海があり、陸地があり、植物や動物がひしめきあっている地球――
私たちが当たり前のように享受しているこの星の環境は、実は４６億年かけて生み出された「すごすぎる仕組み」だった・・・！
地球の成り立ちから現在までの変化を壮大なスケールで眺め、物質循環という「非常にシンプルな原理」で解説した地球科学の新しい入門書『地球４６億年 物質大循環』から、そのポイントをお伝えしたい
※本記事は、月村勝宏著『地球４６億年 物質大循環 地球は巨大な熱機関である』(ブルーバックス)を抜粋・再編集したものです
地球が水の惑星となった謎
地球は、地球以外の岩石の惑星(水星、金星、火星)に比べるとたくさんの水があります
それはいったいなぜなのでしょうか？
少し詳しく見てみましょう
水星や金星には極微量の水しかありません
水星の表面温度はマイナス１７０℃から４３０℃と広い範囲にあるので、水は固体・液体・気体のどれにもなりえますが、水星にはどの状態の水もほとんど見つかっていません
いっぽう、金星の表面温度は４６４℃もあるので、水は気体(あるいは超臨界流体)であり、金星大気の水蒸気圧は０．０００２バールと水はごくわずかしかありません
火星には、水が少しだけあります
火星の平均表面温度はマイナス５６℃なので水は固体または気体となっています
火星の地表には若干の氷が見つかっています
また、火星にはかなりの量の含水物質(粘土鉱物)が発見されています
しかし、温度が低いので水蒸気圧は０．００００２バールと低くなっています
いっぽう、地球には他の地球型惑星に比べるとたくさんの水があります
地表の７１％は海水で覆われており、その平均の水深は３７２９ｍにもります
この海水が地表にある水の９６．５％を占めています
そして、地下水として１．７％、氷河として１．７４％の水があります
その他に、湖水や河川水や大気中の水蒸気などがあります
このように地球型惑星のうち地球だけに、なぜ多量の水があるのでしょうか？
地球近傍の宇宙空間では、水は氷ではなく気体となっています
氷であれば凝集して大きくなるので地球の引力で引きつけることができますが、地球の重力で気体の水を引きつけることはできません
それにもかかわらず、地球には多量の水があります
そこで、次に、地球にある多量の水はどのようにして地球に集まったかを見ていきましょう
地球で水はどのようにできたか
地球に水が集まった理由についての最も有力な説は、隕石中の粘土鉱物中にある水が地球の水の起源になっているというものです。実際に地球に落下した隕石を観察すると、たくさんの水を含む粘土鉱物(蛇紋石、緑泥石、滑石、サポナイト、モンモリロナイト)があります
これらは、低温で水と反応してできた鉱物です
たとえば、蛇紋石は、かんらん石と輝石と水が反応することでつくられます
水蒸気分圧が１０のマイナス７乗付近だとすると、この粘土鉱物は８０℃以下で安定に存在します
逆に、８０℃以上になると水を含む蛇紋石ではなく、無水のかんらん石と輝石が安定になります
ナノ粒子の粒間にある水が地球の水の起源になった可能性もあります
宇宙空間での気相から固体が凝集することを模した実験では、ナノ粒子ができています
また、現在の地表にたくさんあるナノ粒子は、粒間に多量の水を含んでいます
ナノ粒子は、数ナノメートルほどの粒状の物質で、ナノ粒子とナノ粒子の間に水が入っています
このナノ粒子は非晶質のために分析が困難であり、最近になって地球の表面にも多量に存在することがわかってきました
このようなナノ粒子が地球に降り注ぎ、多量の水を地球にもたらした可能性もあります
粘土鉱物は地球や火星の近傍では安定ですが、水星や金星の近傍だと温度が高いために不安定になります
したがって、水星や金星の近くでは粘土鉱物は少ないと考えられます
また、ナノ粒子の粒間にある水も温度が高くなると気体となって出ていくために、水星や金星の近傍だとナノ粒子の粒間に水をあまり含みません
あるいは、スノーラインの外側でできた氷が地球の軌道に飛んできたという説もあります
しかし、地球近傍では温度がマイナス８０℃よりも高いので氷は気体に変化してしまい、地球の重力で気体の水を引きつけることはできないと考えられます
