[おことわり] わたしはこの分野を地球科学概論的な授業で担当する程度には「専門家」だが、 この分野の研究者ではない。したがって、詳しい記述には自信がない。 この教材では、意図的に、おおざっぱな記述をしているところがある。 また、このページは、 2017年1月12日の授業のために当日あわてて作っているものであり、不備もあると思う。 授業後、数週間のうちにいくらか改訂するつもりである。 学期終了後には、全面的に再構成して、アドレス(URL)も変えるかもしれない。
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隕石などの分析や太陽光のスペクトルなどから、太陽系の元素組成はかなりよくわかってきた。 水素、ヘリウムが多く、大まかには原子番号が大きいほど少ないが、でこぼこがある。
地球は、太陽に比べて、水素、ヘリウム、その他の貴ガスが少ない。 地球形成の初期に気体だったものは失われたと考えられている。
地球は、形成初期に、分化が起きた。 (酸素原子 O は、他のいろいろな元素と化合した形で含まれる。)
炭素は、酸化的(好気的)状況ではCO2、 還元的(嫌気的)状況ではCH4になりやすい。 中間の状況では CO の形をとる可能性がある。 地球形成初期にどの状態だったかはまだよくわからないが、 CO2だった可能性が高いと考えられている。
なお、現在の金星と火星の大気は、質量、温度などの条件が相互にちがうが、 いずれも主成分はCO2である。 (火星のCO2の多くは固体として地表面下にある。)
H2Oは、地球形成初期に微惑星衝突による熱で温度が高かった時期には 水蒸気大気だった可能性があるが、衝突がおさまってから凝結して海となった。 海は地球の全部を覆わず、陸も存在した。
CO2の一部は海水にとけ、陸の岩石の風化によって供給された Ca2+、Mg2+と化合し、炭酸塩岩 (CaCO3を主成分とする石灰岩や、 MgCO3とCaCO3を主成分とするドロマイト)として堆積した。 これによって大気中のCO2量は減った。
それ以後、太陽が出す放射のエネルギーはしだいにふえた (と恒星発達の理論から考えられている)が、 大気中のCO2が減って温室効果が弱まることで埋め合わされて、 地球はほぼ常に液体の海がある状況にあると考えられている。 (ただし、何度か、数百万年の時間スケールで、全面凍結した可能性はある。)
大気中の二酸化炭素、海水中の二酸化炭素・炭酸水素イオン・炭酸イオン(あわせて全炭酸)、 堆積物中の炭酸塩は、あわせて、「地球表層環境の炭素のたまり」と見られる。
地球表層環境への炭素の供給は、 地球内部から、火山ガスに含まれるCO2として来る。 (これは火山活動が活発なほど多いだろう。 海洋底拡大速度が速いほど多いという説があるが、必ずしも確実ではない。)
地球表層環境の炭素の消費は、 陸上のCaやMgを含むケイ酸塩岩石が風化し、CaやMgが水にとけたイオンの状態になり、 それが海水中の全炭酸と反応して炭酸塩として堆積する、というプロセスによって起こる。 (風化は、大局的には、温度が高いほど活発だろう。 大気中のCO2は温室効果気体なので、 ケイ酸塩岩石の風化は、大気中のCO2を減らすことによって、 温度に対して負のフィードバックをもたらすと考えられている。)
炭酸塩岩石は、地殻の深いところで変成を受け、ケイ酸塩岩石となることがある。 この反応でCO2が分離し、火山ガスのCO2のもとになる。 これで循環が閉じる。[この項目、2017-01-27補足]
生物の進化では、 まず海底火山の熱水に含まれる成分の化学ポテンシャルを利用するものが発達したようだ。
現在の地球大気では、O2が約1/5をしめているが、 これは、光合成をする生物によってつくられたものにちがいない。
大気のO2がCO2からつくられるのならば、 それに見合った量の炭素が、CO2よりも還元的な形でたまっているはずだ。 具体的には、石炭(炭化水素よりも炭素の比率の高い高分子)、石油・天然ガス(炭化水素)などの 形をとっていると考えられる。これらを「有機物」とまとめることがある。 光合成で有機物がつくられてもすぐ分解すれば大気中の酸素の増加には寄与しない。 有機物が岩石圏に埋没するかどうかが分かれめなのだ。
なお、大気中のO2の変動には、鉄の酸化なども関与してきた。
現在(工業化前の状態)では、光合成によるO2生産・CO2消費と、 呼吸・分解によるO2消費・CO2生産がほぼつりあっている。
海洋については、表層での大気とのガス交換、生物による光合成・呼吸・分解、 生物による炭酸塩または有機物の固体粒子形成とその沈降、 海洋の流れによる移流、河川による流入、をあわせて考えなければならない。
化石燃料燃焼によって、大気中にCO2が供給されている。 その約半分が、大気中のCO2濃度の増加となっている。 (それに見合った量だけ、大気中のO2が減っていることもわかってきた。) 残りは、海洋と、陸上生態系(植物体・土壌)とに行っている。
森林破壊によっても、大気中にCO2が供給されている。 逆に、植生の成長によって、大気中のCO2が吸収される。 CO2増加は、中緯度の陸上で、光合成を促進しているらしい。
地球温暖化がかなり進行すると、 温度上昇とともに有機物の分解速度は確実に速くなるが、 光合成の効率がよくなるかどうかにはさまざまな制約があるので、 正味で排出が勝って、温度上昇を加速する可能性が高いと考えられている。
