• 目代[もくだい] 邦康, 笹岡 美穂, 2018: 地層のきほん。誠文堂新光社, 143 pp. ISBN 978-4-416-61815-8.

2018年5月の新刊。わたしは地学概論の授業で紹介する本をさがしているときに店頭で見つけた。

前に紹介した上出 洋介 『太陽のきほん』[読書メモ]と同じシリーズで、イラストレーション入りで、見開き2ページが1つの話題になるように編集されている。

地質学の入門読みもので、火成岩や変成岩にも少しふれているが、大部分は堆積岩に関する話題だ。

「おわりに」によれば、2010年に出た『地層のきほん』という本があって、その著者は目代さんひとりだったのだが、今度は笹岡さんが加わってつくりなおしたそうだ。笹岡さんは、「自然科学系(特に地学)のサイエンスデザイナー」で、修士まで地質学を学び、地質に関する研究機関で働いた経歴がある。目代さんのほうは、博士まで自然地理学を学んだ人で、産総研の地質標本館と、自然保護助成基金で働いた経歴がある。日本の「ジオパーク」の話題ではいつも出てくる人なのだが、本書ではジオパークの件は出てはくるものの記事の表題にせずひかえめに述べている。ふたりとも今はそれぞれ(事実上個人営業のようだが)会社の代表となっている。

第1章は地層についての、まさに基本的知識。地層は積み重なってできること、地層と岩石・鉱物との関係など。

第2章は地球に関する大づかみなこと。地殻・マントル・核があること、物質が循環していることなど。地質の観点で見た月と地球のちがいの話もある。

第3章は、火成岩、堆積岩、変成岩にわたる、岩石の種類とそのできるしくみの話。また、地層が曲がったり、ずれたりすること。

第4章は、地層の中に化石として過去の生物やその生きた痕跡が残っていること。地質時代区分がどのように決められているか、など。

第5章は、地層が見せるさまざまな姿、それが地層ができた状況を反映していること。地下水の話もある。

第6章は、人と地層のかかわり。物質資源として利用すること、知識の源としての意義(ここに「ジオパーク」も出てくる)、災害のもとともなること。

第7章は、地層を調べる方法。地質図などの資料のありかの紹介もある。

わたしにとって、本書の話題の大部分は、狭い意味の専門でないので、内容や記述のよしあしを判断する自信はないが、地学概論を教える立場で見て、大まかにはよくできていると思う。

ただし、(ここだけはわたしの専門のうちといえる)第4章第29話「地層からわかる過去の環境」の酸素同位体の話で、まちがいを2つ見つけてしまった。
左側ページの「ごくわずかですが、原子量が少ない酸素が存在します。」は、かんちがいだろう。酸素の大部分は原子量16の「軽い」酸素で、それにくらべてわずかに存在するのが原子量18の「重い」酸素だ。
左側ページのそれに続く本文と、右側ページの上の図の、(わたしが表現しなおすと)「氷期には、大気を経由して氷に固定される水は酸素同位体比が軽いほうに、海水は酸素同位体比が重いほうに偏る」という認識は正しい。(ただし、図の説明は、酸素16の動きに注目した表現になっている。研究者は微量成分である酸素18の動きに注目した表現をするのがふつうだ。)
ところが、その下の図の、「地層中の酸素18の割合 少・多」と「寒・暖」との対応が逆になってしまっている。(この文脈では、寒い時期は陸上の氷が多い時期でもあり、上の図の海水中の酸素18の多い少ないがそのまま有孔虫化石に反映されると考えればよいのだが、下の図はそうなっていないのだ。)

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• 福江 純, 2008: そこが知りたい天文学 (大人のための科学)。日本評論社, 226 pp. ISBN 978-4-535-60034-8.

