なぜ地球には大気があるのでしょうか？地球の大気はどのようにして形成されたのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 世界について語る

プロデューサー: 中国科学博覧会

人間が生きていくために依存している大気は、地球全体を取り囲んでいる巨大なガス層であり、大気と呼ばれます。大気は、汚染がなければ透明、無色、無味、無臭です。この大気は多くの種類のガスで構成されていますが、その中でも含まれる酸素は人間の生存にとって最も重要です。

この大気層は常に動いており、私たちが感じる風は空気の動きを反映しています。この空気の層は音波を伝達し、人間が言語を通じてコミュニケーションをとるのに役立ちます。この大気層の存在により、人体の健康に有害な放射線が人間の生活環境に侵入するのを防ぎ、人間の正常な生活と生殖を保護することもできます。つまり、この雰囲気は人類と社会の進歩にとって極めて重要なのです。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

その雰囲気もまた、予測できない魅力で人々を魅了します。人々は古くから、この大気の神秘的な世界に興味を抱いてきました。人々が特に懸念しているのは、その「背景」だ。雰囲気はどうやって作り出されたのですか?元々の雰囲気はどんな感じだったんですか？今と同じ雰囲気ですか？この一連の疑問は今日まで議論されてきました。

地球が形成されて以来、数十億年にわたる継続的な「更新」を経て、地球の大気は今日の姿に進化してきたと一般に認められています。しかし、それはどのように進化したのでしょうか?

地球の大気の進化は3つの段階に分けられると一般的に考えられています。

原始的な雰囲気のステージ

約50億年前、地球の誕生とともに大気が神秘的に「誕生」しました。つまり、ラプラスが語った星雲が凝縮し始めたとき、すでに大量のガスが地球を取り囲んでいたのです。原始的な大気の主成分は水素とヘリウムでした。地球が形成された後、地球内部の放射性物質の崩壊によってエネルギー変換が起こりました。この変化は地球の大気の維持と消滅に役割を果たします。太陽風の強い影響と、地球が最初に形成されたときのより小さい重力と相まって、元々の大気は急速に消滅しました。

二次大気段階

地球が形成された後、気温の低下により地表で凝結が起こり、地球内部の高温により火山活動が頻繁に起こりました。火山の噴火時に生成された揮発性ガスは徐々に元の大気に取って代わり、二次大気となりました。二次大気の主成分は、二酸化炭素、メタン、窒素、硫化水素、アンモニアなど、分子量の重いガスです。これらのガスと地球上の固体物質は互いに引き合い、依存し合っています。

今日の大気の位相

太陽放射が地球の表面のより深いところまで到達するにつれて、比較的短波長の紫外線による強力な光合成によって地球の二次大気中に酸素が生成され、酸素の量が増加し続けます。酸素の存在は、地球上の生命の出現にとって極めて好ましい「繁殖の場」を提供します。数十億年にわたる分解、同化、進化を経て、ついに地球というゆりかごの中に生命が誕生しました。原始的な単細胞生命は、大気が織り成す「ゆりかご」の中で進化・発達を続け、ついには今日の世界文明を支配する高度な人類へと発展しました。今日の雰囲気も、その過程でこのような「幸せな家族」を獲得しました。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

今日の大気はさまざまなガスの混合物ですが、主成分は窒素で、次に酸素が続きます。他にもガスはありますが、その量は極めて微量です。地球の長期にわたる進化の結果として、大気は現在の姿になっています。

今日の大気の構成はどのようにしてできたのでしょうか?

今日の大気の構成はなぜこのようになっているのでしょうか?長い期間にわたってどのように進化してきたかについては、現在主に 2 つの見解があります。

一つの見解は、今日の大気は地球の元々の大気から進化したというものです。別の見方では、元々の大気はもはや存在せず、現在の大気は地球内部の火山活動によって噴出された物質から進化したものであるとされています。この問題を分析して説明するために、地球の隣の惑星（金星と火星）と比較することができます。検出データによると、金星の大気の主成分は二酸化炭素です。下部は主に二酸化炭素で、少量の酸素、窒素、炭素、ネオン、ヘリウム、水蒸気、上部には原子酸素が含まれています。火星の大気は主に二酸化炭素で構成されており、アンモニア、水素、酸素、水蒸気などの物質も含まれています。以前もこんな感じの雰囲気だったんですか？質問としては、このように考えてみましょう。

地球の元々の大気も主に二酸化炭素で構成されていたとしたら、主に窒素と酸素で構成される今日の大気となぜ異なるのでしょうか?地球の大気は主に火山の噴火によって生成されており、現在の火山噴火データによると、火山噴火物質の主成分は水蒸気で81％を占め、二酸化炭素が10％を占め、窒素、硫黄などであり、自由酸素は存在しません。このことから、これらの成分は、元々の大気中でも火山の噴火ガス中でも非常に稀であることが分かります。さらに、オゾンの形成は、大気中に遊離酸素が存在する場合にのみ可能です。酸素が存在すると、元の大気中の一酸化炭素は二酸化炭素に酸化され、メタンは水蒸気と二酸化炭素に酸化され、アンモニアは水蒸気と窒素に酸化されるため、二酸化炭素が優勢になります。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

当初の大気の大部分は二酸化炭素でしたが、光合成の発達により、大量の炭素が生物の形成に使用され、また炭素の一部は海に溶けて海洋生物の発達の物質となりました。大気中の二酸化炭素が増えると、海水に溶けている二酸化炭素の量もそれに応じて増加します。現在では、化石燃料の燃焼により二酸化炭素濃度が増加しているという見方があります。しかし、二酸化炭素の濃度が増加すると、自然界の生態学的バランスは二酸化炭素の濃度の過剰な増加を許すことができず、その一部は水に溶け込まざるを得なくなります。

もう一つの成分は窒素です。現在の大気の主成分は窒素ですが、太古の大気や火山の噴火ガスから判断すると、窒素成分はわずか数パーセントと非常に少ないです。今日窒素が増加している主な理由は 2 つあります。まず、窒素の化学的性質は非常に不活性であり、他の物質と結合しにくいため、ほとんどが自由な状態で存在します。一方、窒素の水への溶解度は二酸化炭素の7分の1と非常に低いため、大気中ではほとんどが遊離した状態で存在します。二酸化炭素の減少により、当初の水蒸気のほとんどが液体の水に変わり、今日の水圏が形成されました。相対的に言えば、窒素と酸素の比率が増加しています。したがって、今日窒素がこれほど多く存在する理由は、窒素そのものの特性に関係しています。

もちろん窒素も循環しています。一部の根粒菌は窒素を吸収することができ、窒素の一部が生物循環に参加できるようになります。これらの物質は腐敗して分解すると、遊離窒素を放出します。窒素のごく一部は地殻内の硝酸塩にも入ります。窒素は循環に関与していますが、そのほとんどは自由な状態で存在します。相対的にその量は増加しており、大気の主成分となっている。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

このことから、2 つの結論を導き出すことができます。第一に、現在の大気の構成は、地球の長期にわたる進化の結果であり、水圏、生物圏、岩石圏による十分な物質循環の結果です。これらの円は相互につながり、相互に浸透する全体であると言えます。第二に、現在の大気の構成は依然として連続的なサイクルにあり、このプロセスは基本的にバランスが取れていて安定しており、短期的には明らかな変化は見られません。