第8 9回 うちゅうのがっこう...
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惑星形成論と比較惑星学 ～我々はどこから来たのか，我々は何者か～ 第8・9回 うちゅうのがっこう 北海道大学 理学部 4年 松岡 亮／Matsuoka Ryo
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惑星形成論と比較惑星学～我々はどこから来たのか，我々は何者か～
第8・9回 うちゅうのがっこう
北海道大学 理学部 4年松岡 亮／Matsuoka Ryo
• イントロダクション（今日の目標）
• 惑星を作った物質
• 惑星の形成
• 太陽系の進化
• 地球の歴史
• 参考文献
目次
イントロダクション
「本来の目的」の確認太陽系分野のまとめと補完をする．
補完したい内容・用語惑星形成論，太陽系の歴史，比較惑星学，潮汐力，小惑星と隕石の対応 などなど．
惑星を作った物質
http://chigaku.ed.gifu-u.ac.jp/
太陽系最古の物質
太陽系の古い物質は？
サンプル 年代
ヌブアギドゥク片麻岩 42億8000万年前
ジャックヒルのジルコン 44億年前
月高地斜長岩 45億1000万年前
コンドライト隕石 45億6500万年前
年代測定法
放射性核種が娘核種に崩壊する過程は確率過程→放射性原子の個数の時間発展は指数関数で表現される．
娘核種や親核種の初期量と現在の量を調べれば，系が閉鎖してからの時間（年代）がわかる．
𝑃 は親核種量， 𝐷 は娘核種量，𝑡は時間，𝑇𝐿は半減期，添え字の0は初期値
年代測定法
年代測定法 親核種 娘核種 半減期
ウラン－鉛法 238U235U
206Pb207Pb
44.68億年7.038億年
カリウム－アルゴン法 40K 40Ar 12.48億年
炭素14法 14C 14N 5730年
隕石年代学や惑星地質学では，U-Pb法やK-Ar法を使う．
炭素14法は考古学等で用いられる．
隕石の分類
隕石
・石質隕石 ケイ酸塩が主成分の隕石
・鉄隕石（隕鉄） 鉄合金が主成分の隕石
・石鉄隕石 石質隕石と鉄隕石の中間の隕石
石質隕石・コンドライト
・エコンドライト
種類が少なくて覚えやすいネ！
石質隕石
コンドライト・コンドリュール組織が見られる・金属鉄を含む
エコンドライト・地球の岩石によく似た組織・金属鉄は全く含まれない
http://www.encyclopedia-of-meteorites.com
NWA6704（achond.）
http://www.zeiss.co.jp
Coolidge隕石（chond.）
http://new.meteoris.de
NWA801（chond.）
エコンドライトと地球の岩石
http://www.encyclopedia-of-meteorites.com
NWA6704（achond.）秋田県ニノ目潟レルゾライトかんらん岩
鉄隕石
ウィドマンシュテッテン組織数百万年間，高温高圧環境を経験して生じるNi結晶の模様
http://www.meteorite-recon.com/portfolio_page/taza
Taza隕石（鉄隕石）
Fe-Ni合金（カマサイト，テーナイト），FeS（トロイライト）などから構成される．
Henbury隕石（鉄隕石）
http://www.encyclopedia-of-meteorites.com
石鉄隕石
http://www.psrd.hawaii.edu
Brenham隕石（石鉄隕石）
石鉄隕石と鉄隕石の中間．ケイ酸部分と鉄合金部分は完全に分離している．
Esquel隕石（石鉄隕石）
https://commons.wikimedia.org
コンドライトの解釈
• 全岩組成的にコンドライト = エコンドライト + 鉄隕石．• コンドライトには鉄がまんべんなく存在．→エコンドライトや鉄隕石はコンドライトから作られる．
• コンドライトは球粒組織（コンドリュール）が存在．→コンドライトは無重力下で形成された．
コンドライトは一度も「惑星」になったことがない始原的物質だっ
たんだね！
隕石の起源
コンドライト
衝突合体
溶融・分化
エコンドライト鉄隕石 石鉄隕石
コア コアーマントル境界（CMB）
地殻・マントル
分化天体
コンドライトに含まれるもの
http://www.zeiss.co.jp
Coolidge隕石（chond.） コンドリュールコンドライトに見られる球粒状構成物．無重力下での溶融によって生じ，表面張力で球型になった．
