地球誕生の頃は、太陽の光が弱かったにもかかわらず、なぜ温暖な気候だったのでしょうか?天体物理学者は、太陽に似た星を研究することで、太陽の光度が数十億年にわたって増加したに違いないことを知っています。約25億年から38億年前の始生代には、私たちの母星の明るさは今日の約75パーセントしかありませんでした。同等の条件下では、地球上の平均気温は約 26 度低く、水のほとんどは凍って氷になっていたでしょう。一方、地質学者らは先史時代の岩石から、先史時代の地球では気温が氷点下を超え、広大な海が押し寄せていたことを読み取った。 40年前、米国の天文学者カール・セーガンはこの矛盾を指摘し、強い温室効果が働いているに違いないと示唆した。それ以来、科学者たちは、これで本当に説明が十分なのかという疑問に取り組んできました。さて、コペンハーゲン大学のミニク・T・ロージング率いるチームは、科学雑誌『ネイチャー』で「若い太陽の淡いパラドックス」に対する別の解決策を提案した。これによると、主に若い地球のより低い逆放射が原因だったという。穏やかな気温につながりました。最も重要な影響要因は、現在よりも大陸の面積が小さく、大気の透明度が高いことです。しかし、温室効果の役割は減少しつつあります。
2 年前、ドイツ航空宇宙センターの科学者たちは同様の結果に至りました。フィリップ・フォン・パリ率いるDLRの研究者らは、原始下層大気の放射と混合を記録したモデル計算を用いて、おそらく氷点以上の温度を確保するには約0.3パーセントの二酸化炭素で十分であることを発見した。これは現在の二酸化炭素レベルの10倍に相当しますが、他の研究者の推定値をはるかに下回っています。彼らはかなり高い値を仮定していました。二酸化炭素による気候のパラドックスを説明するには、その含有量は今日のレベルより少なくとも 70 倍高かったはずです。
温室効果仮説に対する反対意見は長い間提起されてきました。それらのほとんどは、当時温暖化の原因であると言われていた温室効果ガス候補候補に向けられたものでした。たとえば、セーガンが導入したガスであるアンモニアは、太陽の紫外線によって分解されます。メタンも限られた範囲でしか使用できません。二酸化炭素が存在すると、有機物質のミストが形成され、ガスエンベロープが加熱されるのではなく冷却されます。そして、水蒸気も温室内で活動しますが、水に凝縮する可能性があるため、説明できる温度差が増加します。
古代の鉱石からのメモ
最新の研究では、研究者らは初期大気のモデル計算と地質学的および生物学的影響因子を組み合わせて、必要な二酸化炭素の量をさらに絞り込んだ。いわゆる縞状鉱石（始生代の海からの鉄を含む堆積岩）の分析が中心的な役割を果たします。磁鉄鉱と菱鉄鉱、つまり特殊な酸化鉄と炭酸鉄という鉱物が含まれています。原始の大気と海洋はガス交換によって結びついていたため、大気中の二酸化炭素濃度の限界は、海水中に形成されるミネラルからも導き出すことができます。
二酸化炭素はわずか3倍
その結果、古代の空気を温めたのは約 0.09 パーセントの二酸化炭素であると言われており、これは現在の値の 3 倍にすぎません。二酸化炭素レベルが高くなると、他のミネラルが優先的に形成されるでしょう。著者らによれば、メタンもほぼ同じ濃度で温室効果に寄与しているという。それは主に、いわゆるメタン生成装置から大気中に侵入しました。これらの単細胞生物の代謝では、水素と二酸化炭素からメタンが生成されます。彼らの子孫は現在、下水処理場や海底の「ブラックスモーカー」の中で暮らしている。遺伝子研究によると、初期の生物圏ではメタン生成者が優勢でした。原始の大気にはまだ酸素がなかったため、強力な温室効果ガスは今日よりもはるかにゆっくりと分解されました。おそらくこれが、メタンがかなり高いレベル（現在：0.00018 パーセント）まで蓄積できた理由でしょう。
重要な点は、数十億年前、地球は主に水の世界に似ていましたが、当時は大陸がはるかに小さかったということです。これにより、暗い海洋での放射線の吸収が増加しました。研究者らはまた、始生代の進化ではまだ光合成を「発明」していなかったということも考慮に入れていた。したがって、植物も藻も存在しませんでした。これにより、雲形成の重要な凝縮核源である硫黄の酸化生成物が除去されました。それは、生物の代謝産物である酸素と酸素の両方が不足していたからです。したがって、液滴が少なくなり、その結果、ガス外囲器内に浮遊する雲も少なくなり、雲の寿命も短くなりました。全体的に大気の透明度が高く、吸収効果がさらに高まりました。ミニク・ロージングのモデル計算によると、これらの影響の合計により、この若い惑星に継続的なプラスの気温が引き起こされました。
研究者らが先史時代の地球の状況をシミュレートするために使用するモデルは、当然のことながら、現実を簡略化して表現したものです。 「多くのモデル計算は、地球の平均気温を0度以上に上昇させることに満足しています」とフィリップ・フォン・パリスはコメントする。しかし、地球全体の氷河化を防ぐには、さらに約 5 ～ 8 度の温度上昇が必要です。これは、たとえば、氷の覆いに関連する複雑な相互作用によるものです。つまり、氷が増えると冷却反射が増加し、その結果、氷の面積がさらに大きくなります。 「このようなプロセスを 1 次元モデルの計算で表現するのは難しいため、多くの研究者は達成が容易な 0 度の限界を使用しています」と DLR の専門家は説明します。同氏は、地球規模の気候モデルを用いた三次元シミュレーションなど、さらなる手法の改善により、残された不確実性が解消されることを期待している。 ■
トルステン・ダンベック著
