「地球大紀行」DVD 各巻の補足解説の案 (2001.6.29) 萩谷 宏

 

1.ジャイアント・インパクト説

 

 どのような状態で地球が生まれたのか、その起源については、古くから多くの考えがありました。太陽とともに火の玉として地球が誕生したとする考えから、第二次大戦後は、隕石や太陽大気の研究から、地球の材料物質が比較的低温で凝集したという考え方が主流になりました。さらに、理論計算によって、微惑星の衝突・合体による地球形成という、ダイナミックな地球形成のしくみが明らかになっていった時代に「地球大紀行」はつくられました。

 太陽系の周りを回る、ガスやちりの円盤の内部で、固体物質が集まって直径十数kmの最初の微惑星が無数に誕生します。そして互いの重力で微惑星は衝突・合体して成長していきます。クレーターの研究によって、天体の衝突によって放出されるエネルギーの巨大さと、天体に与える影響の大きさがわかってきました。

 衝突による脱ガスで初期大気がつくられ、衝突の熱で表面が融けてマグマ・オーシャンという状態ができて、そこで二酸化炭素と水蒸気を主とする大気組成が安定になるとともに、高温状態で核とマントルの分離が急速に進行しました。

 微惑星の集積・成長が進むと、最終段階では、非常に大きく成長した原始惑星どうしが衝突することになります。そこでどのようなことが起きるか、1980年代後半から、計算機によるシミュレーション研究が進展しました。その成果のひとつが、月の起源に関するジャイアント・インパクト(巨大衝突)説です。ジャイアント・インパクト説というのは、地球形成の最後の段階で、地球の1/10ほどの質量を持つ天体が、斜めに衝突することで、地球のマントル部分をはじき飛ばし、放出された物質が地球を回る軌道で再集積して、月を形成するというものです。

 アポロ計画での月の調査は、月を構成する岩石の性質について、多くの情報をもたらしました。月の化学組成は、地球に非常によく似ていて、ただし揮発性元素が非常に乏しくなっているという特徴がわかってきました。ジャイアント・インパクト説は、月の岩石のこのような性質を、非常にうまく説明することができます。

 現在の地球の地軸が、公転面に対して23.4度傾いていて、そのために四季の変化が生まれているのも、地球史初期の、このような衝突の結果であると考えられます。

 

2.プリューム・テクトニクス

 

 プレートテクトニクスは、固体地球表層の、様々な地球科学的現象を統一的に説明するものとして、広く受け入れられています。地球表層の大規模な現象を、(地向斜のような)垂直方向ではなく、水平方向での運動を重視することで、非常によく説明できるようになり、大陸移動説の復活にも貢献しました。近年はVLBIGPSなどの手法で、プレートの移動が年単位で実測されています。

 しかし、プレート・テクトニクスで固体地球の動きが完全に解明されていたわけではなく、プレート移動の駆動力や沈み込んだプレートの行方、あるいは大陸分裂や新しいプレート生成の機構などに、未解決の問題がいくつも残されていました。

 近年、地震波トモグラフィーという手法で、マントル全体の地震波速度分布を3次元的にとらえることが可能になり、その成果と、地球内部の条件を再現する高温高圧実験の蓄積などから、プリューム・テクトニクスという考え方が広く認められるようになりました。

 トモグラフィーとは断層写真法のことで、マントル内部の高温部分では地震波速度が遅く、低温部では速いという性質を利用して、人体のCTスキャンと同様に、地震波速度分布の3次元的な姿から地球内部を読みとったものです。これにより、大規模で長い時間をかけた地球の動きが、よりくわしく、精密にとらえられるようになっています。

 この方法で、海溝から沈み込んだプレートが上部・下部マントル境界にいったんとどまり、ある程度たまるとコールドプリュームとなって下部マントルの中を落ちていく様子や、場所によってはその境界を突き抜けている様子も読みとれるようになりました。それは核とマントルの境界からホットプリュームの上昇を引き起こすと考えられ、実際に南太平洋や東アフリカの下には、大規模な低速度(高温)の領域が見られます。

 このようなプリュームテクトニクスの認識は、地球科学の上で大きな進歩をもたらしています。

 

3.酸素の大気

 

 地球には太陽からのさまざまな波長の電磁波が届くが、そのうち紫外線はDNAをこわすはたらきがあり、生命にとって有害な存在です。紫外線は海水によってさえぎることができるので、生命の誕生と初期の進化は海水中で進行しました。