揮発性成分が残っているため，一時的かつ急激な加熱を経験？
CAI形成の100-300万年後に形成．
コンドライトに含まれるもの
http://rockon-ro.tumblr.com
NWA6603 CAI（難揮発性包有物）原始太陽系星雲から直接固結した物質．白色．
年代は45.67億年前 (Amelinet al. 2002)．
太陽系最古の固体物質．
CAIはCa-Al rich Inclusionの略だ
よ！
その他の構成物としてマトリクスがある．マトリクスはプレソーラー粒子を含むことがある．
コンドライトの種類コンドライトは大きく3種類に分けられる．
炭素質コンドライト（Cコンドライト）有機物や炭化物に富む．含水しているものもある．普通コンドライトよりも低温の環境で形成．
普通コンドライト（Lコンドライト）珪酸塩が主成分のコンドライトで，カンラン石に富む．
エンスタタイトコンドライト（Eコンドライト）珪酸塩が主成分のコンドライトで，エンスタタイトに富む．普通コンドライトよりも高温の環境で形成．
コンドライトの組成
http://www.istone.org
コンドライトの非揮発性成分は太陽組成と一致．→惑星と太陽は同一起源．
惑星形成論と恒星形成論の対応を示唆．
ALMA
惑星の形成
太陽が生まれるところ
分子雲星間雲の中でも特に濃い領域平均1000/cm3程度，温度10 K
分子雲コア分子雲の中でも特に濃い領域数万/cm3以上，質量~10Msolar0.1-0.01光年オーダーの直径
約46億年前：分子雲形成
HST
分子雲コアの崩壊
分子雲コアは重力的に不安定で重力崩壊を起こす．
揺らぎの原因• 星間ガスの衝突• 星間衝撃波
太陽系を作った分子雲コアは超新星起源衝撃波が揺らぎの引き金になったかもしれない．→核種異常
45億6700万-6600万年前：分子雲コア収縮開始，CAI形成
ゆらぎ 重力増大高密度化
収縮
原始太陽系円盤の形成
分子雲コアは収縮に伴い回転速度が上昇（角運動量保存則），回転で平板化し，原始太陽系円盤へ．中心部は落下エネルギーが熱に変わり，原始太陽が輝き始めている（Li燃焼開始し，T-Tauri型星となる）．
サイズは0.01光年（数百AU）程度，数千万年程度安定する．
重力遠心力
合力
太陽
http://photojournal.jpl.nasa.gov
Mineral ダスト
Mineral ダスト + Ice ダスト
Hayashi (1981)
ダストの分布
スノーライン（雪氷線）…水が固体で存在する境界
乱流期のダスト循環
ダストが円盤赤道面に集積→衝突頻度増大し，ダストが数mm-数cmにまで成長．→星雲ガスの抗力で軌道エネルギーを失い，内側へ落下．
𝜌はガス密度，𝑆は粒子断面積，
𝐶𝐷は抗力係数，𝑣はガスに対する速度
抗力の式
抗力は速度ベクトルの逆方向に働くことに注意しよう！
円盤内縁へ移動したダストは，原始太陽へ落ちずに，双極流で吹き飛ばされ，外縁へ移動．
乱流期のダスト循環
http://www.spacetelescope.org
HH40の双極流
最初期はこのプロセスでダストが維持されていた．
圦本・倉本 (1998)
CAIとコンドリュールの形成双極流ダスト循環の最中のダスト変成・CAI形成 45億6700万年～45億6600万年前・コンドリュール形成 45億6500万年前この時期は原始太陽が古典的T-Tauri星（CTTS）の段階．
CTTS初期のガス円盤中心星の活動で円盤内縁は強く加熱される．→ダストは難揮発性成分を残して蒸発．
これがCAI
CTTS後期のガス円盤中心星の活動低下で円盤内縁は温度低下．→ダストは蒸発せず溶融（X-Windモデル）．
これがコンドリュール
コンドリュール形成には衝撃波加熱が働いたとする説
もあるよ！
惑星へ至る道の困難分子雲コアの収縮停止→太陽への物質流入停止，活動低下．CTTSから弱輝線T-Tauri型星（WTTS）へ進化．
WTTSには双極流がないため，ダストは太陽へ落下を始める．
落下のタイムスケール：20cmのダストで最も短い1AUの位置からだと90年で落下！
数10cm～数mのダストは落下しやすいため，ダストは成長途中ですべて消えてしまうことになる．（ダスト落下問題）
重力不安定モデル
重力不安定モデルダスト密度が臨界点に達すると，自己重力で崩壊して，ダストが成長．
ゆらぎ 重力増大高密度化
集積
一気にkmサイズにまで成長できるが，ガスの細かい乱流があると困難．
連続合体成長モデル
連続合体成長モデル低密度の氷ダストの集積と圧縮によるダスト落下回避．
