地球の大気を化学する
Ver.1.0.0

鹿島長次(2024.4)

目次

1.

まえがき .................................................................................................................................. 3
空気のような存在 ........................................................................................................................ 32.

原始地球の大気 ...................................................................................................................... 6
三行思想 ........................................................................................................................................ 6共有結合 ........................................................................................................................................ 9
不連続光を吸収や発光する原子 .............................................................................................. 13
宇宙を構成する元素 .................................................................................................................. 183.

地球の大気の進化 ................................................................................................................ 21
太陽系惑星の大気 ...................................................................................................................... 21
冥王代の地球の大気 .................................................................................................................. 24
石灰石の生成 .............................................................................................................................. 28
大気を空調する海の水 .............................................................................................................. 33
アデニンとグアニンの生成 ...................................................................................................... 38
大気中に再登場した酸素 .......................................................................................................... 41
生物の生活圏を変えたオゾン .................................................................................................. 42

4.

大気と生物の関わり ............................................................................................................ 46
植物の葉っぱは緑色 .................................................................................................................. 46
太陽光で二酸化炭素をブドウ糖へ .......................................................................................... 49
酸素無しで棲息する太古の生物 .............................................................................................. 54
生物はブドウ糖をゆっくり燃やして活力に .......................................................................... 56
酸素を取り込むフェレドキシンとヘモグロビン .................................................................. 62
生物の情報を管理する DNA .................................................................................................... 655.

大気汚染 ................................................................................................................................ 72
紫外線の光が密接に関係するオゾン ...................................................................................... 72
硫黄のおまけ付き石油 .............................................................................................................. 75
近年の大気中の二酸化炭素の変化 .......................................................................................... 77
水素により大気汚染を抑えられるか？ .................................................................................. 81

6.

未来の地球の大気 ................................................................................................................ 86
大気汚染も大気の進化の一過程 .............................................................................................. 86

索引 .................................................................................................................................................. 902

1. まえがき
空気のような存在
子供のころに透明人間の話をラジオの番組で耳にしてから、著者は目に見えない透明人間が最も怖いものでした。現実に存在するのか、どこにいるのか、どのような顔をしているのか、どんな武器を持って立ち向かってくるのか、透明人間を考える情報も手段もないので想像するだけでどんどん恐ろしさが膨らんできて非常に怖かった思い出があります。
この透明人間のように目に見えず存在すら定かでない状態をしばしば「空気のような存在」と表現しています。この空気について学研研究社発行の現代新国語辞典では「地球の表面を覆う大気の下層をなしている無色・透明・無臭の気体」と説明されていますが、「あってもなくてもわからないもの、いくらでもあってただのもの、生きるために何よりも大切なものなどのたとえにも使う」と注釈されています。この注釈のように空気は眼に見えませんし、味も匂いもありませんし、風が吹かなければ音も聞こえませんし、手で持ち上げても全く重みを感じません。空気は身の周りにどこにでも存在していると小学校で習って以来長年にわたり化学の研究に携わってきた間に、先人の考えや研究結果を知識として理解しましたが、未だに身をもって実感したことが有りません。
紀元前 5 世紀ごろの中国で生まれた五行思想では、万物は液体を表す水と草木などの生き物を表す木と生き物を育てる土と生き物に関わらない金に、熱や煙や炎のように掴み処のない火を加えた 5 種類の元素でできていると考えられていました。同じ紀元前 5 世紀ごろにインドで生まれた積聚説では、現代風に考えられる固体と液体と気体とエネルギーを表すそれぞれ土と水と風と火の 4 元素が結合し集績して世界が成り立っていると考えられていました。この積聚説はギリシャに伝えられて土と水と風と火の 4 つの元素が離散集合して万物が成り立 つと考える四大元素説となって現代の自然科学に発展して来ました。
五行思想の火も積聚説の風も四大元素説の風も煙や湯気や雲や匂いなどの体感できるものに限られ、次第に空気と総称されるようになりました。

ある宴席で「新大陸の発見など自明のこと」と馬鹿にされた Columbus はゆで卵をテーブルに立てるように座興で返しました。求められた客は悪戦苦闘したのちに降参しましたが、Columbus は即座に立てたと伝えられています。卵を外から見ても割っても中にある小さな空隙はなかなか見難いものですが、そこに着目していたことで Columbus の卵の逸話が後世に語り継がれたと思います。また、リンゴの実は木から落ちるのに月は永久に落ちてこないことを不思議に思い、眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じない地球の持つ引力に着目して古典力学の基礎となる万有引力の法則をまとめた
Newton は稀有の偉人です。このように人間の五感で全く感じられない物事の存在を認識することは極めて難しい事で、多種多様な知識の積み重ねの上に偶然のきっかけから認識されます。
鳶は翼を広げるだけで大空を悠々と飛んでいますし、桜の花びらはひらひらと舞うよ3

