私
たちの惑星

地球の歴史

なぜ私たちは地球にいるのか？さらには，なぜ地球に生命が生まれたのか？
そんなことを普段意識して生活している人はそう多くはないでしょう。
でも，生命の星・地球は，「偶然」ともいえるさまざまな要因のもとに宇宙空間に生まれました。
では，この「偶然」とは何だったんでしょう？
あたかも探偵のように地球の過去を探る科学者達の努力は続いています。

生命の惑星 地球
地球は今のところ生命の生存する唯一の惑星です。
私たち人類も含めた生命はいついかにして生まれたのか？
それは大地に刻まれた地球生命の歴史が教えてくれます。

地球はなぜ生命の惑星になったのか？
100

地球には大量の水が存在し，それメタン・アンモニアが海洋を形作りました。大気中に大量に存在していた二酸化炭素は，海水中に溶解して，炭酸カルシウムとして，岩石の中にとりこまれました。
二酸化炭素の濃度が低下すると，光合成によって生命を維持する原始的な植物が誕生しました。それが，長い時間をかけて，大気中の二酸化炭

大気中の気体の濃度︵％︶

75

窒素50

水25
二酸化炭素

素を酸素に変えて，呼吸活動する有酸素動物が発生し，それらが，陸地で活動する様になりました。

酸素04540302010

地球

時間（億年前）別冊サイエンス「地球と大気の進化

C.J.アレグル／S.H.シュナイダー」より

地層の情報解読
地層の中には，水流，嵐，津波，土むしろ暖流の影響を受けて堆積したこ石流，地磁気の逆転，隕石の衝突などとがわかりました。大自然の中で地球さまざまなイベントが記録されていまと一対一で向き合うのも研究の醍醐味す。地球のエキスパートたちは，自らのひとつです。の目と足で地層を調べ，複雑な地球の歴史を解きほぐしてきました。彼らの調査対象は世界中のあらゆる時代の地層におよびます。写真はロシア・カムチャッカ半島とサハリンに露出する中生代白亜紀（約1億4,000万年〜6,500万年前）の地層です。調査の結果，これらの地層は現在の気候とは異なり，古生物の記録化石は，過去三十数億年間にわたる生物の進化をドラマティックに物語ってくれます。それと同時に，写真のアンモナイト化石からは，地球温暖化がもっとも進んで海面が上昇した中生代白亜紀の海洋環境の一端を読み取ることができます。化石は過去ばかりでなく，現在や未来の地球環境を解くカギでもあるのです。

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活動する地球とその歴史の解読
火山活動や地震は，地球が活動を続けている証です。
それまで地表にあったものが地下深くに潜り込んで再び地表に現れる・・・
ゆっくりではありますが，ダイナミックな地球の活動をご紹介します。

火山活動の予測など，防災に関する研究
火山はマグマが地表に達する現象です。地震や地殻変動，地熱などもあわせて観測し，マグマの活動のダイナミクスに関する研究が行われています。そのような基礎的な研究は，自然のもたらす災害から私たちの身を守る防災上の観点からも重要です。
ここに示した写真は1979年10月の阿蘇中岳第１火口のストロンボリ式噴火の様子です。

地球地球規模の物質循環帯
込み沈み沈み込み帯で沈み込んだ物質は，コア・マントル境界まで降下し，そ片の断 色岩）
台
海 体緑出と加の放 発生
付
2O
H（マの南太平洋ホットスポット群（スーパースウェル）

巨大海台

昇流とともに地表までントル規模

マグ

表層流体層へのCO2の放出

脈動と物
質
内のル環
循
大達するというママン
ト

こからプリュームなどの上海嶺

スーパー

プの上 リュ
昇 ーム

での大循環の解明が上部マントル進んでいます。
地球深部からのスーパープリュームによるホットスポットは多くが太平洋に分布しています。ハワイ島は最大規模のホットスポットに対応していて，地球の活動を探る上で重要な領解？の融質
物ート
プレ