片岡 (2014)
微惑星の形成
45億6300万年前ダスト成長し，kmオーダー天体の形成（微惑星）．初期に形成された微惑星はコンドライト質．
微惑星は衝突合体して更に大きな微惑星へ．大きな微惑星の一部は内部が溶融，分化した．
エコンドライト，鉄隕石，石鉄隕石の形成
http://pics-about-space.com
微惑星の姿小惑星と彗星，幾つかの衛星：微惑星の生き残り
(C) Eric Hartwell
微惑星の姿
NASA
隕石との対応
コンドライト種 天体種 天体例
普通コンドライト S型小惑星 イトカワ，多くのアステロイド内縁小惑星
炭素質コンドライト C型小惑星 マティルド，リュウグウ，ベンヌ，多くのアステロイド外縁小惑星
Tagish-Lake 隕石（特異炭素質コンドライト）
D型小惑星（？） 火星衛星，アステロイド外縁小惑星，多くのトロヤ群小惑星
エンスタタイトコンドライト E型小惑星 シュイテンス，アンジェリーナ
鉄隕石，石鉄隕石 M型小惑星 プシケ，ルテティア
HED隕石（エコンドライトの一種）
V型小惑星 ベスタ
C型，D型小惑星は，海洋や生命の起源となったと考えられている．
原始惑星，惑星への成長
45億5800万年前微惑星の暴走成長→1000kmオーダーの天体の形成（原始惑星）
スノーラインの内側→数十個の火星サイズ原始惑星同士の軌道交差・衝突によって各惑星形成．
http://astronomynow.com
地球，金星は8～10の原始惑星で作られたが，火星は原始惑星そのものだと考えられている．
スノーラインの外側→豊富な材料物質により5地球質量以上の原始惑星形成，原始太陽系星雲ガスを取り込み，ガス惑星，大型氷惑星形成．
原始惑星，そして惑星へ
このとき，T-Tauri型星の強い恒星風で原始太陽系星雲は散逸しつつあった．→星雲取り込みのタイミングで各惑星の質量が決まった．
特に，大型氷惑星は，ほとんどのガスが散逸してから形成．
http://www.maths.qmul.ac.uk
周惑星円盤での衛星形成
ガスの取り込み→周惑星円盤を形成．
周惑星円盤内でダスト・微惑星が成長・合体→大型規則衛星の形成
ガリレオ衛星やタイタン，エンケラドスなどはこのようにして形成されたと考えられている．
木星型惑星は「ミニ太陽系」をなしていた．
惑星の形成はここまで．しかし，まだ現在の太陽系には程遠い．
To be continued…（あと45億年）
http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~keikei/lecture/atmphys1.pdf より改変
惑星の進化
現状まとめ
・隕石の起源の説明・地球型惑星，木星型惑星，天王星型惑星の作り分け・木星と土星の作り分け
天王星型惑星の成長の遅さ（～数十億年）天王星型惑星をコンパクトな軌道で作って移動するプロセ
スが必要．各地球型惑星の作り分け地球，金星，火星を分けたものは何か．地球を地球たらしめるものは何か．
今日の流れ
淡々と，地球型惑星の進化をメインに話をする．
途中，天王星型惑星の移動についての話あり！（注意せよ）
問題
火山噴火に際して，火山ガスと呼ばれる気体が大量に放出されます．以下の物質で，火山ガス中に最も多く含まれるものはどれでしょう．
1. 二酸化炭素 CO2
2. 二酸化硫黄 SO2
3. 水蒸気 H2O
4. 硫化水素 H2S
地下水起源の水蒸気もあるが，マグマから出てくる水もある．
flickr Kevin Gill
惑星の進化～水惑星の誕生～
原始惑星からの始まり
原始惑星の形成：微惑星の暴走成長大きな微惑星が周囲の微惑星に支配的重力を及ぼし，一部のみが原始惑星に一気に成長．
原始惑星は数が少なく，それらの間の距離は大きい．→最初は原始惑星間の衝突は起きず，周囲の微惑星を取り込んでゆっくり成長（寡占成長）．
月サイズ原始惑星であれば，周囲の原始太陽系星雲を重力で引き込める．
原始惑星が形成された時は，周囲に原始太陽系星雲ガスをまとっていた．→一次大気
原始惑星の大気
一次大気原始太陽系星雲ガスの集積と原始惑星からの脱ガスで生じた大気．太陽組成に近い．→H, Heに富む濃い大気．
H, Heは軽いが，最初は散逸しない．→原始太陽系星雲の背景圧 (back pressure) があるため．
惑星大気，地球大気は宇宙までずっと続いていて，境界はなかった．
脱ガス成分
とは？高温の岩石ないしマグマからガスが揮発して出てくること．
この頃の脱ガスは天体衝突による加熱で生じた（衝突脱ガス）．
