Transcript 温室効果ガスの寄与 - 地球惑星科学科

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初期地球の気候変動と生命進化
北海道大学 理学部
地球科学科 4年
渡辺 健介
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目次
研究目的
太古代の地球環境
古気候について豊富な情報を持つもっとも古い地質体
南アフリカ・バーバートン(32億年前)
温度推定：地球化学的制約・堆積学的制約
当時の地球は温暖
暗い太陽のパラドックス
太陽光度の進化
温室効果ガスとアルベドの寄与
二酸化炭素に加えメタンの温室効果とアルベドが重要
酸素の出現と蓄積
酸素濃度の進化
全球凍結と生命のかかわり
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地球の歴史
Hessler 2011
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研究目的
将来的な目標
ハビタブルな惑星環境が形成されるための条件
• 模索中
今回の目的(本発表)
Hessler, A. M. (2011) Earth’s Earliest Climate. Nature Education
Knowledge 3(5):6 のレビュー
• 地層中に残された過去の主な気候変動の理解
• 気候変動と生命の関係の理解
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気候と生命の最も古い地質が記録されている場所
Hessler 2011
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太古代の地球環境
南アフリカ・バーバートン
古気候について豊富な情報を持つもっとも古い地質体
気温，大気組成を記録
グリーンストーンテレーン
年代測定(U-Pb法)より32億年前に形成
緑色岩やチャート，砂岩，頁岩などの層構造
あああああああ
ああああああ
Hessler 2011
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当時の温度推定
堆積学的制約
液体の水の証拠
• 氷河による堆積物または浸食作用の証拠がな
い
• 液体の水によって運ばれ
た堆積物などの存在
南アフリカ・バーバートンの緑岩体に
残された地表プロセス(右図)
(A)浅海堆積物由来の薄い砂岩と頁岩の積層
(B)砂岩中に残されている波紋
(C)浅海堆積物由来の斜層理
(D)河川によって運ばれ丸くなった礫岩
(ボーリングのコア)
Hessler 2011
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当時の温度推定
地球化学的制約
チャート(SiO2)
 形成過程
• 海水や熱水からの直接的な堆積
• シリカに富む海洋生物の殻が沈降し堆積
酸素同位体測定
(Kasting et al. 2006 , Jaffres et al. 2007 , Kurauth & Lowe 2003)
• 当時のチャートは18Oに強く乏しい
•
(Clayton et al.1972)
• 海洋温度は～70℃である．(現代海洋と始生代海洋の酸素同位体は同じと仮定)
シリカの溶脱反応
(Sleep & Hessler 2006)
• 70℃以上で溶脱反応が起きるが，その痕跡は見つかっていない
• 温度は～70℃であった．
リン酸塩の酸素同位体比
(Blake et al.2010)
海洋温度は26～35℃
 始生代と現在の海洋の同位体値は変化していない
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暗い太陽のパラドックス
1.0
疑問
液体の水が存在し
ていたのはなぜか？
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太陽放射
0.9
0
地表温度
(大気組成とアルベドが
現在と同じ場合)
0.8
温室効果
温室効果
有効温度
-25
温度 (℃)
太陽放射 (現在を1とする)
当時の太陽は現在よりも光度が低い(約70%)
（温室効果がない場
合）
0.7
40
-50
0
30
20
10
田近，2011
年代 (億年前) フロンティアセミナー
解消案
以下の寄与を考え
る
•温室効果ガスの寄与
•アルベドの寄与
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温室効果ガスの寄与
Kasting 1993 のモデル計算
二酸化炭素(CO2)のみで考えると100～1000PAL必要
• PAL ： Present Atmospheric Level (現在の大気の組成を1とする)
地質学的制約
堆積岩中の鉱物の共存関係をもとに二酸化炭素分圧を推定
高いCO2濃度は左側へ反応を進ませる．
•
•
•
(FeCO3 ： 菱鉄鉱，NaHCO3 ： ナーコライト，FeOFe2O3 ： 磁鉄鉱)
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CO2濃度の地質学的制約
菱鉄鉱と磁鉄鉱が共存
10PAL未満の可能性
CO2以外の温暖化の機構が必要
Rosing et al. 2010