以上から、地球と火星には温度が低いために、水を含む粘土鉱物やナノ粒子が多量に集積し、水星や金星には温度が高いために水を含む粘土鉱物やナノ粒子がほとんど集積しなかったと考えられます
この結果、水星と金星には水がほとんどなく、地球と火星には水が集積したのです
なぜ火星には水が少ないのか？
ここで疑問が出てきます
それは、地球に比べて火星表面には少量の水しかないことです
なぜ地球の表面に多量の水があり、火星の表面に水があまりないのでしょうか？
それは火星が地球の１０分の１ほどの質量しかないからだと考えられます
地球は大きいので重力も大きく水が地球から逃げず、火星は重力が小さいので水が火星から逃げたと考えられます
気体の惑星からの逃げやすさの程度は、気体分子の分子量から推定できます
あたりまえのことかもしれませんが、分子量が小さいと逃げやすく、分子量が大きいと逃げにくいのです
分子量が小さい水素分子は、どの地球型惑星からも宇宙に逃げてしまいます
分子量が大きい二酸化炭素は水星のようにサイズが小さく温度が高い惑星だと宇宙に逃げてしまいますが、金星、地球、火星くらいのサイズになると宇宙に逃げずに惑星に残ります
水の場合はどうでしょうか
水は、水素と二酸化炭素との中間の分子量なので、地球には残りましたが、重力が小さい火星からはほとんどが宇宙に拡散してしまったと推測できます
これが、地球には水が多量にあり火星には水があまりない理由です
実際に、火星から水が宇宙空間に拡散したという証拠があります
それは、火星のアルゴン(Ａｒ)の同位体が、地球のアルゴンに比べて重くなっていることです
アルゴンは、化学反応を起こさないので、化学反応によって同位体比が異なる物質ができません
火星のアルゴンの同位体が重い原因は、アルゴンが宇宙に拡散したためとしか考えられません
軽い同位体のアルゴンのほうが重いアルゴンよりも高くまで飛ぶので、宇宙に拡散しやすいのです
この結果、軽いアルゴンが宇宙に拡散すると、火星に重いアルゴンの割合が増えるのです
火星のアルゴンが重いことはアルゴンが宇宙に拡散したことを表しているのです
火星では水よりも重いアルゴンでさえ宇宙に拡散するので、アルゴンよりも軽い水はもっと宇宙に拡散しやすいことになります
地球にある多量の水が、地球の運命を決めたと言えるでしょう
水は地球内部の物質の粘性を低くして地球内部の対流を促進させました
この地球内部の対流が地表の物質を循環させました
その結果、地表の物質は熱い場所や冷たい場所を循環するようになりました
そして、熱い場所や冷たい場所でそれぞれ安定になるように反応したのです
また、水は物質を溶かして移動させたり、物質の反応を加速させたりします
この結果、地球には大陸ができ、生命が誕生し、鉄や銅などの資源が濃集したのです
地球の物質大循環には、揮発性物質である「水」の存在が大きくかかわっているのです
（この記事は、現代ビジネスの記事で作りました）
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１．地球の歴史を「３つの時代」に分けたら・・・４６億年間で最もインパクト大だった「意外な出来事」が浮かび上がった
地球の歴史は「３つの時代」で考えると分かりやすい
地球の歴史は、大きく３つの時代に分けるとわかりやすいでしょう
第一は、４６億年前から３８億年前までの巨大隕石（惑星や微惑星）が何度か落下した時代です
第二は、３８億年前から５億４０００万年前までの、ゆっくりと大陸が成長した時代です
第三は、５億４０００万年前から現在までの生命大進化の時代です
それぞれの時代で、特徴的な物質の変化がありました
第一の時代には、巨大隕石が地球に度々落下しました
巨大隕石が落下すると地表の温度は上がって、岩石の海（マグマオーシャン）ができました
マグマオーシャンは、表面の岩石のすべてが液体になっている場合もありますが、液体に固体が混じっている場合もあります
このように、地球表面の岩石の全部または一部が溶けている状態を「マグマオーシャン」といいます
そのころの地球は、マグマオーシャン、および水素、水、メタン、二酸化炭素、硫化水素、アンモニアを主成分とした大気で覆われていました地表が１０００℃付近まで冷えてマグマオーシャンが固まり地殻となると、マグマオーシャンに溶けていた水素、水、メタン、二酸化炭素、硫化水素、アンモニアも大気に吐き出されました