CO2 CO CH4H2O H2N2 NH3
※酸化還元度はあくまで相対的な指標
酸化的 還元的
脱ガス成分元素の供給には炭素質コンドライトや彗星核が大きな寄与を果たした．
・酸化還元度の度合いで各元素の主要な動態が異なる．
・温室効果気体を含む場合が多い．
初期の脱ガス成分
原始惑星表層：初期は分化が進んでおらず，鉄が存在．→初期の脱ガス成分は還元的．
CO2 + Fe → CO + 0.5O2H2O + Fe → H2 + 0.5O2CO + 2H2 + Fe → CH4 + 0.5O2
O2はFeに結合する酸素を表す
初期脱ガス成分はCO, H2, CH4, N2が主流
ただし，鉄量減少に伴って，この酸化還元度は変化していく．
アンモニアができるほど還元的ではなかった．
マグマオーシャン
マグマオーシャン惑星の内部では，大規模な分化が起こり，表層の鉄が減少（コア／マントル分離）．
衝突エネルギーと温室効果で原始惑星はほぼ全溶融していく（マグマオーシャン）．
http://1x57.com/b/astronomers-discover-a-close-new-planet-covered-in-oceans-of-magma/と地学図表より
やがて酸化的な成分（H2O, CO2）の脱ガスが始まる．
大気の進化
二次大気（脱ガス大気）…脱ガス成分のみからなる大気．
星雲ガスが散逸すると，背景圧が消失する．→軽い成分（特にH2, He）は散逸を始める．
一次大気の散逸は，主に流体力学的散逸で成された．
星雲ガス中のマグマオーシャン原始惑星の大気大気 = 星雲ガス + 脱ガス成分 = H2 + He + H2O + N2 + CO2.
星雲散逸後のマグマオーシャン原始惑星の大気大気 = 脱ガス成分 = H2O + N2 + CO2.あるいは，大気全消失（原始水星）．
水星は元から無大気の可能性も
有る．
海洋の形成微惑星の枯渇による原始惑星の寡占成長停止（この頃火星サイズ）．→天体衝突フラックス低下によって，表面の加熱は停止．
流入エネルギーが300 W/m2以下になれば，液体水存在可能．
この頃の太陽放射が200 W/m2だったので，地殻熱流量が100 W/m2以下になれば海洋が
形成される．
地殻熱流量は現在の1000倍！→惑星内部は殆ど全溶融．「ごく薄い地殻の上の熱い海洋」という描像．
原始海洋的な温度の水に飛び込もうとする上島竜兵
http://thetv.jp/news_detail/41981/image219430.html
金星~火星領域の原始惑星で海洋形成，大気はN2, CO2主体へ．
原始惑星の衝突
原始太陽系星雲ガスの消失と木星重力，原始惑星間重力によって，原始惑星は真円軌道を維持できなくなり，軌道交差．→ジャイアント・インパクト期に入る．
地球と金星数回~10回のジャイアント・インパクトを経験．複数回，岩石圏全溶融状態に．（もちろん海洋は全蒸発）
火星ジャイアント・インパクトを一度も経験していない可能性．
ジャイアント・インパクトによって，揮発性が低いH2Oが濃縮される．
月の形成
45億1000万年前地球の月の形成…最後のジャイアントインパクトで．
火星サイズ原始惑星「テイア」が浅角で衝突．→原始地球マントル起源のデブリ円盤形成．
月の核が小さいことと調和．
http://blog.livedoor.jp/xcrex/archives/65502453.html
デブリ円盤内でmth~yr オーダーで集積して月ができた．
水惑星の誕生
ジャイアント・インパクト期ののち，温度低下によって，金星・地球・火星に海洋形成．
金星の様子温暖な海．大量の水蒸気と二酸化炭素が大気中に存在．
地球の様子ほどほどに温暖な海．二酸化炭素を海中に溶かす．大気の主成分は窒素．
火星の様子ジャイアント・インパクトを経験していないため，水の濃縮は進んでいない．寒冷な海は二酸化炭素を海中に溶かす．大気の主成分は窒素と二酸化炭素．
水惑星の誕生
金星・火星を地球化してみたら…
wikimedia.org flickr Kevin Gill
水惑星の誕生
金星・火星を地球化してみたら…
wikimedia.org flickr Kevin Gill
これらの惑星がどのような歴史をたどるのかは後ほど
惑星の進化～水惑星から生命の惑星へ～
最初はしばらく地球に主眼を置くよ
http://www.mls.eng.osaka-u.ac.jp/~bio_ext/kenkyu/hyperthermo.html
生命が生まれたのはいつ？Bell et al. (2015) オーストラリア・ジャックヒルの