核-マントル反応

磁気ダイナモの変動（地磁気静穏期）域のひとつです。

固体内核

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下部マントル

流体内核

造山帯‐浮き上がる地下深部物質
プレートテクトニクスに従うと，大変成岩が見出されるようになっていま

陸は数億年ごとに分離と合体を繰り返す。マントル物質は数ｍから数百ｍのしています。大陸同士の衝突によってレンズ状あるいは層状の岩体として，形成された造山帯には，その地下深部地殻物質起源の岩石中に取り込まれてを構成していた岩石が広く分布してい産する例がよく知られています。写真ます。1980年代以降の研究で，造山帯のマントル物質は地下120kmで，周囲の地下深部物質の一部は，地表付近にの地殻物質は地下50kmで形成されたあった岩石がマントルまで沈み込み，とされています。地下100〜200kmでダイヤモンドや石英の高圧多形(コー形成された代表的な超高圧変成岩やマス石)を含む超高圧変成岩に変化した

ントル物質の密度は代表的な地殻物質

後，固体状態で再び地表に戻ってきたより大きくなります。さて，マントルことが判ってきました。2001年までに物質と地殻物質の混合は一体どこで，世界中の大陸衝突型造山帯から超高圧どのようにして生じたのでしょうか？
また，密度の大きい超高圧変成岩やマントル物質は地表までどうやって上昇してきたのでしょう？造山帯の地下深地殻物質
マントル物質
地殻物質部で生じた物理過程を一緒に考えませんか。

地球

ダイヤモンドのカソードルミネッセンス像
指輪やネックレスなどの装飾用に研個体にとっては，「履歴書」とも言え磨された透明で美しい宝石級ダイヤモます。特殊な手法を用いれば，そのよンドであっても，その内部には成長のうな情報も引き出すことができます。

記録を示した縞模様が隠されていまこの写真は，ダイヤモンドに電子線をす。このようなパターンは，いわば照射することによって青色に発光する「指紋」と同様にその個体に特有・無現象を利用して，ダイヤモンドの履歴二のものであって，そのダイヤモンド書の解読を試みているところです。

鉱物の微細構造
マグマが地表に噴出して冷え固まるは，黒い帯と白い帯とが交互に並んでが観察されないゾーンでは無数の微小と火山岩と呼ばれる岩石になります。

いるゾーンや黒い帯が観察されないゾドメインが複雑に重なり合ったパター

この写真はある火山岩中に含まれていーンが見られます。黒い帯と白い帯とンを示しています。これらのような鉱たピジョン輝石という鉱物を電子顕微

では化学成分−とくにCaの量−に顕物中の微細なパターンを解析すること鏡を用いて撮影したものです。写真で著な違いがみられます。また，黒い帯によって，その鉱物やそれを含む岩石が受けてきた熱の変遷についての手懸りをつかむことができます。例えば，
写真の鉱物では，白黒の帯の太さや間隔は高温に保持されていた時間の推定に，ドメインの大きさは冷却時の降温速度の見積もりに，それぞれ利用できます。

38

地球の鼓
動を聞
く

地球の変動

地球の内部はどうやって調べるのでしょうか？
まさか輪切りにするわけにはいきませんよね。
深い穴を掘っても限りがありますし・・・
実は，地球の「音」を聴いて調べているのです。
ちょうどお医者さんが聴診器で心拍音を聴くようにね。

地球の内部構造と変動
地震を観測・分析することは，地球内部構造やその活動を知る手がかりとなります。
しかし，地震は時として私たちの生命を脅かす存在でもあります。
「地震を知る」ことは様々な面で大切なことなのです。

地震波による地球内部構造の探査
地震波を用いると地球内部の構造をゆっくりと変動することがわかりまし知ることができます。この方法で地球た。一つの可能性として，内核がマン内部に内核と外核，さらにそれを覆うトルよりも少し速く回転（１年に1〜マントルの存在がわかりました。30年３度程度）していることが指摘されまあまりの長期にわたって蓄積された地した。その説は，外核のダイナモ作用の粘性やマントルと内核間の重力トル