そして、水素が宇宙に拡散すると、メタンは二酸化炭素となり、アンモニアは窒素となって、大気には水と二酸化炭素と硫化水素と窒素が残りました
さらに温度が低下すると大気は海と大気とに分離しました
しかし、巨大隕石が再度落下すると地殻はまた溶けてマグマオーシャンとなります
そして海も消滅しました
地球は、巨大隕石の落下のたびに、このように高温から低温になる変化を繰り返しました
巨大隕石が落下しなくなると、地表に地殻と海と大気を残して第一の時代は終了しました
生物の「爆発的進化」はどのように起きたのか
第二の時代になると、巨大隕石の落下もなくなり、地球は冷えた状態でゆっくりと変化しました
生命が海嶺の地下で誕生し、海でゆっくりと進化しました
そして、大陸がゆっくりと成長し、海底には鉄が沈殿して縞状鉄鉱床ができました
この時代には、鉱物資源やウラン資源が海底や地下にできていました
第三の時代は、植物が上陸することにより始まりました
植物の上陸は、植物の光合成活動を活発にして、大気の二酸化炭素濃度を減少させ酸素濃度を増加させました
二酸化炭素濃度の減少は、大陸地殻の成長を鈍化させ、酸素濃度の増加は生物の進化を加速させました
この時代の地球を遠くから見ると、ほとんど変化していないように見えたかもしれません
しかし、近くで実際に見れば、生物が爆発的に進化していることがわかったでしょう
また、この時代になると、植物や動物の死骸を原料とした、石炭や石油などのエネルギー資源が地下に蓄積されていきました
以上が、地球史における「もっとも重要だった変化」の概観です
私たち人類の登場など、地球にとっては瞬きにも満たない、ごくごく一瞬の出来事なのです
２．かつて、地球の大気は「二酸化炭素」で満ちていたが・・・なぜ消えたのか？それは、地球温暖化の「真の原因」にも関わる話だった
大気から消えた二酸化炭素のナゾ
水につぐ第二の揮発性物質は二酸化炭素です
しかし、かつて二酸化炭素は今よりずっと濃密に大気中に満ちていたことをご存じでしょうか
マグマオーシャンがあったとき、メタンや二酸化炭素は一部が大気にあり、一部がマグマオーシャンに溶けていました
地表が固化しマグマオーシャンが消滅すると、マグマオーシャンに溶けていたメタンと二酸化炭素は大気に排出されました
マグマオーシャンがあったときおよびマグマオーシャンが消滅した直後に、水素は宇宙に拡散したために、メタンは水に酸化されて二酸化炭素となりました
そして、マグマオーシャンが消滅した直後にメタンは大気から消滅し、すべてが二酸化炭素になりました
このとき、大気中の二酸化炭素は約４３バールあったと推定されます
この値は、現在の堆積物や岩石や海水や大気に含まれている炭素のすべてが初期地球の大気に二酸化炭素として存在したとして計算したものです
地球温暖化の真の原因は？
二酸化炭素は温度低下とともに、大気と海にどのように分配されたかを見てみましょう
大気中に排出された二酸化炭素は、地表の温度が３７４℃よりも高いとき、超臨界状態にある水と共存していました
地表の温度が臨界点（３７４℃）より少し（たとえば３７０℃くらいに）低下すると、海に溶けた二酸化炭素の割合は１１％くらいになりました
海に１１％ほど溶けている状態が１００℃くらいまで続きました
これは、温度低下で海の量は増えたのですが、二酸化炭素の溶解度が温度低下で低くなったために海への溶解量はほとんど変化しなかったからです
１００℃より温度が低下すると、海への溶解量が増え始めました
４３バールもあった二酸化炭素は、温度が１５℃まで低下すると、３４％が海に溶けました
人間が排出した二酸化炭素が原因で地表の温度が上昇しているといわれています
しかし、海水中にある二酸化炭素と大気中にある二酸化炭素の総量が一定であった場合、海水の温度が上がれば大気中の二酸化炭素濃度は上がり、海水の温度が下がれば大気中の二酸化炭素濃度は下がります
現在の地球は、海水の温度が上がったので、大気中の二酸化炭素濃度が上がったとも考えられます
３．地球だけに生命が存在できるようになったのは一体なぜか・・・「死せる惑星たち」と「地球」を分けた「シンプルな要因」