ジルコン中の炭素片（41億年前）…最古の生命の痕跡の可能性
「地球生命は40億年前頃に生まれたらしい」ということしかわかっていない．
生命の起源の種々の説を概観してみよう．
生命を作った有機物
炭素質微惑星に含まれている複雑な有機物はジャイアント・インパクトですべて分解されてしまう．→惑星形成後に有機物を作る／供給する過程が必要．
ミラーの実験強還元型大気と原始海洋中での放電実験でアミノ酸合成．→アンモニアを含む原始大気は否定されている．
有機分子ビッグバン仮説天体衝突による有機物の直接の供給と洋上衝突場での有機物合成．→アミノ酸や核酸塩基の合成に成功．
有機分子ビッグバン仮説
http://gendai.ismedia.jp/articles/-/39261
http://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20150818-3651.html
洋上隕石衝突場→高温・高圧・鉄・水
模擬実験で核酸塩基，アミノ酸の生成を確認
元々はレイトベニア仮説の一環として提唱された．
生命は深海から
http://www.seibutsushi.net
水の層はシールドの役割を果たす．…太陽UVから分子を守る
海底熱水噴出孔（チムニー）地下から熱水が噴き出ているところ．冷却によって，熱水に溶けていた金属が沈殿して黒鉛と煙突状構造物を形成．
触媒（金属），熱源（熱水），シールド！ここには何でもある！まるで一つの(ry
生命は深海から
http://spanishminerals.com
パイライトワールド説表面代謝説の一種．パイライト表面での発エルゴン反応系が閉じたものが生命の起源．イソプレノイド（古細菌細胞膜）を作ることができる．
ゴミ袋ワールド説原始海洋中の多くのガラクタ分子（一部は触媒能を有する）を詰め込んだ袋が生命の起源．
その他の説
RNAワールド仮説触媒能を有するRNA分子（リボザイム）による複製・代謝が生命の起源だとする説．ただし，リボースの合成と，RNAが熱に弱いことが難点．
プロテインワールド仮説タンパク質・ペプチド代謝系から核酸の複製系が生じたとする説．ただし，ランダムペプチドから都合の良い酵素群が生まれることは統計的に考えづらい．
これらを組み合わせた試行錯誤が実現していたかもしれない．
では，生命は海洋形成後，穏やかな地球環境の中で
ゆっくりと育まれたのだろうか．
そんなわけないじゃん♫残念でした♪
太陽系規模の大変動の時代に，生命は誕生したんだよ！
大変動を記憶する月月のクレーター密度とルナ・アポロ試料年代の相関
30数億年前以前にクレーター形成率が多かった（？）
諸田 (2014), 衛星系研究会より
大変動を記憶する月
月隕石：http://chigaku.ed.gifu-u.ac.jp/chigakuhp/html/kyo/chisitsu/inse/lrb/01.html月のガラス：「宇宙・未知への大紀行」第1話
月土壌のガラス球ガラス形成年代が38億-41億年前に集中．40億年より古いガラス球が少ない．
月隕石の溶融物40億年より古い溶融物が少ない．
大変動を記憶する月
ガラス球や溶融物が意味するもの．→天体衝突の痕跡．
http://www.dinosaur.pref.fukui.jp
テクタイト天体衝突で生じたガラス（インパクトガラス）．月のガラスや溶融物はこれに相当．
41億-38億年前，月（おそらく地球も）に大量の天体が降り注いだ．
これを後期重爆撃（LHB : Late Heavy Bombardment）という．
どんな衝突が起こった？
大衝突と海洋全蒸発
地球で想定されている衝突LHB初期に400 km程度の天体が数回衝突した．
地殻津波－衝撃波で周囲の地殻を粉砕．
岩石蒸気重力流－数千-1万度の岩石蒸気を全方位に流出．全球を覆い，海洋全蒸発と地殻表層全溶融を引き起こす．
海洋が再び回復するまで数千年のオーダーがかかる．
なぜ、太陽系形成後しばらくたってから天体爆撃が起こったのか？
1. 惑星の大移動（ニースモデルなど）―木星や土星の大移動で小天体が散乱された
2. 「第五惑星」仮説―かつての「第五惑星」が小天体を散乱した
3. 天王星型惑星が原因とする説―天王星と海王星の形成時期が遅いことによる
後期重爆撃の原因
2:1軌道共鳴土星公転周期が木星公転周期の二倍
ニースモデル：数値計算
軌道の不安定化→木星・土星が移動して軌道が楕円に
木・土の移動で天・海の軌道が大きく変化海王星の外側にい
た天体は重力で散らされる
ニースモデル：数値計算