震波データを用いて解析すると，中心によって地球磁場が形成されています

クとも関連し，その正否を巡って論争部にある内核を地震波の伝わる速さがが，内核とマントルの差動回転は外核が繰り広げられています。

地球の自由振動超伝導重力計
写真提供：国立極地研究所

リアルタイムの地震観測網
私達の生活を災害から守る観点か

地球で地震が起こると，釣り鐘をつされ，これを常時地球自由振動と呼んいたのと同じように地球そのものがあでいます。左のグラフの横軸は周波数，る決まった周期で振動することがあり縦軸が重力の時間変化を示しますが，ます。これは地球の自由振動と呼ばれ，とびとびにある縦方向に続く赤い縞目

地球全体を揺さぶるほどの大きな地震が常時地球自由振動を表しています。の際にだけ起こる現象だと考えられて常時地球自由振動がなぜ起こるかについました。しかし，最近，地球の重力いては，現在も研究が進められていまの１兆分の１の変化も測定できるたい

すが，おそらくは大気あるいは海洋がへん感度の高い超伝導重力計の観測に地球を常にたたいているためだろうとよって，地球の自由振動は地震のない考えられています。

地
球

ときでも常に起こっていることが発見

ら，有感地震のみならず微小地震を常時観測することは, 大規模地震発生予反射法地震探査による地下構造の解明

測の研究や，地震発生機構を探る上で特殊な車を用いて，地面に震動を与礫・砂・粘土などが堆積してできた地重要です。下図は微小地震観測システ

えると，わずかな揺れが地下深くから層に対応します。この縞模様は水平でムで自動的に決められた深さ30kmよ

はね返ってきます。その反射波を地表なく傾斜したり，たわんでいたりしまり浅い地震の震央分布です。リアルタで検出し解析することによって，地下すが，地層が形成されるときには水平イムで計算された最近１ヶ月間の結果の構造を調べることができます。下図ですので，これは堆積後に地層が動いの速報が，ウェブ上に公開され, 研究は京都市内を南北に走る測線に沿ったことを示しています。また，図の左面や防災面で役立てられています。て，反射法地震探査を行なった結果で側の宇治川の付近では地層がたわんです。基盤岩を覆う様に縞模様が見えまいるのがみられ，宇治川の下に宇治川す。この縞は周りの山から流れ出た断層の潜んでいることがわかります。

40

青い
空を見
上げて

地球環境

私達が普段「空」といっているのは成層圏まで。高さにして約50kmです。
一見ものすごく高いように感じますが，地球（半径約6,400km）を卵とするならば，成層圏はその殻ぐらいの厚さしかないのです。
でも，もしこの「殻」がなかったら，地球の表面は月のようになっていたといわれています。

地球の大気・海洋と環境の変化
私たちが生きていけるのは地球の表面が大気に覆われているからです。
また，大気に対しては地球表面の70％を覆う海洋が大きな影響を与えています。
地球環境について考えていくとき，全地球的な観点からの観測と検討が不可欠といえるでしょう。

新しい観測システム
大気と海洋が地球環境に果たす役割って，より精密で多様な物理量を観測を理解する第一歩は，観測によって現することが可能になりつつあります。

況を把握することから始まります。従これらの新しい観測システムを強力に来から，地上の観測網や気球によって組み合わせることによって，これまで大気を観測したり，船舶やブイなどに謎に包まれていた大規模な海洋の変動よって海の中を観測する工夫がされてシステムと地球規模での気候変動とのきましたが，近年の技術的な進歩によ関わりが明らかにされつつあります。

人工衛星によって得られた海面温度
人工衛星による海洋観測手法の発展

今では欠かせないものとなりました。

は，私たちに有用な情報を与えてくれ

左下の図は人工衛星NOAAによって得るようになりました。人工衛星に搭載られた1988年1月の北西太平洋の月平された赤外域の放射計によって得られ均海面温度分布です。赤い色は水温がる広域の海面温度のデータは，黒潮の高いことを示しています。白い部分は流路の把握や気候変動の予測のために陸域であったり雲があったりすること