 やがて、太陽の光を利用して光合成をするラン細菌が出現し、海水中に酸素を放出するようになりました。放出された酸素は、海水中の鉄分と結びつき、海底に沈殿することで、大量の縞状鉄鉱がつくられました。現在、鉄鉱石として採掘されるのは、ほとんどが39億年前−16億年前に形成された縞状鉄鉱です。特に2720億年前には、大規模な縞状鉄鉱層が世界各地に形成されました。

 縞状鉄鉱の形成が終了し、大気や海洋中に酸素が蓄積されるようになって、現在の酸素の多い大気の基礎がつくられました。約22億年前には、海中だけでなく大気中にも酸素が供給され、陸上に酸化鉄が形成された証拠が、地層の中に見つかっています。

 海水中の酸素が増えることで、その酸素を呼吸に利用する生物が発展していきました。酸素を用いる呼吸はエネルギー効率が高く、より大型で複雑な構造の細胞をもつ、真核生物が出現するきっかけとなりました。さらに、酸素の増加とともに多細胞生物も進化し発展しました。約11億年前の地層から、多細胞動物の痕跡が発見され、先カンブリア時代末のおよそ56000万年前の地層からは、さまざまな形態の多細胞生物の化石が発見されています。

 古生代に入ると、爆発的な無脊椎動物の進化・発展とともに、脊椎動物の祖先の出現、陸上植物の進化が一気に起こります。これらは、大気や海洋中の酸素濃度の増加が引き起こしたものといえます。

 

 

4.二酸化炭素の固定

 

 海洋形成前の大気圧は400気圧程度と見積もられます。海水が全部蒸発すると、その水蒸気で約300気圧分になります。これに二酸化炭素の量を加えるわけですが、地殻中の炭素や石灰岩の合計で40気圧分、理論計算で60-100気圧分といわれています。理論と地殻のデータが合わないのは、プレートの沈み込みでマントルに持ち込まれた分が大きい可能性があります。

 先カンブリア代の石灰岩の中には、ストロマトライトと呼ばれる、ラン細菌などの生物がつくった層状の構造がしばしば見いだされます。古生代以後には、石灰質の殻を持つ生物が石灰岩をつくり、大気組成にも大きな影響を与えるようになりました。

 先カンブリア時代には、大気中の二酸化炭素の濃度は石灰岩の形成や生物の光合成活動による消費で低下し、そのため地表温度も徐々に低下したと考えられています。氷河記録は27億年前の南アフリカのものが最古ですが、2421億年前には、大規模な氷床が発達した記録が北アメリカに残されています。8-6億年前の氷期は、全球凍結事件としてしられ、生物進化の上でも大きな影響を与えたことが推定されています。

 カンブリア紀初期(約5.5億年前)には炭酸カルシウムの骨格を持ち、生物礁をつくる最初の生物が現れました。次のオルドビス紀中期(約4.7億年前)には、腔腸動物である造礁性のサンゴが出現し、生物礁はより多くの生物が住む場となりました。シルル紀(約4億年前)〜ペルム紀(約2.5億年前)にかけて、サンゴをはじめとする造礁生物が発展し、大規模な石灰岩が世界各地に作られました。

 

 古生代には、オルドビス紀末〜シルル紀、および石炭紀〜ペルム紀に2回の氷期があり、大陸氷床が発達しています。これらの氷床の発達は、大陸移動により極域に大陸があったことと、火山活動の低下や、森林形成や石灰岩形成などを通して、生物が二酸化炭素を消費したことが、寒冷化に影響を与えたことが考えられています。

 また、現在の北アメリカ大陸とユーラシア大陸(ヨーロッパ)の衝突による大山脈の形成が、そのふもとに大規模な湿地帯を形成し、シダ植物の森林に好適な環境をつくり、そこで植物が二酸化炭素を吸収し、その遺体が埋もれて石炭が形成されたことで、デボン紀から石炭紀にかけて、大気中の酸素濃度が急速に増加しました。シダ植物の大森林は、土壌をつくり、昆虫などをはじめとする動物にすみかを提供し、土壌を通じた物質循環のしくみがうまれました。森林の形成により、陸上せきつい動物の進化と発展も可能になったと考えられます。

 

 

5.日本列島の形成

 

 日本列島の地殻は、およそ5億年前から、ユーラシア大陸の東縁に太平洋側のプレートが沈み込み続けてつくられました。沈み込むプレートと共に運ばれてきた、海側のプレートの上にのった地層や岩石、火山島やサンゴ礁の破片などが、大陸側から供給された土砂の中に挟み込まれて、海溝の陸側におしつけられ固まった、「付加体」という構造ができます。