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CO2以外の温室効果ガスの寄与
メタン
 二酸化炭素よりも温室効果が高い
貧酸素地球環境下ではCH4の生産が活発 (Kharecha et al. 2005)
メタン生成菌の繁栄
メタン酸化菌によるO2やSO4を用いたCH4の除去が不活発
CH4/CO2>0.1の条件下で炭化水素ヘイズの生成
炭化水素ヘイズ
(Trainer et al. 2006)
• 大気上層で太陽光を吸収する特徴
• 反温室効果
高濃度ではないCO2-CH4の温室効果が存在していた可能性
(Haqq-Misra et al.2008)
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アルベドの寄与
Rosing et al. 2010
(現在よりも)陸域が小さいため，アルベドが小さかった
 35～32億年前の地塊はピルバラとバーバートンにしか存在していない．
(現在よりも)雲が透明で，アルベドが小さかった
 雲は太陽光を宇宙空間に反射する役割がある
• 今日の雲は生物起源の雲凝結核(CCN)に起因(全体の50%)
 雲は今日程の反射率は無い
• 真核生物の進化以前は役立つ生物起源の硫黄ガスが無い
CO2とCH4などの温室効果ガス，そしてアルベドの寄与を
総合的に考える必要がある．
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酸素の出現と蓄積
27億年前の堆積物– 西オーストラリア・ピルバラ
頁岩中の鉱物が“弱く”酸化
酸素発生型光合成生物の進化
(Anbar et al. 2007)
酸素濃度の進化
24億年前～22.5億年前の大酸化イベント
地質学的証拠
24億5千万年前以降の破屑性ウラン鉱床は知られていない
ウラン：富酸素条件下で水溶性，貧酸素条件下で不溶性
地球化学的証拠
硫黄の質量非依存同位体分別(MIF-S)の異常
MIF-Sの異常を持つ硫黄が保存される制約
• オゾン層による赤外線遮断が起きていない
• 光化学反応の生成物であるＳ6が大気中で酸化されてＳＯ2に戻らない
0≦Ｏ2≦0.001[PAL]では，MIF-Sの異常が起きる
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大酸化イベント
地球化学的証拠
硫黄の質量非依存同位体分別(MIF-S)の異常
Δ33S (‰)
4
Stage I StageII
Stage III
3
2
1
0
-1
-2
40
30
20
10
年代 (億年前)
0
Farquhar et al., 2000, 2003
[Kump (2008) Nature]
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全球凍結と生命のかかわり
ヒューロニアン氷河期(25～23億年前)
(Marmo & Ojakangas 1984, Evans et al. 1997)
はじめて全球凍結を経験
古地磁気学による“古緯度”の推定
• 赤道付近にも氷河堆積物が存在
• 全球規模の氷期であった可能性
トリガー
酸素の出現
温室効果ガス(特にメタン)の減少
• メタンの酸化 (Kopp et al. 2005 )

古緯度 11°± 5°
氷河堆積物の分布
田近，2011
フロンティアセミナー
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全球凍結と生命のかかわり
原生代後期の氷河作用
(7億年前～6.5億年前)
全球凍結の証拠
全球的に氷河堆積物が残っている
トリガー
ロディニア大陸(10～7億年前に出現)の
分裂によるCO2の固定，O2濃度上昇
全球凍結の融解
火山ガス(CO2)の供給による温室効果
株式会社スタジオエル/スタジオアール
http://www.snowballearth.org
Kasting, 1993
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全球凍結と生命のかかわり
原生代後期の氷河作用 (a)
田近，2011
フロンティアセミナー
全球凍結中
(b)全球融解直後
栄養塩の蓄積（～数千万年間）
全球凍結の融解後
大気や深海の
酸素濃度の最終上昇
CO2
PO4
生命進化
高濃度酸素によるコラーゲンの産出
多細胞生物の出現
カンブリア爆発の発生
[Kump (2008) Nature]
温暖化と栄養塩の供給増加
PO4
CO
O22
CO2
富栄養化
爆発的な光合成活動
PO4
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まとめ
太古代の地球環境
古気候について豊富な情報を持つもっとも古い地質体
南アフリカ・バーバートン(32億年前)
温度推定：地球化学的制約・堆積学的制約
当時の地球は温暖
暗い太陽のパラドックス
太陽光度の進化
温室効果ガスとアルベドの寄与
二酸化炭素に加えメタンの温室効果とアルベドが重要
酸素の出現と蓄積
酸素濃度の進化
全球凍結と生命のかかわり
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参考文献
• Anbar, A. D. et al. A whiff of oxygen before the Great Oxidation Event? Science 317,
1903–1906 (2007).
