海洋の起源
水惑星の形成と維持
東大・理・地球惑星科学
阿部 豊
海洋形成の3条件
1.H2Oが惑星に供給される
H2Oまたは水素と酸素が供給される
2.H2Oが惑星表面に存在する
惑星内部に閉じこめられたり、
宇宙空間に散逸しない
3.H2Oが液体になる
凍りついたり、全て蒸発したりしない
H2Oの供給
• 地球や惑星の形成過程と密接に関係
地球形成過程
• 原始太陽系円盤の中で微惑星生成
(〜1015kg)
• 微惑星の集積で火星(6x1023kg=地球
の1/10)位の原始惑星生成
– 〜106年くらい
– 太陽系には太陽組成気体が充満
• 原始惑星同士の衝突(Giant Impact)
で地球形成
– 107~108年
– 月形成
揮発性物質の地球への供給
• 2通りの可能性
1.最初から気体で供給:太陽系に充満
していた太陽組成の気体(=水素とヘ
リウムにとむ)の取り込み
2.固体物質として供給:微惑星中の揮
発性成分の取り込み
どちらか?:現在の大気から考えてみる
大気主成分の比
地球型惑星は
CO2主体
地球について海と石灰岩を考慮する
氷衛星は
N2主体
木星型惑星は
H2とHe主体
太陽組成の気体の捕獲
希ガス存在量からの制約
Brown (1949) Suess (1949)
地球大気は
太陽組成に
比べて、
希ガスが極
端に少ない
金星・火星
も同様
隕石と似て
いる
地球型惑星の大気の形成:
希ガスからの制約
• 太陽組成に比べ希ガスが極端に少ない
太陽組成の気体から大気主成分
(C,N,H..)を取り込んだ場合
希ガスだけ減らさねばならない
しかし、これは困難
• 大気主成分は太陽組成気体起源でない
• 固体材料物質から供給されたと考えら
れる
• 大気の「二次起源説」
海と石灰岩を考慮したとき
微惑星から供給される気体:組成
の地球大気ににている
水素やメタンなどの還元
• 微惑星の組成はよくわからない
的な気体も少しある
• 隕石と似たものだと思うと..
– H2O:76.8%、CO2:19.6%、
– CH4:2.6%、H2:0.5% N2:0.5%
0
50
100
H2O
CO2
出てくる気体
CH4
H2
N2
地球大気:
海・石灰岩込
み
微惑星から供給される気体:量
• 微惑星〜隕石(炭素質隕石)の場合
– H20にして平均 0.6% 位含まれる
• 地球の海の質量/地球質量
– 地球の海は地球質量の 0.027% くらい
• 十分すぎる量が供給される
– 10〜20分の1まで減っても問題ない
ではいつ供給されたのか?
• 惑星形成と同時?
• 惑星形成がほとんど終わってから?
• この点については決着は付いていない
• しかし惑星形成と同時に供給されたと考える
方が自然
• この問題については最後にまた触れる
H2Oが惑星表面に存在する条件
• 微惑星に含まれていた気体成分が表面
に出てくる=脱ガス
衝突による脱ガス:衝突脱ガス
• 表面に出た気体成分が惑星から逃げて
いかない= 大気を保持する条件
ハイドロダイナミック・エスケープ
天体衝突で何が起こるか
• 高温高圧の発生
• 岩石の加熱
→ガス成分の放出=衝突脱ガス
→岩石の融解
→岩石の蒸発
衝
突
速
度
と
起
こ
る
現
象
秒速2km位
脱ガス
月くらい
秒速5km位
融解
火星くらい
秒速10km位
蒸発
地球くらい
月以上の大き
さでは脱ガス
が起こる
大気を保持する条件
温度が高いと大気 が逃げる
ハイドロダイナミック・エスケープ
(太陽風と同じ)
温度が高いほど、
惑星が小さいほど逃げやすい
GMm


kTR
 1
ハイドロダイナミックエスケープ
ここに示した温度
以下の時に大気が
保持できる
月以下の質量では
保持できない
本当に長時間保持
できるのは火星サ
イズ以上
ここまでのまとめ
• 気体成分は微惑星によって地球に運び
込まれる
• 運び込まれるのはH2OやCO2が主
• 最大で地球の海の20倍の量の水
• 地球が月くらいになると衝突脱ガスで
地表に出てくる
• 月以上のサイズでは少なくとも一時的
にはこの大気を保持できる
H2Oが液体になる条件
• 地球形成が終わった頃、大量のH2Oと
CO2が地球表面に存在する
• このH2Oはどんな条件が満足されると
液体になるのか
• 液体になれば海ができる
水の3態
• 氷・水・水蒸気=温度と圧力次第
液体の水が存在できる条件
• 温度:273.16K以上647.26K以下
• 圧力:与えられた温度の飽和蒸気圧以上
• 温度は惑星表面の熱収支で決まる
• 圧力は大気量・水の量で決まる
• 放射対流平衡大気モデル (H2O, CO2)大気
超臨界流体
海洋が存在できる条件
液体と気体
二酸化炭素自
身が液化する
全球凍結
太陽放射が小さく
温室効果も弱いの
で全体が氷に覆わ
れる
の区別が付
かない
暴走温室効果
水蒸気自身の
温室効果のた
めに高温にな
り、いくら大
量にH2Oがあっ
ても海が作れ
ない
必要な水の量
原始地球・金星・火星の比較
原始金星には
海があったか
もしれない
45億年前の火星・地球・金星
原始火星に
海を作るのは
難しい
現在の地球
30%反射
原始地球環境
• 海が存在する
• 大気中に大量の二酸化炭素
• 水素やメタンなどの還元的気体も少量
ありそうである→生命材料物質の合
成?