海は天よりも外に弾き飛ばされる
ニースモデル：数値計算
ニースモデル：数値計算
・天王星型惑星の起源と質量逆転
・共鳴EKBO，トロヤ群，D型小惑星の起源
・後期重爆撃期
ニースモデルで説明可能かもしれないこと
内側に散乱された天体たちは地球型惑星領域へ！！
後期重爆撃
ニースモデルの有用性
カイパーベルト天体海王星軌道を帯状に取り巻く天体
名前 公転周期 海王星比
冥王星 247.5 1.498
イクシオン 247.5 1.498
オルクス 247.9 1.500
フヤ 248.1 1.502
1999TC36 247.3 1.497
1994JR1 246.1 1.489
2003AZ84 249.9 1.512
冥王星族天体( 3:2共鳴 )は海王星移動の証拠の可能性
天文年鑑2014を基に作成
海王星移動の痕跡
LHBと太陽系天体
クレーターと衝突盆地形成．LHB後，Mare volcanism誘発．月の「海」形成．
クレーターの割れ目から，玄武岩質溶岩が流出し，海を形成した火成活動．
プロセラルム盆地（wikimedia.orgより）
LHBと太陽系天体
水星水星の地殻は40～41億年前に形成．→全表面がLHBで溶融してリセット，誘発された火山活動で地殻が形成された．
他にも，ガニメデとカリストの環境差などはLHBと関連があると考えられている．金星への影響については後述．
LHBと生命
LHBはレイトベニアの有力な候補．→LHBで生命を形作る有機物の起源を説明してもよい．
一方で，LHBが「最初の大量絶滅」であったとする考え方もある．
http://www.mls.eng.osaka-u.ac.jp/~bio_ext/kenkyu/hyperthermo.html
なぜ好熱菌か？―LHBを生き延びた可能性
好熱菌だけが生き残り，現生生物へつながった？https://www.kek.jp/ja/NewsRoom/Highlight
s/2011/10/19/image_01.png
地球生命の共通祖先は好熱菌だと考えられている
LHBと生命
地球はLHBすらも乗り越えて，生命の惑星となったが，ほかの水惑星はどうだろうか．
水惑星がたどった道
金星がたどった道
金星は太陽に近く，もともと温室効果ガス（水蒸気と二酸化炭素）が多かった．→暴走温室効果状態に．
水蒸気発生 温暖化
蒸発
大気中に放たれた水蒸気は，紫外線で光分解．2H2O + hν → 2H2 + O2水素は宇宙へ散逸．酸素は？
水惑星がたどった道
酸素は岩石に吸着し，酸化させる．
火山れんが
LHBによるImpact gardeningで大気と土壌が混合．かなり効率よく酸素を吸着．
→金星は乾燥した惑星になる．
LHBが無ければ，酸素の吸着に何十億年もかかってしまうよ．
水惑星がたどった道火星がたどった道
しかし，コア対流がうまくおこらないため，磁場がない．
磁場が無ければ，吹き付ける太陽風から大気を守ることができない．特に，火星は重力が小さいため，大気・海洋はどんどん散逸（現在も散逸中らしい）．
NASA
火星海洋は，惑星が低温であることと小さいことから，LHBを生き抜いた可能性がある．
水惑星がたどった道
結局，火星海洋は20億年程度で完全に消滅したと考えられている．
低温のため，半分の水は凍ったまま．→テクトニクス活動が不活発で，温室効果ガスの脱ガスがないため，温暖化が起こらない．
wikimedia.org
水惑星仮説
地球は「生きている惑星」・生命の存在 （生物学的なactivity）・プレートテクトニクスの存在 （地質学的なactivity）・磁場の存在 （電磁気学的なactivity）
何故こんなにも活発なのだろうか？→これらは「水」で説明できるかもしれない．
この仮説を水惑星仮説という．
テクトニクスと水
・水の存在はマントルを軟化させる．→マントル対流を駆動させやすくする．
・水はマントルの融点を降下させる．→マグマの形成，火山活動の活性化．（e.g. 日本列島）
プレートテクトニクスと水
マントル対流が活発になれば，コアが外から冷やされ，コア対流も促される．→磁場形成．
京大「地球の営み1」講義資料より
惑星の進化～現在の地球へ至る道～
Himawari-8
問題
多細胞生物が登場したのはどれくらい前？
A. 6億年前
B. 16億年前
C. 26億年前
D. 36億年前
地球史45億年
冥王代…地球環境の土台が形作られた時代．生命の誕生．
太古代…生命の誕生から真核細胞生物登場までの時代．
原生代…真核細胞生物登場からマクロ生物登場までの時代．