 日本列島は、この「付加体」の構造が基本になっています。その帯状の地層のならびは、特に西南日本で明瞭に見られます。また、プレートの沈み込みに伴って、マグマが上昇して地殻につけ加わり、冷え固まってその体積を増やしていきました。日本各地に見られるかこう岩(みかげ石の石材として用いられる)は、そのほとんどが、およそ1.2億年前〜6000万年前のマグマ活動の産物です。

 このようにして成長した大陸の東縁部分が、2000-1000万年前に、ちょうどいま東アフリカで起きつつあるような、大陸地殻の分裂が起こり、日本海ができて、島弧(列島)として大陸から分離しました。こうして日本列島の主要な部分がつくられたのです。このときの火山活動の地層は、特に東北日本に広く分布しています。

 

 

6.植物の進化

 シアノバクテリアなどの光合成生物が水と二酸化炭素から有機物を合成し、酸素を放出することで、地球大気中の酸素は徐々に増加していきました。陸上は太陽からの紫外線が直接降りそそぐために、生命にとってはきびしい環境であり、地球史の90%の期間は陸上の生物の痕跡が見つかりません。しかし、大気中の酸素が現在の1/10程度まで増加すると、大気中の酸素からオゾン層が形成され、そのオゾンと酸素によって、生命に有害な210nm290nmの波長の紫外線が吸収されるようになりました。約5億年前の古生代カンブリア紀までに、オゾン層による紫外線のしゃ断が実現し、生物は陸上に本格的に進出する足がかりをえたのです。

 陸上への植物の進出は、胞子による証拠からは約5億年前にさかのぼります。42000万年前には、維管束をもつ植物の化石が見いだされ、およそ4億年前には最初のシダ植物の森林が形成されました。陸上生活への適応のために、当時のシダ植物は乾燥に耐える表皮を持ち、維管束により水を上部へ輸送し、また高い身体を支える丈夫な組織をもっていました。胞子による生殖には水が必要であるため、初期のシダ植物は水辺の湿地帯で繁殖していたと推定されます。

 植物の上陸と森林形成は、土壌をつくり消費者、分解者を養うことで、陸上の生態系と物質循環の効率的なシステムを生みだしました。また、植物の遺体が水の中で分解されずに堆積し、地層中に保存されることで、化石燃料である石炭が形成されました。約3億年前(石炭紀後期)には大規模なシダ植物の森林が広がり、世界の主要な炭田が形成されるとともに、大気中の酸素濃度も現在の2倍近くに達したと推定されています。

 裸子植物はデボン紀に出現し、被子植物は白亜紀のはじめに出現したと考えられています。花を持つ植物である被子植物は、昆虫や鳥類、哺乳類との共生関係を生み出し、結果として動物の進化にも大きな影響を与えるようになりました。

 

7.隕石クレーター

 石油会社の重力探査データから、メキシコ・ユカタン半島北部に、巨大なクレーターの痕跡が発見されました。その形成年代が中生代−新生代境界である、およそ6500万年前であることがわかりました。このクレーターの存在が知られるようになって、恐竜絶滅に大きな影響を及ぼしたと考えられる天体衝突イベントが、現実味を持って語られるようになりました。イリジウムが濃集した黒色粘土層からは、衝突によって飛散した地上の岩石の破片なども見つかり、ユカタン半島周辺の白亜期末の地層からは、天体衝突で生じたと考えられる、巨大な津波の堆積物も確認されました。

 また、このような天体衝突イベントは、過去の地球で何度も起きており、それらは陸上動物の大規模な絶滅のタイミングと一致する場合があるという証拠が多数報告されるようになりました。シューメーカー・レビー第9彗星の木星衝突の観測は、天体衝突のすさまじいエネルギーを示しています。地球でも、数千万年に1回程度の確率で、このような彗星や小惑星の衝突が起きると考えられています。

ある生物グループの絶滅は、別のグループの進化や発展とつながり、それ以後の新しい豊富な生物相へと結びつくという側面があります。われわれもまた、地球上で繰り返されてきた天体衝突の事件をくぐり抜け、生き延びてきた生物の一員であるのです。

 

8.ヤンガードライアスイベント

 地球は太陽からの熱を受けていますが、その熱の供給は赤道地方と極地方で大きな差があります。その差を埋めるように、大気の流れや海流、そして水蒸気のもつ潜熱という3つのかたちで、暖かい赤道地方から冷たい極地方へ熱が運ばれています。

 表層の海流は熱を運ぶ役割の点で、大気の流れと共に重要なはたらきをしています。海沿いの地方が冬は温暖で、夏は涼しいのも、海流によって運ばれる海水の保温効果のおかげです。

