30億年から40億年前、太陽は現在の明るさの70から80パーセントしか輝いていませんでした。それにもかかわらず、当時の若い地球の気温は高く、研究者らはこれは氷河がほとんど存在しなかったことを意味すると結論付けています。この理由は明らかに強い温室効果でした。新しい研究は、原因となる温室効果ガスはおそらく二酸化炭素であることを示しています。このモデルでは、大気中の CO2 含有量が高いことが、若い地球の高温を説明しています。その一方で、古代の海の温度の計算にも新たな光を当てています。
太陽が今日より最大 30% 弱かったとき、若い地球にどのようにして液体の水が存在できたのでしょうか?若くて弱い太陽のこのいわゆるパラドックスは、何十年にもわたって科学者を困惑させてきました。温室効果ガスは以前にも説明として提案されましたが、以前のモデル計算は矛盾したままでした。たとえば、海の温度に関する未回答の質問の 1 つです。このときの水温の計算は、非常に古い石灰岩と珪岩に含まれるさまざまな酸素同位体の比率に基づいています。重い酸素 18 同位体は、軽い酸素 16 同位体よりも高い水温を示します。古典的な計算によれば、30 ～ 40 億年前の海洋は摂氏 70 度程度の暖かさだったでしょう。
若い地球の気候の新しいモデル
ケルン大学のダニエル・ヘルワルツ率いるチームは現在、新しいモデルを使用して異なる結果を導き出しています。したがって、海水の同位体組成が変化し、それに基づく以前の計算が歪められた可能性が考えられます。このような変化は以前はありそうもないことだと考えられていました。著者らによれば、当時の大気中に非常に多量のCO2が含まれており、それが石灰の形で地球上に徐々に蓄えられていたとすれば、特に重酸素18同位体はこの過程で岩石に結合したであろうという。
「したがって、高い CO2 レベルは 2 つの現象を同時に説明することになります。1 つは地球の温暖な気候、もう 1 つはよく使用される地温計がなぜ熱い海水を示しているのかということです。海水の酸素比率の違いを考慮すると、温度は 40℃ に近くなります」とヘルワルツ氏は説明します。地球上の高温は、理論的にはメタンなどの他の温室効果ガスによっても説明できます。しかし、これらは海水中の酸素同位体には影響を与えなかったでしょう。したがって、他のガスによって引き起こされる温室効果は、酸素地温計が高すぎる温度を提供する理由を説明できません。 「両方の現象は、大量の CO2 が存在する場合にのみ説明できます」とヘルワルツ氏は言います。
大気中の非常に高いレベルの CO2
著者らはモデルを使用して、当時の大気中の CO2 の総量も推定しました。したがって、初期の地球の大気中の CO2 ガスの圧力は約 1 バールで、あたかも今日の大気全体が CO2 で構成されているのと同じくらいです。 「今日、CO2 は大気中の微量ガスにすぎません。それに比べれば、二酸化炭素1バールはとんでもない量に思えます。しかし、約90バールのCO2を含む姉妹惑星である金星を見れば、このことは大局的に理解できるでしょう」と共著者であるゲッティンゲン大学のアンドレアス・パックは説明する。
地球の歴史が進むにつれて、大気と海洋の CO2 含有量は徐々に減少しました。新たなプレートテクトニクスが重要な役割を果たしました。 CO2 の大規模な貯留は、主に陸上で、たとえば石炭、石油、ガス、黒色粘板岩、石灰石の形で可能でした。しかし、誕生したばかりの地球は大部分が海で覆われていたため、炭素の貯蔵能力も限られていました。 「これは、今日の観点から見た若い地球の膨大な二酸化炭素含有量も説明します」と共著者であるデンマークのオーフス大学のトルステン・ナーゲルは言う。 「約30億年前、プレートテクトニクスと炭素を長期間貯蔵できる陸塊の開発が勢いを増し始めたばかりでした。」
プレートテクトニクスによりCO2レベルが減少
その後、プレートテクトニクスにより、山々を伴う大きな陸地が出現しました。岩石が風化すると、CO2 は石灰岩に変換され、永久に結合しました。プレートが互いに押し重なると、結合した CO2 が地球のマントルの奥深くに運ばれました。このようなプロセスの結果、大気中のCO2含有量は急激に減少し、温室効果は小さくなりました。これは、太陽の輝きが同時に増加したという事実によって部分的に補われました。それにもかかわらず、地球では著しく寒さが増し、氷河期がより頻繁に発生しました。科学者らは以前、この冷却は特に当時の大気中の二酸化炭素含有量が高いという理論に対する反論として見ていた。もし CO2 レベルがゆっくりと下がっていたら、地球はもっと長い間温暖な状態を保たなければならなかったでしょう。
しかし、新しいモデルでは、既存のデータが組み合わされて、CO2 が最初は地球の高温を可能にし、その後プレートテクトニクスの出現により大幅に低下したという一貫した状況が形成されています。 「以前の研究では、古代の玄武岩に含まれる石灰分が大気中の二酸化炭素濃度の急激な低下を示していることがすでに示されていました。これは、同時に酸素同位体が増加することとよく一致します」とヘルワルツ氏は言います。 「すべてのことは、大気中の二酸化炭素含有量がプレートテクトニクスの開始後に急速に減少したことを示しています。」 ここでの「急速」とは、この文脈で数億年を意味します。
出典: Daniel Herwartz (ケルン大学) 他、米国科学アカデミー紀要、 doi: 10.1073/pnas.2023617118
