地球型ダイポール磁場の南北2つの磁極の安定解を発見─ 地球磁場反転の物理機構解明への大きな手がかり ─

2026-04-24 核融合科学研究所

自然科学研究機構核融合科学研究所などの研究チームは、地球磁場の極性決定機構を解明するため、球殻状プラズマの対流ダイナモを3次元電磁流体シミュレーションで解析した。その結果、磁場の極性は対流の向きではなく、初期のごく微小な磁気擾乱によってランダムに決まり、北向き・南向きの2つの安定状態(双安定性)に落ち着くことを初めて示した。一度安定化した極性は小さな擾乱では変化せず、極めて強固であることも確認された。これにより、地球磁場の向きは誕生初期の揺らぎで偶然選択された可能性が示唆される。一方、実際に起きる磁場反転には、この安定状態を崩す別の物理過程(プラズマ不安定性など)が関与する可能性が指摘され、反転機構解明への重要な手がかりとなる成果である。

地球型ダイポール磁場の南北2つの磁極の安定解を発見─ 地球磁場反転の物理機構解明への大きな手がかり ─
図1:地球磁場の模式図(左上)、海洋底の岩石の残存磁場から得られた地球磁場反転の履歴(Ogg, Geologic Time Scale 2020, Elsevier (2020)のデータより作成)(左下)と、地球磁場反転シミュレーションの結果(右)。

<関連情報>

四重対流の球殻ダイナモにおける2つの安定なダイポール極性 Bi-stable dipole polarity in spherical shell dynamo with quadruple convection

Hiroki Hasegawa,Hiroaki Ohtani & Tetsuya Sato
Scientific Reports  Published:03 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-42280-x

Abstract

To study nonlinear dynamo properties, we performed extensive MHD simulations in a spherical shell system, focusing on a quadruple convection pattern with equal amounts of positive and negative flow helicities in the southern and northern hemispheres. Simulations using 50 different magnetic noise patterns indicate that the system settles into a nonlinear dipole-dominated equilibrium, with north or south polarity occurring at similar rates. This finding is consistent with the results from 50 additional simulations in which the direction of the convection is reversed. Both stable polarity states exhibit significant robustness, showing resistance to reversal under minor magnetic disturbances. This indicates that a bi-stable polarity equilibrium exists in the dipole-dominated magnetic field of a spherical shell dynamo system. The stable polarity state can be disrupted by introducing anomalous magnetic diffusivity or viscosity, or plasma instability, which are beyond the scope of this report.

1702地球物理及び地球化学
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