スノーボールアース
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スノーボールアース（Snowball Earth, 雪球地球、全球凍結、全地球凍結）とは、地球全体が赤道付近も含め完全に氷床に覆われた状態をいう。
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[編集] スノーボールアース仮説
先カンブリア紀の終り頃（6億～8億年前）、実際にこのような激しい氷河時代が存在したという考え方が地球史の研究者の間で主流となりつつある。これをスノーボールアース仮説という。この仮説は1992年にカリフォルニア工科大学のジョー・カーシュヴィンク教授がアイデアとして専門誌に発表したのが最初である。その後1998年にハーバード大学のポール・ホフマン教授が南アフリカのナミビアでのキャップカーボネイト調査結果などをまとめて科学雑誌サイエンスに投稿し大きな反響を得た。
この仮説において注目するべき点は、全球凍結という壮絶な環境変動が原生生物の大量絶滅とそれに続く跳躍的な生物進化をもたらしたとされることであろう。たとえば酸素呼吸をする生物の誕生や、エディアカラ生物群と呼ばれる多細胞生物の出現などがスノーボールアース・イベントと密接に関わっていると考えられている。
[編集] スノーボールアース仮説以前
この説が提案されるまでは、地球は形成直後のマグマオーシャンに覆われた灼熱の状態から徐々に冷えて、温暖な気候の時期と、寒冷な気候の時期、いわゆる氷河時代を経ながら現在に至ったもので、この間に地球全体が赤道に至るまで完全に凍結する事は無かったと考えられてきた。
地球軌道において太陽光を源とする熱収支を考慮すると、仮に地球全体が凍結した場合、そのアルベドで陽光の大半が宇宙空間へ反射され、凍て付いた氷床を溶かす事は出来ない。それゆえに、地球史上で一度地球全体が凍結したら以後は永遠にそのままであると考えられた。言い換えれば、地球を暖めて凍結状態から脱出する方法がなく、現在も凍結している筈であると考えられた。
それゆえに、現在の地球が温暖な気候を持ち、液体の海をたたえている事が、そのまま、地球が凍りついた事が一度も無い事を示す何よりの証拠であるとも言われた。
[編集] スノーボールアース脱出
この説では、凍結状態を脱出する方法として、火山活動に由来する二酸化炭素などの温暖化ガスの蓄積を挙げている。液体の海は大気中の二酸化炭素を吸収するため、ある程度以上の高い濃度にはならない。しかし、全球凍結で海も凍りついている場合には、火山から放出された二酸化炭素は海に吸収されることなく大気中に蓄積される。これが大きな温室効果を発揮して大気の温度を上げ、氷床を溶かして全球凍結状態を脱出するとしている。
最近の研究では、先カンブリア紀末の約2億年の間におそらく4回の全球凍結が起こった、またそれ以前の約22億年前頃にも全地球的な寒冷化が発生した（ヒューロニアン氷期）と考えられるようになっている。以下6～8億年前に起こったスノーボールアースについて説明する。
[編集] スノーボールアースの前提
[編集] 地表温度を決める要因
地表は、太陽光線が当たって暖められ、宇宙空間への熱エネルギー放射で冷める。太陽の活動度や地球と太陽の距離が大きく変化しない状況では、地球に降り注ぐ太陽エネルギーは一定であると考えられる。他に気温を左右する要因として下記項目が挙げられる。
- 温室効果：メタンや二酸化炭素などのガスは、大気から宇宙へ出てゆく熱エネルギー量を減らし、結果として気温を上げる働きをする。これらを温室効果ガスと呼び、現在進行中の地球温暖化問題の原因として注目されている。スノーボールアース仮説では二酸化炭素量について詳細に検討された。
- 氷床による光の反射：白い氷床は太陽光の反射率（アルベド）が非常に高く、入射した太陽光のエネルギーがそのまま宇宙空間へ流出する。その結果、地表の一定以上の範囲が氷に覆われると寒冷化は急激に加速する。逆の場合も成立し、氷床が減ってゆくと相乗的に気温が上昇する。
[編集] 二酸化炭素量が変化する要因
大気中の二酸化炭素比率は現在0.04％程度であるが、スノーボールアースの開始時にはその値は0.01％、終了時には約10％に達したと推定されている。二酸化炭素の増減要因には下記のものがある。
- 二酸化炭素の増加要因：二酸化炭素は火山ガスにより常時大気中に供給されている。火山活動は活発な時期には二酸化炭素の供給量が増加する。
- 二酸化炭素の減少要因：減少要因は生物的要因と地質的要因の2種類がある。
- 生物は光合成などにより大気中の二酸化炭素を固定する。これが死後分解せずに地中に埋没すれば大気中の二酸化炭素濃度は減少する（大量の大型植物が石炭化した石炭紀などが典型。ただし先カンブリア紀に生息していた光合成生物はストロマトライト程度で、石炭を作る大型植物はまだ発生していない）。
- 地質的要因は海水中の金属イオン濃度が関係する。陸地が浸食されることによって岩石中にあったカルシウムやマグネシウムなどの元素がイオン化され、河川によって海水へ供給される。二酸化炭素はこれらの金属イオンと結合して方解石（CaCO3）や苦灰石（CaMg(CO3)2）などの炭酸塩鉱物（カーボネート）を生成する。海中に金属イオンが大量に存在すれば、大気中の二酸化炭素は急速に減少する。