地
球などによって観測値が得られなかったところを示します。日本南岸では黒潮

資料提供：宇宙開発事業団が蛇行して一旦岸から離れる様子がはっきりわかります。

水の循環
地球は水の惑星といわれ，表面には青から赤になるほど1日あたりの降水大量の水が存在します。しかし，その量が多いことを示しています。このよ約97％は海水なので，我々陸上生物がうに降水はとても偏った分布をしてお必要とする淡水は残りの約3％です。

り，人類の多くは干ばつや洪水に毎年さらに淡水のほとんどは固体として雪苦しんでいます。淡水の循環過程はや氷となって主として極地に存在して我々にとって重要な問題なので，世界いるため，我々が日々利用できるのは中の研究者が多くのプロジェクトを実１年の降水量を足しあわせても地球上施して研究してきました。そのため，の水の0.03％程度でしかありません。

近年ようやく全地球的な水循環の現状

図は人工衛星TRMMによって得られたが明らかになりつつあります。

2001年6月の月平均降水量の分布です。

42

エル・ニーニョと全球気候変動
人工衛星観測をはじめとする広域観まで及び，アジア・モンスーンやアリにさまざまな異常気象や災害を引き起測やスーパー・コンピュータの発達にューシャン低気圧などの変調を引き起こしたことは記憶に新しいところでともなって，海洋が地球規模での気候こすと考えられています。1997年からす。また，エル・ニーニョ現象の影響変動に果たしている役割が徐々に明ら98年にかけて起こったエル・ニーニョは遙か南極にまで及んでいることが近かにされつつあります。エル・ニーニ

現象は20世紀最大と言われ，世界各地年発見されました。

ョ現象はその代表的なものです。その影響は熱帯赤道域に限らず高緯度域に地球

資料提供：地球フロンティア研究システム

気候システムにおける全球海洋循環
エル・ニーニョ現象のような数年スで及ぶ海洋の流れによって運ばれる熱ケールの変動だけでなく，数10年からエネルギーが気候システムを変動させ数100年といった，より長いスケールる大きな要因となります。の気候変動においても海洋は大きな役割を果たしています。海洋中には，「コンベアーベルト」のように水を輸o送するルートがあると考えられており，このような表層から中・深層にま090 Woo

180

90 Eooo90 N90 N

Heat release to atmosphereo60 No

60 No

30 No

30 N

Warm Surface Current
o0AT0LANCold, Saline Bottom Current

ICToo

PACI FI C30 So30 SI NDI AN OCEANoo60 S60 S
Recirculated Deep Wateroo90 S

90 So90 W

43

資料提供：サザンプトン海洋学センター

0oo90 E

180o分光学と地球環境問題
分子はそれぞれ固有の光を吸収したがCl +O3 → ClO +O2という化学反応に贈られました。また，長年にわたるオり放出したりします。この光を観測すよって起っていることが明らかになりゾン層破壊物質の継続観測により，オることで，大気中に存在する分子の種ました。1995 年には,オゾンホール発ゾン層保護に関する条約のもとでの生類や濃度を知ることができます。その生メカニズムの理論的解明に貢献した

産規制の効果が目に見える段階となっ結果，大気中には様々な化学的に活性３人の大気科学者にノーベル化学賞がてきました。

な分子（ラジカル分子）が存在し，オゾンホールの破壊等を起こしていることがわかってきました。例えば，南極のオゾンホール付近の大気の分光から，オゾン(O3)の濃度とClOラジカルの濃度に特定の関係があることがわかりました。このことから，オゾン破壊

地球

南極上空のClO とO3 の濃度変化

大気中での化学反応
大気中では，様々な化学反応が起きています。大気の状態を再現する大型シミュレーション装置によって，どのような化学反応が起きているか，その詳細がわかってきました。たとえば，オゾンの生成は太陽からくる紫外線によって生成されるラジカル分子が引き起こす以下の連鎖反応によって起きていることがわかりました。
NHMC +OH +O2 →RO2
RO2 +NO +O2 →NO2 +HO2 +CARB
HO2 +NO →NO2 +OH
NO2 +hν +O2 →NO +O3
ここで，NHMC はメタンではない炭化水素，CARB はカルボニル化合物，Rはアルキル基，hν は太陽光です。
大気化学反応シミュレーション装置

