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大气と海洋の起源
海洋の起源 水惑星の形成と維持 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 希ガス存在量からの制約Brown (1949) Suess (1949) 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」 微惑星から供給される気体:組成 微惑星の組成はよくわからない 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% 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 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 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 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 ハイドロダイナミックエスケープ 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 海洋が存在できる条件 必要な水の量 原始地球?金星?火星の比較 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 二酸化炭素量固定の効果 プレート運動による地球環境の安定化 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 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?
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