地球 地熱

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地球

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/08/11 23:00 UTC 版)

地熱

地球は内部に地熱を持ち、約44.2兆ワットの熱を宇宙空間に放出している。この熱源は2つが考えられる。1つは内部に存在する放射性元素が放つ崩壊熱であり、主にウラン・トリウム・カリウムである。もう1つは溶けた地球内部で重いものが沈んでゆく際に生じる位置エネルギーである。東北大学ニュートリノ科学研究センターのチームは放射性元素の影響を測定した。地殻に存在するウランとトリウムが生じる崩壊熱は7兆ワット、地球全体でカリウムが生じる崩壊熱は4兆ワットと計算されている。また地球の核に放射性元素はほとんど無いと考えられているため、マントル中のウランとトリウム崩壊熱が判れば全体を推計できる。東北大学は元素崩壊の際に生じる反ニュートリノを観測装置カムランドで測定し、地殻発生のものを除いた個数からマントルでの崩壊熱量を10兆ワットと試算した。この結果から、放射性元素の崩壊がほぼ半分の21兆ワット、残りの半分が位置エネルギーによるものとの結論を得た。

歴史

形成

初期地球の想像図。

地球の形成は、イマヌエル・カント（『天界の一般的自然史と理論』）やピエール＝シモン・ラプラス（『宇宙体系解説』）の星雲説を皮切りに太陽系形成説の一環としてさまざまな考えが提示されている。現在最も有力な説は、原始惑星系円盤でガスや宇宙塵が膠着して微惑星が形成され、さらにこれらが衝突を繰り返しながら成長し原始惑星を経て惑星が形成されたというモデルである。誕生直後の地球は衝突エネルギーで暖められ、溶岩が一面に広がる状態、いわゆる｢火の玉地球｣状態だったと考えられている。

分化

地球は構成物質などから、複数の「圏」に分けられる。誕生時には混在していたこれらが段階的に分かれ、地球システムが確立した。最初に、衝突する微惑星から脱ガスが起こり、原始大気が形成された。これは地球直径が現在の1/5程度の時点で始まったと考えられる。その主な成分は水蒸気と一酸化炭素である。

衝突エネルギーの宇宙放出が続き、45億年前には地球温度は下がった。そのため水蒸気が凝縮して地上に降り注いで海が形成され、同時に原始的な地殻が分離した。太古の海は200℃を越える温度にあり、数十気圧の大気成分は窒素や一酸化炭素、そして二酸化炭素が占めた。

大陸の形成は40億年以上前には始まった。当初は島程度の大陸だったが、これにより海水は中和され、大気中の二酸化炭素が海水に吸収され始めた。温室効果が抑えられ、地球は液体の水が広く表面を覆う惑星となった。39億年前頃には微惑星の衝突も収まり始め、地球環境の変動も激しいものではなくなった。コアとマントルの分化が起こった時期ははっきりしていないが、38億年前に形成された地球最古の岩石は枕状溶岩であり、残留磁気が観測されたことからこの時には既に海と地球磁場が存在していた。プレートテクトニクスは少なくとも27億年前には造山活動を行うまで稼動していた。

光合成生物の大量発生は20億年前頃であり、その活動は大気成分中に酸素を蓄積させ、成層圏にオゾン層が作られた。これによって生物は浅い海や陸上への進出が可能となった。主に植物生命は死後に炭化して蓄積され、大気成分から二酸化炭素を減少させつつ酸素比率を増す作用を及ぼし、地球大気の組成を変化させた。これ以降、地球上には生物が繁殖し、生物圏が海洋から分化して陸上にまで進出した。さらに現代までには「人間圏」と言える全体に影響を及ぼす物質圏が分化したとも言えるが、これが安定したものと言えるか否かの判断はついていない。

地球システム

複数の物質圏に分化した地球は（「人間圏」を除き）相互作用を及ぼしながら安定しており、これを取り扱う学問を「地球システム学」と言う。地球のシステムを動かす動力源は、地球内部の熱エネルギー（惑星形成時の重力エネルギーと放射性元素の崩壊による原子力エネルギー）と太陽から注ぐ光エネルギーである。これに、地球の自転や公転、および周辺の天体からも影響を受ける。

