氷河期は何故起こるかの最新の科学的エビデンス(2)

大気が左右する気温
 テレビの天気予報や宇宙からの映像を見て我々は地球大気の厚さを勘違いしてしまう。地球の大きさに比べて我々が生活する大気はどれほどかを考えてみよう。
 交通機関が止まったので徒歩で帰宅しなくてはいけない時が首都圏で2011年3月11日の夜に起きた。ま、しょうがないから歩いて帰ろうと考えた人は職場から自宅までどれほどの距離だったろうか。我々は8km先まで歩くことを余儀なくされてもなんとか2時間程度で目的地に到達する。
 では、水平に進んだ8kmを垂直に立ててみよう。高度8kmだ。そこはチョモランマの山頂に近く酸素の量が平地の1/3で普通の人が酸素ボンベ無しでは生きられない世界だ。わずか8kmである。
 地球を直径1mの風船として、大気はサランラップ1枚にも満たない厚さになる。対流圏(高度10km)までの空気の体積は一辺2000km四方に収まる。実際には1気圧に換算するとこの1/4以下。つまり一辺1200km四方に収まる量だ。四国以南を除いた日本列島が入る四角い箱をイメージしてもらえばその量が解るだろう。普通の直径20cm程の地球儀にその四角を置くと1cm角のサイコロ程度だ。
http://www.sciencephoto.com/のホームページにその様子を図示したものがある原図はここ
左が水をかき集めた場合。
右が大気をかき集めた場合のイメージ図

 つまり、大気とは地球を覆う卵の殻よりも薄い層だ。そして総量もそんなに多くない。地球に存在する水(水酸基等は除く)の総量よりも少し多い程度だ。まずこれをしっかりと覚えておこう。
 この少量の大気中の温暖化ガスが変化することにより地球に氷河期が来たり回復したりする。そのメカニズムは以外と単純だ。
 炭素巡廻メカニズムと表現される。

22億年前の氷河期
 実は明確な理由は解っていない。その当時の地層や岩石があまり見つかっていないのが大きな理由だが、あくまで推測でしか無い。ひょっとしたら今後新たな研究やエビデンスの発見によって新しい理論によって覆されるかもしれない。
 当時の地球の大気はCO2とメタンが主成分であった(諸説ある)。メタンはCO2の21〜72倍の温室効果を持つ気体である。地球上に現れた細菌やバクテリア(これは宇宙由来の可能性が高い)の中で突然変異した光合成細菌、シアノバクテリアがCO2を取り込んで太陽光で合成し生活エネルギーにしていた。この時に分解されたCO2から酸素が放出され、この酸素とメタンが反応して急激にメタンが減少する。
 メタンは現在の地球環境と違い動植物から補給(排出)されない。唯一火山の噴火しかメタンの増加を行えるものは無い時代であった。よって、現在より太陽光が弱かった(70%)時期に、酸素により消費されたメタンは再生されることも無く、温暖化効果が薄れ気温が下がり氷河時代に突入し全球凍結に至ったと考えられる。
 この氷河期が回復した理由もよく解っていない。全球凍結で今まで海で暮らしていた主流のメタン菌が死滅し、大量のメタンハイドレードが形成され、それが火山活動の活発化で気体化して再度温暖化効果を発揮したのではと考えられている。しかし、シアノバクテリアによる酸素でやがてメタンは消滅していく。CO2はシアノバクテリアに取り込まれるがそれでも残って温暖化効果を発揮したと考えられる。この時代はまだ地球大気に酸素が増え始めた時期で酸素は希少価値だったのであらゆるものを酸化していった。
 その後、ストロマトライトが大繁殖して大気中のCO2を分解し、酸素は大気中に、炭素は地中に固定されていく。地球の大気はCO2が激減し、酸素が気体として存在する大気に変化していく。やがて極限までCO2が消費された地球は温室効果ガスを失い再度氷河期を迎える。これが7億年前の氷河期の始まりとなる。しかし、この頃までには酸素を取り込んで生活エネルギーにする真核生物が発生してくる。これが後の生物の種となる。

