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