うにゆっくりと散ってゆきます。晩秋の風のないときに枯葉を燃やして焚火をしますと、煙が炎の上に激しく上がってゆき、決して下の方に下がってゆくことはありませんが、建物や木々より上まで昇った煙は横にたなびいてゆきます。炎暑の日向道を歩けば陽炎がたって遠くの景色が揺らぎます。風が吹けば音を立てて何者かが押してきますし、風を背中に受ければ押してくれます。Columbus はほとんど艪を漕ぐこともなく風に帆を大西洋を横断してアメリカ大陸を発見したことが、後にスペインに恩恵をもたらしました。これらの眼にし、耳に捉えることのできる現象はすべて五行思想の火や積聚説の風や四大元素説の風で表されてきた風を表しています。
人間は有史以前からお酒を楽しんでいたようで、世界中で種々のお酒が造られてきましたから、ビールでも葡萄酒でも日本酒でも作るときにはふつふつと泡がわいてくることを知っていました。液面の上に出てきた泡は消えてしまいお酒の匂いの他には何物の存在も感じられませんが、醸造樽の上につるしたネズミが死んでしまうことが知られていました。樽の上に置いた器に水を入れておくと炭酸水ができることも知っていました。これらのことから、お酒を醸造すると眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じない何か煙のような物が出てくると空気の存在を知りました。これが二酸化炭素の発見に結び付き、水に溶け易くローソクの火を消してしまうなどの種々の性質が明らかにされました。
図 1-1 の（A）で示すように水を張った皿の中に立てた燃えるローソクにコップを被せますと、（A）から（E）に向かって時間とともに次第に火勢が小さくなり、約 30 秒後には図 1-1 の（F）でしめすように鎮火してしまいます。ローソクが立ち消えになったコップの中では図 1-1 の（F）から（I）に示すように次第に水位が上がってきて、鎮火後 1 分ほどで図 1-1 の（I）で示す状態で止まりますから、ローソクの燃焼によりコップの中に存在する空気に変化が起こり、生成してきた空気が水に溶けたと考えられます。水に溶けて炭酸水になることから、ローソクが燃えてコップの中には二酸化炭素が生成したと考えられましたが、図 1-1 の（I）で示すように水位の上昇は約 1 ㎝でそれ以上には水位は上がりませんでしたから、ローソクの燃焼によりまだ他に何か変化しない空気が残っていると考えられました。この残った空気の中では動物が死んでしまうことから、1772 年に有毒な空気という意味でこの気体は Nitrogen と命名されましたが、生物が窒息する空気という意味で

A

B

CD

E

F

GHI

図 1-1 コップの中のローソクの火
日本語では窒素と訳されました。
コップをかぶせた（B）から（I）への時間の経過する間にコップの中では燃焼の変化以外には何も変化が見られませんが、その間にコップの中に何か変化が起きて二酸化炭素
4ができたと察せられます。1774 年にこのローソクの燃焼により二酸化炭素に変化する空気は眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じないが身の周りに存在することを証明し酸素と命名されました。このコップの中に見られた現象は無風状態の変化ですから、風に由来する現象としては説明できません。これこそが空気の存在を示す現象の一つなのでしょう。
動く空気は風として人間の五感で感じられますから帆船や風車や納涼のための風鈴や団扇や干物の乾燥や火吹き竹や鞴など種々日常生活に利用してきましたが、静止する空気は眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じませんからその存在すら考えられません。風と空気は別物なのでしょうか、それとも風は空気の存在を示すものなのでしょうか。人間の五感で全く感じられない空気の存在をどのような切っ掛けから疑問に思い、その存在を確証したのでしょうか先人の洞察力に感服します。本書では化学的な知識や思考方法を基にして常に身の回りにあり、眼に見えず、味も匂いもなく、音も発てず、全く重みも感じないにもかかわらず、少しでも不足すれば生死にも関わる空気について独善的に考えてみようと思います。これらの地球を取り巻く空気を天体などを考える人は大気と呼んでいますから、この大気ついて考えることで何か一つでも化学の研究や教育に役立つものが見つけ出せれば良いと思っております。また、大気について考えることで日常生活を豊かにする助けになれば、本書はさらなる意義を持つことになると思われます。

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