大きな地震が起きると、世界中の地震観測所が数分のうちに次々と揺れを記録します。ところが不思議なことに、震央から一定の距離だけ離れた観測所には、地震波がうまく届きません。まるで地球の中に影が落ちたかのように地震波が避けて通る、この帯状の地域を「地震波のシャドーゾーン（Seismic Shadow Zone）」と呼びます。
地震波のシャドーゾーンとは、簡単に言えば「地球内部を通る地震波が核で曲げられたりさえぎられたりして、地表に直接届かない地域」を意味します。1906年、イギリスの地質学者リチャード・ディクソン・オールダム（Richard Dixon Oldham）は地震の記録を分析し、地球の中心に性質の異なる核があると初めて主張しました。続いて1914年、ドイツ生まれの地震学者ベノー・グーテンベルク（Beno Gutenberg）は、シャドーゾーンの位置をもとに、核の境界が深さ約2,900kmにあると計算しました。
本資料では、シャドーゾーンをつくる地震波の種類、P波とS波がつくる二つのシャドーゾーン、シャドーゾーンが明らかにした外核と内核、そして今日シャドーゾーンが使われている場面まで、順に見ていきます。
地震波が避けて通る場所、地震波のシャドーゾーン
1. シャドーゾーンをつくる地震波
地震が起きると、地下にたまっていたエネルギーが波となって四方八方に広がります。そのうち地球内部を通って伝わる波を実体波といい、シャドーゾーンをつくる主役もこの実体波です。
(1) P波
P波（Primary wave）は、物質が波の進む方向と同じ向きに押されたり引かれたりして伝わる縦波です。最も速いので観測所に最初に届き、固体と液体のどちらも通り抜けることができます。
(2) S波
S波（Secondary wave）は、物質が進行方向と垂直に揺れる横波です。P波より遅く二番目に届き、ねじれに耐えられない液体の中は通れません。
(3) 角度で測る距離
地震学では、震央と観測所の間の距離を、地球の中心から測った角度、つまり角距離で表します。震央が0°、地球のちょうど反対側が180°で、シャドーゾーンの位置もこの角度で示します。
2. P波シャドーゾーンとS波シャドーゾーン
地球の中が端から端まで同じ岩石なら、地震波は地表のどこにでも届くはずです。しかし実際の観測記録には地震波が抜けている区間が現れ、その形はP波とS波で異なります。
- P波シャドーゾーン（P-wave Shadow Zone）：角距離約103°〜142°の帯で、P波が外核の境界で大きく曲げられ、直接届かない地域です。
- S波シャドーゾーン（S-wave Shadow Zone）：角距離約103°より遠い地域全体で、液体の外核がS波を通さないために生じます。
- 屈折（Refraction）：波が性質の異なる物質の境界を通るとき、速さが変わって進む向きが曲がる現象です。
(1) P波が曲がる理由
P波はマントルから外核に入るとき、速さが急に遅くなります。このとき進む向きが内側へ大きく曲がり、103°〜142°の区間を飛び越えて142°より遠い場所に届きます。
(2) S波が消える理由
S波は液体を通れないため、外核に達するとそれ以上進めません。そのため、外核を通らずマントルだけを通って届く103°の内側でしか直接観測されません。
(3) 広いS波の影
結局、震央の反対側の広い地域ではS波が直接観測されません。この広い影は、外核が液体であることの最も強力な証拠となりました。
3. シャドーゾーンが明らかにした外核と内核
人は地球の中心まで直接掘り進むことはできません。これまでで最も深く掘られた穴であるロシアのコラ半島超深度掘削坑も、約12kmで止まりました。そこで科学者たちは、地震波が残した痕跡、特にシャドーゾーンを手がかりに地球の中をのぞいてきました。
(1) 核の発見
1906年、オールダムは地球の中心近くを通ってきた地震波が予想より遅れて届くことに注目しました。彼はこれを根拠に、地球の内側にマントルとは性質の異なる核があると主張しました。
(2) 核の境界の深さ
グーテンベルクは、シャドーゾーンが始まる角度を使って、マントルと核の境界が深さ約2,900kmにあると計算しました。この境界は今日、グーテンベルク不連続面とも呼ばれます。
(3) 内核の発見
1936年、デンマークの地震学者インゲ・レーマン（Inge Lehmann）は、P波シャドーゾーンの中でも弱いP波が記録されることに注目しました。彼女はこれを、液体の外核の内側に固い内核があり、P波をもう一度曲げて送り出した結果だと解釈しました。
4. 今日シャドーゾーンはどう使われているか
シャドーゾーンは教科書の中の古い発見にとどまりません。世界中の観測網が積み重ねてきた地震波の記録は、今も地球内部をより詳しく描くために使われています。
(1) 地球内部モデル
地震波の到着時刻とシャドーゾーンの境界を集めてつくったモデルは、地殻・マントル・外核・内核の深さと性質を数値でまとめています。1981年に発表された予備的標準地球モデル（PREM）が代表的な例です。
(2) 地震波トモグラフィー
病院のCTのように、無数の地震波の経路を重ねて分析すると、マントルの中の熱い部分と冷たい部分を立体画像で見ることができます。これを地震波トモグラフィー（Seismic Tomography）といいます。
(3) ほかの惑星の探査
2018年に火星に着陸したアメリカ航空宇宙局（NASA）の探査機インサイト（InSight）は、火星の地震を記録しました。科学者たちはこの記録から火星の核の大きさを推定し、地球で使ってきた方法をほかの惑星へと広げました。
地球の中を直接見ることはできなくても、地震波が届かない場所はそれ自体が貴重な情報になります。波が消えた場所にも理由があるという単純な考え、それが地震波のシャドーゾーンを理解する第一歩です。