地球の内部熱は外核の対流を起こし、ダイナモ運動から磁場が生じる。これは地表を突きぬけ宇宙空間に広がり、太陽風を防ぐ。このため地球大気は水素など軽い元素が宇宙空間に逃れることを防いでいる。一方でこの熱はマントル対流を起こし、これが地殻のプレート運動や造山活動につながり海と陸を形成している。この陸では雨に溶け込んだ二酸化炭素と珪素酸化物と結びつき、炭酸塩となって流れ込んだ海底に沈殿して石灰岩となる。これはプレート運動で移動し、一部はマントル内に回収されてゆき、火山活動でふたたび地上に供給されるという炭素循環システムを司る。この炭酸循環はある程度の広さを持った陸地、すなわち大陸が必要になる。

光エネルギーが直接及ぼす影響には、地表のさまざまな気候や気象現象や、生態系の基礎になる光合成生物の生育に関わる点が挙げられる。地球に降り注ぐ太陽放射のうち反射される割合（アルベド）は31%になり、吸収される69%のうち大気が20%、地表が49%の割合となる。地表の熱は赤外線放射や水の潜熱や顕熱の形で大気に渡るが、一方の大気や雲も赤外線で地表を暖める。このような熱交換が地表で行われる一方、ほとんどの比率が大気から、一部は雲・地表から赤外線放射によって熱は宇宙に逃れ、全体として熱収支はバランスする。

この太陽光は緯度によって異なり、また地軸の傾きから季節でも変化する。これに地球の自転効果（コリオリの力）も影響し、偏西風や貿易風などの大気循環や海洋循環を起こす。

将来

左から地球、グリーゼ581c、海王星。グリーゼ581cは地球型惑星であると考えられている。

現在の地球は、海に覆われ自然も豊かではある。しかし今後数十億年の間には、巨大隕石の衝突、あるいは大陸移動に伴う火山活動や気候変動などによる大量絶滅が起きる可能性もある。

上の様な急激な変動以外にも、緩慢な変化も予想されている。地球は火星よりも大きく重力が大きかったため、また金星よりも太陽から適度に遠かったため惑星形成時の大気、特に水が散逸せず残されたが、長期的には宇宙空間への大気流出が地殻気象に影響を及ぼすと見込まれる。地球磁場は太陽風が大気を持ち去る現象（スパッタリング）を防ぎ、熱のバランスが程よく取れているため大気がまとまって加熱流出する現象（ハイドロダイナミックエスケープ）も現在ではほとんど無い。しかし低気圧下では分子単位の運動によって水素が脱出速度を超える現象（ジーンズエスケープ）や、荷電粒子が磁場に沿って脱出する現象などがある。現在、地球からは1秒当たり水素は3kg、ヘリウムは50gずつ宇宙へ散逸している。これが続き、約30億年後（学者によっては約10億年後や約20億年後）には地球の水分はかなり減少し、水循環は両極域に限定されると考えられている。

研究史

球体説と平面説

太古の人類が認識する世界は自らが体験する環境に限られ、緒事物の根源を説く神話にある数々の創世物語の根拠はせいぜい身近な現象からの類推に限られていた。人類が住む大地の認識は、中国、インド、バビロニアなどほとんどが平面を想定していた。そのような中、地球を球体と捉える特殊な概念を成立させた歴史に残る最古の例は古代ギリシアであり、ピュタゴラスを嚆矢としアリストテレスが天動説体系での宇宙像を創り上げた。さらにローマのクラウディオス・プトレマイオスは各惑星の相互運動を理論化し、天文モデルを構築した。

地球が球体という概念はギリシア哲学や数学同様、キリスト教が思想の中心を占めた中世のヨーロッパには伝わらなかったとしばしば言われるが、それは近代以降に生まれた伝説であり、実際には中世にも引き続き地球球体説が支配的であった。地球平面説神話を参照。キリスト教的世界観である普遍史を纏めたアウグスティヌスが著作『神の国』にて、球体地球を前提とした対蹠地に住む人々の存在を「根拠が無い」（16章-9）と否定して地球平面説を採ったと言われるがこれも実際には『神の国』中に地球球体説を否定する記述はない。地球平面説#初期のキリスト教会を参照。一方、8-9世紀のイスラム世界はギリシア・ローマの知識習得に組織的に努め、多くのギリシア語文献をアラビア語へ翻訳し、イブン＝スィーナーのような後継者も生んだ。地理学分野でもイドリースィーがプトレマイオスの地図を改良するなど、地球球体説を補強・強化した。