地球とはどんな惑星か、考えてみよう
地球は、人類にとって快適な環境や有用な資源に恵まれています
そしてそれらは長い時間をかけてかたちを変えながら循環してできたことをこれまで見てきました
これは、太陽系惑星のうちで地球だけの特徴です
地球だけがどうして、このような特徴を持っているかを考えてみます
地球だけが「物質循環」している
地球は、太陽系惑星の中で特異な存在です
地球には、大陸と海があり、大気に多量の酸素があり、生命が誕生して進化し、エネルギー資源や鉱物資源が濃集しています
これらは、地球の４６億年間の歴史の中で、少しずつできてきました
いっぽう、地球以外の他の惑星は、惑星ができたばかりの４６億年前の頃からほとんど変化しておらず、地球のように快適な環境や有用な資源がありません
地球が変化を続けている生きた惑星であるのに対して、太陽系の他の惑星は、言うなれば「ほとんど変化のない死んだ惑星」なのです
地球だけが変化し続ける惑星になった理由は、「地球と太陽からの距離」および「惑星の大きさ」がちょうどよかったことにあります
地球型惑星は太陽に近いために岩石の惑星となったので、熱源となる放射性元素（カリウム、トリウム、ウランなど）が多量にあり内部で熱を発生させることができました
いっぽう、木星型惑星や天王星型惑星は、太陽から遠いために氷の惑星となったので、熱源となる放射性元素が少なく内部で熱をほとんど発生することができませんでした
つまり、内部の熱対流の原因となる熱源が地球型惑星にはあって、木星型惑星や天王星型惑星にはほとんどなかったのです
熱源がほとんどない木星型惑星や天王星型惑星は、内部で熱対流を起こさないのです
地球型惑星には熱対流の原因となる熱源はありますが、熱源があるだけでは熱対流は起きません
熱対流が起きるためには内部の粘性が低く（軟らかく）なければなりません
地球の内部は、他の地球型惑星に比べて粘性が低いのです。それは地球内部に水がたくさんあることによります
水があるとケイ素―酸素―ケイ素の結合が加水分解して切れるので、マントルの粘性が低くなるのです
地球型惑星のうち、地球だけに多量の水があった理由を簡単に復習しておきます
地球の水の起源は宇宙空間にあった含水ケイ酸塩鉱物だと考えられています
この含水ケイ酸塩鉱物は、水星や金星近傍の軌道では温度が高すぎて不安定であり、水を吐き出して無水のケイ酸塩鉱物になってしまいます
このために水星や金星には含水ケイ酸塩鉱物が降り注いでこないために水が集積しませんでした
いっぽう、地球や火星の近くの宇宙空間は温度がやや低いために含水ケイ酸塩鉱物があり、これらの鉱物が地球や火星に集積したために、地球や火星には多量の水が集積したのです
それではなぜ地球に水が多量にあり火星には水が少ししかないのでしょうか
それは、地球はサイズが大きく重力も大きいために水分子はあまり宇宙空間に拡散しなかったのに対して、火星はサイズが小さく重力も小さいためにほとんどの水が宇宙に拡散してしまったからです
このように、地球に多量にあった熱源と水は、地球に生きる力をあたえました
地球内部（マントル）の熱源と水によって、地球のマントルは熱対流したのです
つまり、熱エネルギーを運動エネルギーに変換することができたのです
そして、マントルの熱対流が、地球の表面にある物質を循環させているのです
（これらの関連記事は、月村勝宏著『地球４６億年 物質大循環 地球は巨大な熱機関である』（ブルーバックス）を抜粋・再編集したものです）
（この記事は、講談社のホームページの記事で作りました）
地球が生命の惑星となったのは関連記事の「３．地球だけに生命が存在できるようになったのは一体なぜか・・・「死せる惑星たち」と「地球」を分けた「シンプルな要因」」でも記載されているように「太陽と地球の距離」が大きいと思う
関連記事は、書籍「地球４６億年 物質大循環 地球は巨大な熱機関である」を抜粋・再編集したものだが、私自身も「太陽と地球の距離」「太陽の恩恵」が大きいと考える
それについては、本ブログの関連記事「デス・スターのような土星衛星「ミマス」の地下に海が存在！？地球外生命体の可能性を探る」記事本文の感想でも述べている
地球が「水の惑星」「生命の惑星」となった要因を解説