顕生代…マクロ生物の登場．絶滅と進化の時代．
地学図表
太古代～原生代：酸素と生命
太古代の大事変：Great Oxidation Event (GOE，25億年前)
32億年前光合成生物の出現27億年前地球磁場形成シアノバクテリアの大量発生
海中・大気中の酸素濃度急増．海中Feイオンが沈殿し，酸化的海洋の形成．これをGOEという．
http://australia-sydney.seesaa.net
太古代～原生代：酸素と生命24-22億年前：ヒューロニアン氷期酸化的環境の実現によってメタン（温室効果ガス）減少アイス・アルベド・フィードバックを経て，全球凍結状態へ．
氷床拡大 アルベド増大
気温低下
Wikimedia.org
実際は，大陸の存在やその配置も寒冷化に大きく寄与したと考えられている．
太古代～原生代：酸素と生命
地学図表より
縞状鉄鉱GOEでの海中鉄イオン沈殿で生じた特殊な化学堆積岩．Fe3+に富む．
太古代～原生代：酸素と生命
大気中酸素濃度上昇→オゾン形成
オゾン層の存在は生物圏を地表に近づけるために好都合
太古代～原生代：酸素と生命
海中酸素→20億年前まで増大を続ける．
生物相は古細菌・化学合成細菌・酸素利用細菌・光合成細菌に分かれている．
古細菌
化学合成細菌
酸素利用細菌
光合成細菌
細胞内共生説・真核細胞生物の母体：古細菌？・酸素利用細菌（リケッチア？）と共生
→ミトコンドリア・光合成細菌と共生
→葉緑体
太古代～原生代：酸素と生命
25-20億年前：真核細胞生物の登場
http://csls-db.c.u-tokyo.ac.jp
顕生代：絶滅と加速する進化
何度かの全球凍結を乗り越えた生命は，多細胞化．顕生代へ．
顕生代の3つの代
・古生代（5.41-2.52億年前）－前期は魚類の時代．後期は動物植物共に陸上進出を果た
し，両生類とシダ植物の時代．
・中生代（2.52-0.655億年前）―爬虫類と裸子植物の時代．後期は被子植物が発展．
・新生代（0.665億年前-現代）―哺乳類と被子植物の時代．ヒトの出現．
顕生代：絶滅と加速する進化
ビッグ・ファイブ+α⓪ クライオジェニアン① オルドビス期末② デボン期末③ ペルム紀末④ 三畳紀末⑤ 白亜紀末⑥ 新生代第四紀完新世
ペルム紀末では全海洋生物の科の9割以上が絶滅（最大の大量絶滅）．白亜紀末では恐竜類が絶滅．
大量絶滅後は生物多様性が増大しているように見える．
地学図表
顕生代の大量絶滅の要因
・天体衝突白亜紀末・三畳紀末？
・超新星爆発デボン期末？
・大規模火成活動（LIPs）ペルム紀末・三畳紀末？
全くバラバラな要因であるが，小さい絶滅事変も数え上げると，顕生代の大量絶滅は2600-3000万年の周期がある？
Melott & Bambach (2010), MNRAS
周期的大量絶滅の様々な仮説
ネメシス仮説（惑星X仮説）約3000万年周期の太陽の伴星（あるいは惑星）によるオールトの雲の擾乱
鋭い周期性を説明できないが，「プラネット・ナイン」発見の期待から，除外はできない．
http://www.astroarts.co.jp/news/2008/04/14c1995_o1/index-j.shtml
周期的大量絶滅の様々な仮説
銀河系との相互作用
惑星地質ニュース 1998, Vol10
周期的な銀河面通過・重力源との遭遇→天体衝突増加・超新星遭遇率増大
銀河系との相互作用を考えると，より長い周期の気候変動や，従来説明できなかった火成活動の活発化も説明できる可能性がある．
銀河宇宙線の増大→雲形成→寒冷化が，銀河腕通過のたびに起こる（宇宙気象学）．
Shaviv (2002), arXiv
෨𝐺 → 𝑒− + 𝑒+（グラヴィティーノ崩壊過程）
銀河ダークマターの崩壊熱を考慮すれば，火成活動も説明可能？
大量絶滅のコントロール
・銀河系内での太陽系の位置
・グッドジュピター仮説木星が天体衝突リスクを下げているという説．
cf. シューメーカー・レヴィ第9彗星
生命を根絶やしにせず，なおかつ進化を促す程度に大量絶滅を起こすには，絶妙なコントロールが必要．
NASA
まとめ
• 隕石や他天体サンプルと理論（物理）から，太陽系の歴史が詳細に議論されている．
• 惑星環境の多様性は，形成過程に依るものとその後の進化に依るものがある．
• 太陽系や銀河系なしに，地球生命や私たちの起源を議論することはできない．