全容の把握

ゲラルドゥス・メルカトルが1569年に作成したメルカトル図法の地図。

大航海時代を迎えたヨーロッパ人は東西に向かい、1488年にバルトロメウ・ディアスが喜望峰を廻ってインド洋が内海でないことを知らしめ、1492年にクリストファー・コロンブスがアメリカ大陸を発見し、そして1522年にフェルディナンド・マゼランの一行が世界一周を成し遂げた。こうして16世紀には地表のほぼ全域についての知識が揃った。

そして1539年、ニコラウス・コペルニクスが『天体の回転について』を発表して地動説を唱えると、ヨハネス・ケプラーやガリレオ・ガリレイが理論を補完し、地球は宇宙の中心の座を太陽に譲り渡し、惑星のひとつと認識されるようになった。

次に疑問となったのは、地球が真球か否かという点だった。ルネ・デカルトやジョヴァンニ・カッシーニは南北に縦長な球（長球）との立場を取ったが、アイザック・ニュートンは、振り子時計をパリから赤道付近へ持ってゆくと遅くなるというジャン・リシェによる報告から推測し、地球は南北方向がややつぶれた楕円球（扁球）だと考えた。この問題はジョヴァンニの子息ジャック・カッシーニ（縦長派）とピエール・ルイ・モーペルテュイ（横長派）がアカデミー・デ・シアンスを舞台にした論争の主題となり、ルイ15世の指示で実測が行われることになった。1736年から10年間をかけた観測では、ラップランド（トルネ谷）の緯度差1度当たりの子午線弧長がペルーよりも約1km長いことが判明し、地球は南北側が短いことが明らかとなった。論争に敗れたジャックだが、後に孫の代まで続いた子午線の測定は地球の周長を知らしめ、メートル法制定に寄与した。

理解の深化

ヘリウムのスペクトル

19世紀には新しい元素の発見が相次ぎ、さらに光から元素を推定できる分光器が発明された。太陽光の分光から太陽には未知の元素「ヘリウム」がある可能性が示唆されていたが、1895年にウィリアム・ラムゼーがウラン鉱石から新しい元素を発見し、これがヘリウムであると同定した。この結論は、アリストテレス以来の第五元素（エーテル）説を葬り去り、地球も太陽も同じ物質から作られているということを証明した。20世紀初頭にアルフレート・ヴェーゲナーが提唱した大陸移動説では、なぜその運動が起こるかを説明できなかった。しかし第二次世界大戦で発達した音波を使用する技術を用いた海底地形の調査を通じて大西洋の中央海嶺が発見され、さらにそこから両側に海洋底が広がっていることが判明した。この発見を皮切りに様々な証拠が集められ、重力計測による大陸地殻と海洋地殻の存在、地震波計測による核とマントルの存在が明らかとなり、1960年代中ごろにマントル対流と地殻のさまざまな運動が理論的に構築され、プレートテクトニクスの概念が生まれた。これは1980年代頃までには大枠が出来上がり、さらに地震波トモグラフィーによるマントル構造の解析（マントルトモグラフィー）や対流状況とプレートの関連を解析（プルームテクトニクス）などへ研究段階は発展した。

近年の研究

アポロ8号が月から撮影した『地球の出』

深海掘削船「ちきゅう」

1957年の初の人工衛星の軌道投入以来、地球を宇宙空間の衛星軌道上から観測する手法が発達した。1961年、ソビエト連邦がユーリイ・ガガーリンの宇宙飛行を成功させ、全球写真は1968年にアポロ8号が撮影したものが公開された。宇宙から地球を観察分析する手法は多方面に渡って行われ、大気や気象、植生、海流や海水温度などの水状況、オゾンホールなど地球理解に寄与している。プレートの移動や沈み込み観測にはGPSが利用されている。

宇宙探査機による太陽系の他の惑星探査は、地質学中心の地球物理学から比較惑星学そして惑星物理学へと地球理解の手法を発展させた。地球地殻上に存在する最古の地質は38億年前のものまでだったが、月を始めとする天体の詳細な分析は太陽系そして地球起源に関する情報を与えた。また、斉一説手段を取る地質学では得られない比較対象をもたらし、地球理解の深耕にも寄与した。

また、地殻を掘り進む研究も進んだ。モホロビチッチ不連続面を貫通し資料を得ようとする活動は1950年代からあり、1975年からは国際深海掘削計画が進め、2004年には統合国際深海掘削計画 (IODP) が調印された。ここに日本での建造が進んでいた深海掘削船「ちきゅう」が投入され、2012年のマントル到達を目標にしている。