7億年前の氷河期
 今度はCO2を失って氷河期に突入するのだが、この氷河期からの回復は前回より複雑だ。まず前回の氷河期との違いは地殻変動の活発化から巨大大陸が分裂を始めることである。
 生物は海で発して陸に上がるので巨大大陸が分裂すると海岸線が増える。海岸線の長さが増えると浅瀬の生活圏面積が増え生物の繁殖地域が増大する。これが生物の多様性を増進する。最初に有った巨大大陸は大半の土地が海から遠いために砂漠地帯だが、ここが海岸線に変わることにより大半が海で暮らしていた生物に浅瀬を提供し、浅瀬は酸素に富んでいるので生活圏が面的に拡大する。
 また、地殻変動により火山活動が活発になり大気中のCO2が増える。億単位の時間をかけて1kmにもおよぶ海氷の層を作った氷河期もいったん氷が低緯度地方で溶け始めると陸地は太陽の熱を吸収するので一気に温暖化する。およそ1000年で回復し、平均気温は40度を超える状態に突入したと考えられる。この時にもメタンハイドレードが温暖化を加速したと考えられている。
 大陸が分割されると雨(CO2を含んだ弱酸性の雨)による陸地の岩石の化学反応による成分の溶解が行われる。その物質が川を伝って海に流れ込み海にカルシュウムイオンを提供する。一方、海水に溶けたCO2は海中でイオン化し両者が合わさって炭酸カルシュウム等が形成される。今度は生物によらないでCO2が炭酸塩岩として空気中から取り出される仕組みが活発になった。火山がCO2を吹き出しても雨と海がCO2を吸収し蓄積して空気中から取り除く構造が出来上がった。
 また、これ以降の地球では大陸移動に起因する氷河期が繰り返される。それは、一番最初に書いたように地球のどの緯度に大陸があるかによって氷河期(全球凍結はその後起きていない)が決まる。氷床が大陸の上で育つと太陽のエネルギーを反射して地球全体が冷える。冷えると大気中の水蒸気が減って先の雨と海によるCO2の固定が出来なくなる。だから大気中のCO2gが増えて温室効果で地球の気温があがる。を繰り返すことになる。
 また、7億年前の全球凍結で生物は火山地帯や熱水鉱床周辺で生き残り、狭いテリトリーで繁殖するので突然変異が進み、初めて酸素消費型生物(最初は単細胞程度)が発生し、これが氷河期の終了ともに爆発的進化(変化)を遂げたと考えられる。
 カンブリア期の多細胞生物の化石を見ると、なんで、こんな生物を神様は作ったのかと思われるものが多いが、これは突然変異が爆発的に起きた証拠だろう。
 これ以降、氷河期は繰り返し起きているが、全球凍結のようなドラスティックな生物界の変革は以後、恐竜絶滅くらいしか起きていない。

学問を横断する地球環境科学
 気象学者が起きるはずが無いと予言した全球凍結の氷河時代。地質学者が不思議に思っていた炭酸塩岩の定期的地層の存在。何故か大型生物の化石が5億年以前に存在しない謎。
 実は宇宙の摂理が答えでは無く、全部地球で起きたことが原因で引き起こされた事象だったのだ。仮説を立ててそのエビデンスを探す。この繰り返しが高校生だった40年前には考えられなかった答えを私に導き出す。
 今回、新たな氷河期への知見を探したのは、NASAの火星探査機キュリォシティからの写真を見たからだ。火星には明らかに水が存在した痕跡がある。地層が出来るためには風化した岩石が水に運ばれ沈殿する必要があるが、まさにキュリオシティの正面にそびえる山には地層がある。では、その水は何処に行ってしまったのだろう。
 地球が初期段階(たぶん38億年前)にジャイアント・インパクトで月を生み出したような衝突が火星にもあったと考えられる。マントル対流が無いと思われる火星では、造山運動が無く、オリンポス山は外部からの衝突で反対側が膨らんだとしか考えられないからだ(仮説だが)。
 地球に起きたことは隣の火星でも金星でも起きて不思議は無い。とりあえず地球45億年の手前側7億年くらいは何が起きたか解ってきた。あとは、他の惑星から知り得たことを地球に当てはめるエビデンスの発見だろう。
 アポロ衛星が月に行って岩石採取や地震計を取り付けたことにより長年の論争だった月生成の謎はジャイアント・インパクト節に落ち着いた。
 また、月のクレータの大半は火山活動では無くて隕石の衝突であることも他の衛星を観測することにより解ってきた。
 キュリォシティは長年の論争の何に終止符を打ってくれるのだろうか。
 最後に、地球温暖化防止策として工業的CO2排出規制を考えているが、この矛盾点はここで書いたように地球全体の炭素サイクルから見て微々たるものであることを次章で書いておくことにする。


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2012.09.05 Mint