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原地球が凍らなかった理由

暗い太陽のパラドックスへの手がかりをタイタンがにぎる



11:55 04 January 2013 by Sara Reardon


水素と窒素は冷たい太の効果を鈍らせたかもしれない (Image: WestEnd61/Rex Features)

我々の太陽系の非常に初期の、太陽が現在より冷たかった頃には、地球は一つの氷の塊だったはずだ。それなのに始原地球は水の惑星だった。この「暗い若い太陽」のパラドックスは何十年にもわたって研究者たちを悩ませてきた。しかし今、土星の衛星の一つの外見が新しい解決を示す。

地球が存在して最初の20億年の間、太陽は現在より最大で25パーセント暗く、地球の平均気温を最大で25℃低くしていた。しかし地質学的証拠はこの時期の地球は、地表の平均気温がおよそ-10℃だったはずなのに、液体の水があったというものだ。

シカゴ大学のロビン・ワーズワース(Robin Wordsworth)と同レイモンド・ピアハンバート(Raymond Pierrehumbert)の2人は土星の衛星タイタンを調べてこのパラドクスを解いた。太陽からはるか遠くにあるにもかかわらず、タイタンにはその地表に液体がある――液体の水は見つかっていないが。それはタイタンの大気中の水素と窒素の濃度が高いためだ。気体がとても高い気圧下にあるためそれらの分子が絶えず衝突し、温室効果ガスとよく似た、太陽エネルギーを捕らえる化学反応を引き起こしている。

ワーズワースとピアハンバートは水素と窒素に富んだ大気が太古の地球上でも同じ効果を起こすかどうかを確認するためにミュレーションを作った。彼らのモデルによると、地球の初期に水素が大気の10パーセントを構成し、窒素が現在の濃度の2倍か3倍存在した場合、地球の地表の平均気温は10から15℃高くなるという。

火山の役割
ワーズワースは水素と窒素の水準が実際にそれほど高かったという地質学的証拠が少ないことを認めるが、いくつかの因子がそのような大気を作った可能性があると話す。水素は火山によって大気へと吹き出される。研究者たちのモデルは始原期に放出されていた水素の量が現在と似ていたと仮定しているが、太古の火山はもっとたくさんの水素を出していただろう。その大気は、酸素の水準が低く水素がそれと結びついて水になることが少なかっただろうから、現在より多くの水素を保持できたと思われる。そして水素を消費する微生物は稀であり、それらの増殖は養分の欠乏によって制限されていた。

このモデルは良い、とNASAエイムズ研究センター(カリフォルニア州モフェット・フィールド)のクリス・マッケイ(Chris McKay)は話す。だが彼は窒素と水素の水準がそのような高さだったことを示すには強い証拠が必要になる、ともつけ加えた。水素をメタンに変換する細菌はとても効率的であり、すぐに大気から水素のほとんどを抜いてしまっただろう、と彼は話す。

ワーズワースとピアハンバートの研究はScience誌に載り、ペンシルヴェニア大学(ユニヴァーシティ・パーク)のジェイムズ・カスティング(James Kasting)によるコメンタリーが添えられる。カスティングはこのモデルの研究結果が外惑星の生命への示唆も持つと話す。惑星の大気中に高濃度の水素があれば、たとえ寒冷でその太陽から遠くとも、生命を住まわせることができたことを示すだろう。

雨滴の謎
しかし新しいモデルは地球の初期の年代にさかのぼる一連の化石化した雨滴の痕を説明できない。これらの痕のサイズは雨滴が我々のものと同様の大気を通って素早く落ちた示す。温室効果ガスで濃くなった大気を通ると雨滴はゆっくりになっていたはずだ。

水素は軽いため、雨滴は暗い太陽のパラドックスの解決として提示されている、CO2やメタンなどの温室効果ガスを通るよりも、素早く通過するだろう、とワーズワースは話す。だが、彼のモデルが要求する水素と窒素の濃度は雨滴痕と調和するには雨滴を遅くしすぎただろう。

NewScientist
Titan holds clue to faint young sun paradox
Sara Reardon, 11:55 04 January 2013

原論文
Robin Wordsworth and Raymond Pierrehumbert
Hydrogen-Nitrogen Greenhouse Warming in Earth's Early Atmosphere
Science 4 January 2013: Vol. 339 no. 6115 pp. 64-67
DOI: 10.1126/science.1225759
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