メタンは現在の地球の炭素循環のうちでは小さい部分を占める。
メタンは1分子あたりの温室効果がCO2よりも大きい。 しかし、大気中の平均滞在時間はCO2よりも短い。
大気中のメタンのおもな発生源は、嫌気的環境に生きる微生物であり、 自然にも、湿地や浅い水域に存在するが、 人間活動によって、水田やダム湖で増加していると考えられている。 (それは、水田の水管理や、ダム湖底に沈んだ植物遺骸などの処置によって、減らせる可能性がある。)
人間活動によるメタン発生源には、化石燃料(天然ガス)からのもれもある。
大気中のメタンの消滅は、地表面との接触、OHラジカルとの接触などによる。
凍土中にはメタンが含まれていることが多い。 温暖化が進行すると凍土がとけて、メタンが大気中に出て、 温室効果強化によって温暖化を促進する可能性がある。
メタンハイドレートは、氷の中にメタンが閉じこめられたような構造の固体である。 大陸沖の斜面の海底の地下に存在する。 圧力が下がったり温度が上がったりすると急激に分解してメタンが大気中に出る可能性がある。 (メタンを回収して天然ガス資源として使うことをめざした研究が進められているが、 成功するかどうかは確実ではない。)
大気中のメタン濃度は、工業化以来ふえているが、2000年代には増加がにぶっていた。 しかし2010年代になってまたふえている。
地球表層の窒素の多くは、大気中および海水にとけた窒素分子 N2の形になっている。 しかし、N2は反応しにくい。
N2および分解しにくい高分子を除いた形で存在する N を総称して 「反応性窒素」と呼ぶことがある。 反応性窒素には、NO2、NO、N2O、NH3などの気体や、 NO3-、NO2-、NH4+などのイオンを含む。
大気汚染や、オゾンとの反応に関しては、NO2やNO (あわせてNOxという)が重要である。 地球温暖化に関しては、(相対的に大気中の滞在時間が長い) N2O が重要である。 (NOxとN2OをあわせてNOyということがある。)
窒素のさまざまな形のあいだの反応には、窒素固定、硝化、硝酸還元、脱窒があり、 それぞれちがった微生物がになっている。 脱窒の産物はおもにN2だが、N2Oになることがある。 硝化の産物にもN2Oがまじることがある。
(温室効果気体排出削減策としてのN2O排出削減には、 肥料などによる土壌への反応性窒素の供給量を制御することと、 硝化や脱窒の過程でN2Oをつくる可能性のある土壌微生物の特性を理解して N2Oを生産しにくい状態に制御することが重要と考えられる。)
工業化以来の人間活動による反応性窒素の増加には、 肥料などを目的とする工業的窒素固定(おもにハーバー・ボッシュ法によるアンモニア生産)と、 燃焼による窒素酸化物生成(大気汚染、酸性雨)がある。
硫黄の気体として存在可能な形には、SO2、H2S、 硫化ジメチル(dymethyl sulfide, DMS, CH3SCH3)などがある。
SO2は、火山ガスや、硫黄を含む化石燃料の燃焼などによって供給されるが、 酸素分子と水のある環境で酸化されて硫酸(H2SO4)の液滴や 硫酸アンモニウムなどの硫酸塩(sulfate)エーロゾルになる。 (硫酸液滴を含めて「硫酸塩エーロゾル」ということが多い。) エーロゾルは結局は地表に沈着する。
DMSは海の植物プランクトンによって作られる。大気中で凝結してエーロゾルになることもある。
リンは常温で気体となる分子がなく、大気中の存在はエーロゾルに限られるので、 循環は水圏と岩石圏の間で起こる。
人間活動によるリン循環のおもな改変は、 肥料などを目的としたリン鉱石の採掘・利用とその余り・廃物の流出による。
「エーロゾル」という表現(気象庁などが使っている)はドイツ語由来。 英語 aerosol ならば「エアロソル」となると思われるが、 日本語では「エアロゾル」とする人が多い。
エーロゾルは、固体または液体の粒子が 気体とほぼいっしょに動く[ゆっくり落下してもよい]状態をさす。 ただし気象学では、H2Oを主成分とするエーロゾルは「雲」として別扱いにする。
エーロゾルの起源・組成は次のようにさまざまなものがある。
水蒸気が凝結して雲粒になるときに、エーロゾル粒子が凝結核として働く。 (凝結核がないと過冷却になってもなかなか凝結しない。) およそどんな種類のエーロゾルでも凝結核になりうる。 凝結核が多いと、雲粒が多数になり、小さいものになりやすい。 (雲粒が小さいと落ちにくいので、雲としての寿命が長くなるだろう。)
雲粒が成長して降水粒子になる過程のうち、 氷晶を経る過程が可能ならばそのほうが効率がよいが、 氷晶の形成の際に、エーロゾルが氷晶核となる。 エーロゾルが氷晶核となるためには、立体構造などの条件がある。 人工的実験では、ヨウ化銀(AgI)、ドライアイス(固体CO2)などが 氷晶核に適していることが知られている。 氷晶核が多いと、雲が速く降水となって落ちるだろう。
海洋の海域によっては、植物プランクトンの光合成生産に対して、 ある元素、たとえば鉄(Fe)が制限要因になっていることがある。 そこに、陸起源の土壌・岩石粒子のエーロゾルとして、(たとえば) Feが 供給されると、光合成が活発になるだろう。 さらに、生産された有機物または炭酸塩が海洋深く沈めば、 大気からの正味の二酸化炭素吸収が促進される可能性がある。 (ただし、因果関係がそのようにうまく続くとはかぎらない。)