 近年、深さ数千m〜1万mもの深海に、ごくごくゆっくりとした海水の流れがあることがわかってきました。その流れは、決まった方向を持ち、約2000年で一周する循環をつくっています。この深層水の循環が気候の安定化に重要な役割を果たしていることがわかってきました。

 過去の気候を知る重要な手がかりが、グリーンランドの氷床を打ち抜いた、ボーリングコア資料から得られています。そこには氷期の激しい気候変動や、ヤンガードライアス期と呼ばれる約13000年前の寒冷期の記録が閉じこめられていました。

 融解し、縮小する大陸氷床が残した大量の淡水が、密度が低いために北大西洋の深層への沈み込み口を覆い、そのために深層循環が停止し、北米やヨーロッパでは氷期に逆戻りしたような気候を一時的に経験したと考えられています。 また、この影響は全地球的にも寒冷化を引き起こしたと推定されています。

 最終氷期が終わってから、過去約1万年の間、全体として地球は温暖な環境を維持してきました。深層海流の流れは、きわめて微妙なバランスを保ちながら、それまでにない安定した気候条件を維持してきたのです。

 

9.砂漠の成因分類

 砂漠には厳密な定義はありませんが、非常に乾燥したところを指します。単に降水量が少ないと言うだけでなく、蒸発量とのかねあいで決まるので、地球上の様々な場所に砂漠が発達し、その面積は陸上の1/4を占めます。

 砂漠の発達するところには、次のような条件があります。

 1)内陸であること

 2)山脈の風下側

 3)中緯度(亜熱帯)高圧帯

 4)寒流の沿岸

 例えばサハラ砂漠は3)と1)、アタカマ砂漠は1)、2)、3)があてはまり、タクラマカン砂漠では、1)と2)の条件が当てはまります。

 砂漠には様々な顔があります。砂漠は、風に運ばれる砂がつくる砂丘が連なるような、砂に覆われたところばかりとは限りません。岩石(レキ)の砂漠や、サボテンの生えた砂漠など、様々な風景があります。むしろ、砂だけに覆われたところは面積的には少ないのです。

 砂漠は地球の極限環境のひとつですが、そこにもたくましく生きる生命があります。乾燥・高温に適応した爬虫類や昆虫、数年に一度の大雨の後などに一斉に芽を出し、花を付ける植物や、内部に水を蓄えたサボテンなど、適応の姿も様々です。

 砂をつくるのは、太陽の熱による岩石の風化、そして風の働きの積み重ねです。また、そこに地球の大きな大気の循環が深く関わっています。砂漠の形成には地球の熱輸送の仕組みがあります。また、月や火星など、他の惑星や衛星と異なり、砂漠の星にはならない地球の不思議、土の役割、そして森林が支える陸上生態系を考えます。

 

 

10.熱水、金鉱、石油(さまざまな地下資源)

 

 人類は金属を利用することで、文明を築き上げてきました。青銅器や鉄器文明の時代から、現代の高度情報化社会にいたるまで、文明の基礎を支えていたのは金属資源です。鉱石を掘りだし、製錬することで、必要な金属を取りだし、さまざまに加工しています。

 我々が使っている様々な鉱物資源は、地球ならではの、特殊な濃集のシステムでつくられたものです。それは地球内部の熱を表面に輸送する過程としてのマグマのはたらき、そして表層での水の循環と物質移動のしくみに秘密があります。

 現在、活発なマグマの活動が続いているのは、太陽系の惑星では地球だけです。 マグマができることや、マグマだまりの中で結晶が分別集積することにともなって、特定の元素が集められ、地表付近に運ばれることがあります。また、マグマの熱が地下での熱水循環を引き起こし、高温の水に溶けたさまざまな金属元素が、硫化物などのかたちで熱水の通路や出口に沈澱し、熱水鉱床をつくります。

 さらに、マグマではなく、地表で太陽放射のエネルギーにより大気や水が循環し、地表で風化・浸食・堆積といった作用がはたらくことで、より高濃度に物質を選り分け集めた鉱床もあります。 このように水や大気が効率的に地表を改変しているのも、地球特有の現象です。太陽放射のエネルギーを利用して、生物の作用によりつくられた資源もあります。縞状鉄鉱や、化石燃料である石炭、石油資源などがそれにあたります。これらは太古の光合成生物の活動によって放出された酸素によって海底に沈澱した鉄分や、生物自身の炭素が地層に蓄積され、資源となったものです。

 

11.太陽活動と人類

 

12.地球システム