4445億年の親子関係

太陽-地球システム

地球は太陽を主とする太陽系家族の一員です。
そして太陽から送られてくるエネルギーにより，地球は生命あふれる星になりました。
また，太陽は私たちにとって最も近い恒星でもあります。
太陽を詳しく知ることは，宇宙に無数とある星を知る手がかりとなります。
科学者にとっての太陽は「先生」でもあるのです。

太陽-地球システムの解明
太陽は今も活発に活動を続ける星です。
現在，太陽が光や熱以外にもさまざまなエネルギーを放出していることがわかってきました。
その一部は，オーロラのように私たちの目を楽しませてくれる現象も引き起こします。

太陽の11年周期活動
太陽観測衛星「ようこう」は，太陽の活動周期である11年近くにわたって連続観測を行い，躍動する太陽面とコロナ領域の現象の詳細を捉えました。
それにより，太陽面の爆発現象であるフレアーの物理機構を解明して，さらにそれが地球におよぼす影響を実用に役立てようとする宇宙天気予報の研究に大きな途を切り開きました。図には活動度の指数として広く用いられてい地
球る太陽黒点数と，「ようこう」のＸ線観測で得られた太陽像を対比させて示してあります。黒点数の増減に呼応して太陽面のＸ線輝度分布が変化する様子が良くわかります。
資料提供：宇宙科学研究所

太陽活動とオーロラ
太陽活動が盛んになるとその表面かプラズマ粒子が運んでくるエネルギーの原子に衝突することによって引き起ら放出される光や電波，プラズマ粒子の一部を取り込んで活動しています。

こされる発光現象ですが，もとをたどのエネルギーが増大します。地球の磁極地の夜空を彩るオーロラは磁気圏のると，太陽からやってくるエネルギー

気圏はその周辺に太陽から放出された電子が加速されて降ってきて，大気中がその源です。電子が磁力線に沿って高速で移動しますから強い電流が流れます。その電流はさらに電離層を流れてジェット電流と呼ばれるものを形成します。ジェット電流が現れると，地上の磁場が大きく変動します。その変動をオーロラの出現する領域に多数の観測所を分布させて捉え，そのデータをもとに，ジェット電流の強さを示す指数（AEインデックス）が算出されています。その指数はジェット電流の強度とオーロラの活動を知る重要な手がかりを与えてくれています。さらに，この指数から太陽からやってくるプラズマ粒子や磁場の状態を推定しようとする試みが行われています。

46

宇宙天気予報とモデル計算
太陽活動と地球の磁気圏および電離されつつあります。また，さらにそれによって地球の磁気圏にも不安定現象圏の活動は密接に結びついています。

らを組み合わせた総合的な計算機コーが起こって，活動的なオーロラの出現

個々の重要な領域における基礎過程にドの開発も検討されています。図にはする一連の過程が示されています。

ついて計算機シミュレーションが行わ

太陽面でフレアーが起こり，加速されれ，その非線形的な発展の様子が解明

たプラズマ粒子が地球に到達し，それ地上望遠鏡による太陽の観測変動する太陽定数

地
球

望遠鏡による太陽の黒点，コロナな過去においては太陽から放射されるりとした経年変化と共に非常に短時間どの観測が定常的に行われています。

エネルギーフラックス（太陽定数）はの変化が見られます。この変動幅は小飛騨天文台のドームレス望遠鏡は，条時間的に一定と考えられていました

さいのですが，地球の大気・海洋シス件のよい日に太陽の細かい模様まで観が，大気圏外における直接観測を行う

テムに大きな影響をもたらしている可測できる高い分解能をもっています。と，その考えが誤りであることがわか能性があり，太陽と地球を一つのシス

また，乗鞍岳にある国立天文台の太陽ってきました。図には複数の衛星によテムとして扱う必要のあることが指摘

観測用のシステムなど，地上望遠鏡にって求められた太陽定数の時間的な変されています。

よる太陽面の観測は，衛星観測と相補化をプロットしてありますが，ゆっく的に重要な役割を果たしています。

資料提供：NASA47