• Blake, R. E., Chang, S. J. & Lepland, A. Phosphate oxygen isotope evidence for a
temperate and biologically active Archean ocean. Nature 464, 1029–1033 (2010).
• Clayton, R. N., O’Neil, J. R. & Mayeda, T. K. Oxygen isotope exchange between
quartz and water. Journal of Geophysical Research 77, 3057–3067 (1972).
• Gough, D. O. Solar interior structure and luminosity variations. Solar Physics 74,
21–34 (1981).
• Evans, D. A., Beukes, N. J. & Kirschvink, J. L. Low-latitude glaciations in the
Paleoproterozoic era. Nature 386, 262–266 (1997).
• Farquhar, J., Bao, H. & Thiemans, M. Atmospheric influences of Earth’s earliest
sulfur cycle. Science 289, 756–758 (2000).
• Haqq-Misra, J. D. et al. Revised, hazy methane greenhouse for the Archean
Earth. Astrobiology 8, 1127–1137 (2008).
• Jaffres, J. B. D., Shields, G. A. & Wallmann, K. The oxygen isotope evolution of sea
water; A critical review of a long standing controversy and an improved geological
water cycle model for the past 3.4 billion years. Earth-Science Reviews 83, 83–122
(2007).
• Kasting, J. F. Earth’s early atmosphere. Science 259, 920–926 (1993).
21
参考文献
• Kasting, J. F. et al. Paleoclimates, ocean depth, and the oxygen isotopic composition
of seawater. Earth and Planetary Science Letters 252, 82–93 (2006).
• Kharecha, P., Kasting, J. & Seifert, J. A. A coupled atmosphere-ecosystem model of
the early Archean Earth. Geobiology 3, 53–76 (2005).
• Knauth L. Paul and Donald R. Lowe. High Archean climate temperature inferred
from oxygen isotope geochemistry cherts in the 3.5 Ga Swaziland Supergroup, South
Africa; Geological Society of America Bulletin 2003;115, no. 5;566-580
• Kump Lee R., The rise of atmospheric oxygen; Nature 451, 277-278 (17 January
2008) | doi:10.1038/nature06587; Published online 16 January 2008
• Marmo, J. S. & Ojakangas, R. W. Lower Proterozoic glaciogenic deposits, eastern
Finland. Geological Society of America Bulletin 98, 1055–1062 (1984).
• Pavlov, A. A. & Kasting, J. F. Mass-independent fractionation of sulfur isotopes in
Archean sediments: Strong evidence for an anoxic Archean
atmosphere. Astrobiology 2, 27–41 (2002).
• Rosing, M. T. et al. No climate paradox under the faint Sun. Nature 464, 744–747
(2010).
• Sleep, N. H. & Hessler, A. M. Weathering of quartz as an Archean climatic
indicator. Earth and Planetary Science Letters 241, 594–602 (2006).
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参考文献
• Hessler, A. M. (2011) Earth’s Earliest Climate. Nature Education Knowledge 3(5):6
• 田近 惑星科学フロンティアセミナー 2011