデータを見ているということなのでしょうか。）

回答No.2

moto_koukousei · ベストアンサー

（密度分布は、あくまでもその場その場の物質限定のデータなのに対して、圧力はそこまでより上にある物質による積み重ねのデータを見ているということなのでしょうか。）
そうだと思います。
ただ、完全に（圧力はそこまでより上にある物質による積み重ねのデータ）なのではなくて、（ようなもの）なのだと思います。
地下の下水管の中に潜り込んで圧力を計測しても、地上とほとんど変化ありません。頭上には空気よりも重い土砂やアスファルト、コンクリートが積み重なっていても、その積み重ねの累積は地下の空隙には影響していないことがあります。
完全な流体が積み重なっているのではないので、側方、上方の圧力が分散され支えられてしまって、ある測定ポイントではほとんど力として作用しないとか、そこで働く力は小さいということもあります。逆に、橋梁の脚の支えている部分には高圧が懸かるように、地下でも、同じような深さにあっても、周囲よりも格段に力が懸かっているということもあります。
目を広い範囲に広げてみるならば、力は重力の懸かる方向だけに懸かっているのではなくて、地球の中心部に向かう方向からはずれて斜めに力が懸かっているところがあります。
http://livedoor.blogimg.jp/choshi_geopark2-citizens/imgs/f/7/f72b42eb.jpg
こうした力の懸かり具合をしているところでは、圧力の分布が複雑になります。
地下で断層が起きたり、岩に割れ目がおきてそこに熱水が入り込むようになったりするのは、部分的にみるなら局所的な引っ張る力が起きていることを意味しています。そこでは、急激な圧力低下も起きているのです。
http://www.seisvol.kishou.go.jp/eq/mech/kaisetu/mechkaisetu2.html

液体や気体ばかりでできているならば、そして流体力学を考えないで条件ならば、圧力はそこまでより上にある物質による積み重ねのデータを見ているといっても大体はいいです。

細かく言い出すと切りがありません。　重い荷物を載せた貨物機や飛行船が上空にいても、その下300m地点の圧力が高まったりはしません。
上空の気圧が高いところの下は、上空気圧が低いところの下よりも、気圧が高いとはなりません。　http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/kousoutenkizu.htm

あくまで大雑把に（密度分布は、あくまでもその場その場の物質限定のデータなのに対して、圧力はそこまでより上にある物質による積み重ねのデータを見ている）と考えてほとんど問題ないです。

お礼

ありがとうございます。大まかに考え方があっていたようでほっとしました。
ところが、Ｎｏ．１さんのおっしゃったように、重力の大きさが中心部ほど減ってしまうのに、圧力が増えることをどう整理したらいいのか、悩んでおります。

回答No.4

kamobedanjoh

NO.３ から，頂いた補足に回答します。
「圧力」とは，上部からの全ての重みを受けて働く力のことです。
大気圏内地表での気圧は，平均約１０１３hpa（１気圧）ですが，水圏（海洋）では，水の質量が大気の質量の約１０倍である為，１０メートル潜ることに１気圧づつ水圧が上昇します。水深１０メートルでは，大気圧も加算して，約１１気圧になります。
大気圏と水圏では，明らかに圧力の不連続が生じますが，大気中でも水中でも，圧力が逆転することはありません。気温や水温では，高さ・深さに伴う逆転層は存在します。しかし圧力は上からの積み重なりですから，変化の仕方において不連続面は発生しても逆転することはありません。
地中の密度においても，不連続は生じますが，逆転は有り得ません。変化の仕方が不連続になるだけです。
さて，前回回答の中で一部誤記がありましたので訂正します。
「中心部に当たる内核は固体，外核は液状をなす流体」は，そのまま解釈して下さい。
「超高圧力の影響で中心部ほど温度・圧力が高く，『内核』の液状化は，温度の影響が圧力のそれに屈して，相転換をもたらしていると解すれば」と書きましたが，『内核』は『外核』の誤りでした。
飛んだ所で混乱を招いたこと，お詫びします。

お礼

やはり圧力は「積み重なり」がポイントだったんですね。
再び丁寧にご説明くださり、ありがとうございました。

重力との関係も、重力が小さくなるとはいえ、それまでの積み重なりがあるから、
圧力は増加すると思えばよろしいのですね。ありえないことかもしれませんが、
もし、重力が中心部まで一定の大きさだったら、圧力変化ももっと激しかったのかもしれませんね。

回答No.3

kamobedanjoh

あなたのご考察の中で，欠け落ちている視点部分があります。
それは物質の圧力と体積と温度の関係によって，相転換が起こるという点です。
地球中心部＝地核は，鉄とニッケルから成ると考えられ，最も中心部に当たる内核は固体，外核は液状をなす流体とされます。このことは，地震波の観測により早くから確認されています。
液状の内核の外側には，固体からなるマントルがあり，そこにも幾つかの不連続面があります。
このことは，超高圧力の影響で中心部ほど温度・圧力が高く，内核の液状化は，温度の影響が圧力のそれに屈して，相転換をもたらしていると解すれば，謎が解けたように思えます。
地上の超高圧・高温実験の結果でも，以上のことがほぼ確認されています。
詳細は省きますが，実験装置では内核付近の温度・圧力に匹敵する環境が実現され，相・密度の変化や地震波速度の変化も観察されています。
不連続変化も，相当精しく調べられています。

補足

液状の内核の外側には，固体からなるマントルがあり，
液状の外核の外側でよろしいでしょうか？

>>内核の液状化は，温度の影響が圧力のそれに屈して，
外核の液状化でよろしいでしょうか？

今回の質問は密度の不連続な変化にたいして、圧力変化が緩やかな連続変化の理由なのですが…。
地球内部の各層のいろいろな不連続の違いについては、よく目にするのですが、それに対して圧力だけなぜ緩やかに変化するのか、気になっております。

回答No.1

noname#195146

それは重力の強さが地球中心に近いほど弱くなるからです。

　それはなぜかということですが、たとえばの考え方として、仮に地球中心に向かって真っすぐトンネルを掘り下げていくとします。

　すると、トンネルが深くなるほど重力が弱くなるのですが、きちんと計算してみると、その重力の強さはトンネルを掘り下げた位置を地表と考え、それより上が何もないような重力の強さになります。

　つまり、地球の中心に近づくにつれ、外側の球殻部分が重力に関係しなくなり、小さくなった球の重力になります。

　海の深さ程度ですと、深海であっても重力の強さは地表とほぼ同じくらいなので、深さに比例して海水の重さが掛かり、圧力がが増します。

　しかし、地球全体という大きさで考えると、中心に近づくにつれ重力が弱くなるので、海での水圧のような単純な比例ではなく、もっと緩やかに圧力が増していくことになります。、

補足

すみません、理解が追い付かないのですが、地球の中心へ向かうほど、重力が小さくなるのは知っていました。ただ、そうすると、圧力が中心部ほど小さいって思ってしまうのですが、どう考えたらよろしいでしょうか。