その後の進化:
海を持ち続けられるか
• 2つの要素
1.太陽放射の増大
45億年間に30%明るくなった
2.大気中の二酸化炭素量の減少
海に二酸化炭素が溶解し、石灰岩とし
て固定される
太陽放射の増大の効果
火星は暖かくなっ
図上で惑星は右に動いていく
て水が存在できる
ようになる
地球は海が存在できる
領域にとどまる
金星は暑くなり
すぎて暴走温室
効果が起こり、
海は消滅
二酸化炭素量固定の効果
図中で惑星は下に動いていく
地球も火星も凍り付い
てしまう可能性!!
プレート運動による地球環境の安定化
気温が下がると化学風化が進み、
二酸化炭素固定が弱まり、
火山ガス供給により、
大気中の二酸化炭素が増える
温室効果が強まって
気温が上がる
安定化にはプレート運動が重要
• 地球内部から出てくる二酸化炭素量と
海で石灰岩として固定される二酸化炭
素量が等しくなるような温度が維持さ
れる
• 活発なプレート運動で二酸化炭素が出
てくることで、地球は凍結を免れてい
る
月の影響
• 月がないと、地球の自転軸傾斜は大き
く変わる→ 気候は極端に変化する
23.5度の傾斜の時
45度の傾斜の時
中緯度で夏は50度
冬は零下50度にもなる
まとめ
• 地球形成と同時に脱ガスが起こり厚い
大気ができる
• 地球では放出された水蒸気は海になる
• 二酸化炭素の固定、太陽放射の増大で
金星や火星の海はあっても消滅する
• 地球はプレートテクトニクスによって
凍結を免れる
• 月の存在によって自転軸が安定化し、
比較的穏やかな気候が保たれている
課題
• 地球・金星・火星の違い
– 火星の大きな気候変動と大気散逸
– 金星はもともと水がなかったか?
• プレートテクトニクスの発生条件
– 地球にしかないわけ
• 惑星磁場
– 地球・水星・ガニメデにあり、金星・火星にない
• 原始大気の組成
– 生命が発生できる環境か?
• 系外地球型惑星
– 大気・海洋形成・進化論の一般化
– 生存可能惑星 (Habitable Planets)
惑星形成時の原始大気の問題
• 太陽組成原始大気:いわゆる一次大気
– 円盤ガスの中で惑星ができれば必然的に生成
– しかし、これは地球型惑星の大気ではない
– もともとのKyotoモデルではこれが生成
• 脱ガス大気:いわゆる二次大気
– 微惑星に揮発性物質が含まれれば必然的に生成
– 地球型惑星の大気になりえる
– Safronovモデル(gas-free accretion)ではこれが
生成
修正Kyotoモデルの場合
• 原始惑星段階まで:ガス中集積
• 原始惑星→地球型惑星:ガスなし
(少)
• 太陽組成大気の捕獲も、脱ガスも同時
に起こる、と考えるべき
• 混合太陽組成=脱ガス大気の生成
• これは「二次大気説」に反するか?
混合原始大気組成:予備的推定
100
10-2
Elements/Solar
Protoatmosphere
10-4
Protoatmosphere x 1/25
Venus
10-6
Earth
H, N, C
← 脱ガス大気起源
He, Ne, Ar
← 太陽組成大気起源.
Kr, Xe
← 両者の寄与
Mars
-8
10
10-10
1H 12C 14N 20Ne 36Ar 84Kr130Xe
混合大気は太陽組成の気体を多く含むが、
「二次大気」の制約に矛盾はしない
→よりシンプルな大気形成論の可能性
Gas Species
0
10
H2
CO
He
H2O
•When the atmosphere
is equilibrated with
metallic iron
•H2, He, H2O,CO,N2.
•The atmosphere is
rather reducing.
10-2
CO2
Mole Fraction
N2
Ne
10-4
NH3
CH4
Ar
10-6
10-8
Kr
Xe
10-10
0.0001
0.001
0.01
CI Component/Planetary Mass (DE)
0.1
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大気と海洋の起源