参考文献Bell, Boehnke, Harrison & Mao (2015),“Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon”, PNAS.Gomes, Levison, Tsiganis & Morbidelli (2005),“Origin of the cataclystic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets”, Nature.Melott & Bambach (2010),“Nemesis reconsidered”, MNRAS.Nelson, Britt & Lebofsky (1993),“Review of asteroid compositions”, in Lewis, Matthews & Guerrieri,“Resources of near Earth space”, University of Arizona PressPater & Lissauer (2015), “Planetary Sciences 2nd Edition”, Cambridge University Press.Rampino (2015),“Disc dark matter in the galaxy and potential cycles of extraterrestrial impacts, mass extinctions and geological events”, MNRAS.Rampino & Haggerty (1996), “The“Shiva Hypotesis”: impacts, mass extinctions, and the galaxy”, Earth Moon and Planets.Rosenblatt (2011),“The origin of maritian moon revisited”, Astron. Astrophys. Rev.Shaviv (2002),“The spiral structure of the milky way, cosmic rays, and ice age epochs on Earth”, New Astronomy.Shaviv (2003),“Celestial driver of phanerozoic climate?”, GSA today.
Tsiganis, Gomes, Morbidelli & Levison (2005),“Origin of the orbital architecture of the giant planets of the Solar System”, Nature.Zellner & Tholen (1985),“The Eight-Color Asteroid Survey results for 589 minor planets”, Icarus.阿部 豊 (2010), 「ハビタブルプラネットの起源と進化 第2回」, 日本惑星科学会誌.在田 一則・竹下 徹・見延 庄士郎・渡部 重十 (2015), 「地球惑星科学入門・第二版」, 北海道大学出版会石川 尚人, 京都大学「地球の営み」講義資料, www.gaia.h.kyoto-u.ac.jp/~ishikawa/Lecture/HEW1/HEW1-03.pdf井田 茂 (2007), 「系外惑星」, 東京大学出版会.片岡 章雅 (2014), 「ダストの内部密度進化を考慮した微惑星形成」, 天文月報.小林 浩 (2011), 「破壊が決める原始惑星の最終質量」, 日本惑星科学会誌.廣井 孝弘, 杉田 精司 (2010), 「C型小惑星の探査における可視・近赤外分光の役割」, 日本惑星科学会誌.宮本 英昭, 橘 省吾, 平田 成, 杉田 精司 (2008), 「惑星地質学」, 東京大学出版会.諸田 智克 (2014), 「外惑星領域におけるクレータ記録と天体衝突史」, 衛星系研究会・発表資料.
参考文献
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http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/08/press20150818-03.html「シバ仮説：衝突・大量絶滅・銀河系 」 in 惑星地質ニュース, Vol. 10, No.4.「太陽系 誕生と進化」, 科学雑誌「ニュートン」, 2014年7月号「地球と金星を作り分ける新説を提唱 ―天体重爆撃が金星を乾燥させた―」
http://www.it-chiba.ac.jp/topics/press0907.pdf
参考文献