なお、この時代は石灰岩質の骨格や殻をもつ生物はまだ存在せず、石灰岩は無機的な化学的反応によって造られていた。
[編集] 超大陸ロディニアの存在
当時、地表の陸地のほとんどが1ヶ所に集まり超大陸ロディニアを形成していた。またそのころ陸地面積が大幅に増えたことが示唆されている。陸地の増大は岩石の浸食を増加させ、イオン化したカルシウムやマグネシウムを大量に海へ供給した。
またロディニアは赤道付近にあり、そのことによって地球が寒冷化しやすい状態になっていたという説もある（陸地は海よりも熱の反射率が高く、赤道近くにあればそれだけ効率的に太陽エネルギーの吸収を妨げる。一方高緯度に陸地があった場合、それが氷に覆われると岩石の浸食による金属イオンの海への供給が減少し、大気中の二酸化炭素が増加して寒冷化の進行を抑える）。なお20億年以上前の寒冷化の時期にも、同じように陸地のほとんどが赤道付近に集まっていたらしい。
[編集] スノーボールアースの推移（仮説）
- 海に藻類などの光合成生物が多く発生し、光合成により酸素が大気へ多量供給された。
- 同時期に地殻運動が活発化して、土砂が大量に海へ流入し、植物の死骸を埋没したため、死骸分解に伴う二酸化炭素など温室効果ガスの発生が抑制された。
- 温室効果の減少により地球全体の寒冷化が始まり、極地から次第に氷床が発達していった。氷床が太陽光を反射したため一層の寒冷化を招いた。
- 一度加速した寒冷化は止まらず、最終的に約3,000mにも及ぶ氷床が全地球を覆うようになり、スノーボールアースに至った。この状態は数億年～数千万年続いたとみられる。
- 凍結しなかった深海底や地中深部では、わずかながら生命活動が維持されていた。凍結中も火山活動による二酸化炭素の供給は続けられており、大気中の二酸化炭素濃度が高まっていった。地表が凍結している間は岩石の風化も凍結状態だった。
- 大気中の二酸化炭素濃度が一定比率に達すると気温が上昇し、一気に氷床の解凍が始まった。短く見積もった場合には数百年単位で極地以外の氷床が消滅して、大気温は約40℃まで上昇したと推定されている。温暖化した気候の影響により大規模な嵐や台風が頻発するようになり、岩石の風化が促進され、大量の金属イオンが海に供給された。また長年堆積していた海の沈殿物が嵐により撹拌され、沈殿物が海の表層部に舞い上がった。
- 大気中の高濃度の二酸化炭素は海中に溶け込み、一部は上記金属イオンと結合して大量の炭酸塩岩を海底に沈殿させた。
- 海の表層部に舞い上がった大量の沈殿物が光合成単細胞生物に利用され、光合成を激しく促した。またスノーボールアース以前の光合成生物の酸素放出速度より遥かに速いスピードで酸素が放出されたため、大量の酸素が地球に蓄積していった。
- 一部の生物が海中の高濃度の酸素を利用し、細胞接着物質であるコラーゲンを産生することに成功。単細胞間の接合が促進され、多細胞生物が出現するようになった。
スノーボールアースが始まる前（10億年前）の生物界は単細胞生物が主体で、多細胞生物は小型の菌類などがようやく出現し始めた段階であった。しかしスノーボールアースが終了した原生代末のエディアカラ紀（6.2～5.5億年前）には、エディアカラ生物群と呼ばれる大型生物が出現している。大きなものでは長さ1mを超える生物化石がオーストラリア南部のエディアカラ丘陵から産出した。この突然の大型生物出現とスノーボールアースの関係について検討が行われている。なお生物の進化は加速し、その次のカンブリア紀にはバージェス頁岩化石に代表される多様な生物群が生まれた（カンブリア爆発）。
[編集] スノーボールアースの証拠
当時地球が氷結した事を示唆する地質学的証拠が多数確認されている。
- 南極以外の世界各地でこの時代の氷河堆積物が見つかっている。この中には古地磁気分析で当時赤道周辺であったと推定される場所も含まれる。
- 氷河堆積物の直上に厚い炭酸塩岩層（キャップカーボネイト）が発見されることが多い。これは寒冷化終結と同時に二酸化炭素の固定化が開始したことを意味する。アフリカ南部のナミビアなどで発見された例では、炭酸塩岩が非常に急速に沈殿したことが判明している。
- 縞状鉄鉱床の存在。縞状鉄鉱床は約20億年前の無酸素状態の海中に溶解していた鉄イオンが、シアノバクテリアなどの光合成による酸素と反応し、酸化鉄となって大量に沈殿した鉄鉱床。この種の鉱床の形成は酸素が十分に増えた19億年前に終了していた。しかしこの縞状鉄鉱床が世界各国の7億年前の氷河堆積物中から見つかった。当時の海洋が厚い氷床により大気と分断され生命活動も低下した結果、海水の酸素が無くなって20億年前の状態に戻ったことを示唆している。
[編集] 参考文献
- 『全地球凍結』川上紳一、2003年9月 集英社新書 (ISBN 4087202097)
- 『スノーボール・アース』著者：ガブリエル・ウォーカー、翻訳：渡会圭子、監修：川上紳一、2004年2月 早川書房 (ISBN 4152085509)
[編集] 外部リンク
以下、英語のサイト
- Snowball Earth スノーボールアースに関する包括的なサイト
- "The Snowball Earth" Paul F. Hoffman と Daniel P. Schrag による概説 1999年8月8日
- スノーボールアースの図解 (1ページ, pdf, 7.22 MB)
- ガブリエル・ウォーカー、"Snowball Earth" Muse 2004