2008年5月に出た本。わたしは2010年9月に買ったのだが、とおして読まなかったようだ。2018年4月になって、地学概論の授業の参考に、目をとおしている。

このシリーズは、おとなの読者が科学リテラシーをもつことをめざした、高校のレベルからの、学習指導要領などにとらわれない、教科書的な本として企画されている。渡辺 正、北條 博彦 (2008) 高校で教わりたかった化学 [読書メモ]も同じシリーズなのだ。ただし本書の場合は、天文学だけで高校の地学の教科書と同じぐらいのページ数をかけているから、高校の地学で学ぶ内容よりはだいぶくわしくなっている。

著者は大学の教員養成課程の教授だ。わたしはその著書を読むのはこれがはじめてなのだが、たしかパソコン用の天体シミュレーションのプログラムの作者として名まえを見たことがあったと思う。

【[2019-04-10 補足] 次のものがまだ手もとにあった。ただし、わたしはフロッピーディスクをとりだしてプログラムを実際にうごかしてみることはしないままだったようだ。

• 福江 純、藤原 隆男、岡田 理佳, 1992: 宇宙の旅 — PC-9801でシミュレートする現代天文学。アスキー出版局, 199 pp. + 5インチフロッピーディスク。ISBN 4-7561-0532-0.】

本書は、まず(全体の4分の1くらいのページ数をしめる)第1部で、天文学で使われる用語体系・概念体系の道具立てを説明する、という方針をとっている。これはわたしもやるべきだと思っていることだが、用語の羅列では退屈になるおそれがある。本書の記述ならば勢いがあるので退屈にならないと思う。
そのうち第1章では、「天文」「天文学」からはじめて、その内の専門を示すことばを、対象別や手法別に、日本語と英語であげている。科学研究の仕事に関する「観察・観測」「解析」「解釈」「理論」などのことばもとりあげられる。語源の話題では漢語、ギリシャ語、ラテン語も出てくる。
第2章は、数学というよりもむしろ単位のついた数量の話題。数量のオーダー(order of magnitude)を論じることもとりあげられる。
第3章は物理の概念。光のスペクトル、ドップラー効果、ニュートンの万有引力の法則。
第4章は、天文学特有だがその内では基本的な道具だて。天体を観測する方法とその装置である望遠鏡などのこと、天体の(見かけの)位置の表現、時刻の表現、天体の(明るさの)等級、天体の距離と視差。
第5章は、「天文学の業界用語」。第4章であげたもののように概念として重要ではないのだが、文献を読むうえで知っておくべき約束ごとがあげられている。

それから本論。
第6章は、神話から現代科学までの宇宙観の変遷。「天動説から地動説へ」など。神話の文脈でつくられたが今も天体の見かけの位置を示すのに生き残っている「星座」の説明もここでしている。
第7章は「天体の階層構造」とあるが、宇宙にはさまざまな空間規模の現象があることを見渡す (ほかの本の図の再利用だが、長さ尺度が100倍ずつちがう18個の画像をならべた「ここはどこ?」という図は印象的だ)。また宇宙の歴史のカレンダーなるものもある。宇宙の始まりの「ビッグバン」のころが詳しい。近未来も詳しく、そこにはまじめだがSF的な技術の将来見通しの項目もちょっと含まれている。
第8章は太陽について。見えている特徴、内部で起こっているエネルギー変換、「誕生」と「寿命」など。
第9章はそのほかの太陽系の天体。惑星(本書の時点では冥王星も惑星とされていた)、彗星、エッジワース=カイパーベルト天体など。太陽系の起源のシナリオ。
第10章は恒星について。スペクトル型と明るさを両軸にとったHR図で、主系列、赤色巨星、白色矮星。「星の進化」(質量の階級別のシナリオ)。元素はどこで生成されたか。
第11章は「ブラックホール」と「降着円盤」。
第12章は天の川銀河(われわれのいる銀河)の構造。
第13章はさまざまな銀河。
第14章は宇宙の膨張、「ビッグバン」からの宇宙の歴史、宇宙の将来についての見通し。
第15章は「ダークマター」と「ダークエネルギー」。
第16章は、地球の生命の歴史、生命が発生可能な惑星の条件、太陽系外の惑星の発見。
第17章は地球の環境についてのシステム論的なとらえかた。熱力学でいう非平衡開放系であること、Lovelockのガイア仮説とデイジーワールド モデルなど。(この部分は、地学ではありうるものの、天文学からははずれるような気もするが、著者にとっては天文学と人間生活とを結びつける意義のある話題なのだろう。)

本書の特徴として、画像がうまく使われていると思う。惑星にしても、銀河にしても、固有名が出てくるところにひとつひとつ画像がある。それぞれがA5判の本のページの半分から8分の1くらいの小さな画像なのだが、見やすくできている。白黒印刷で濃淡の階調がきれいに出ていることは印刷会社(三美印刷)の技術によるところも大きいと思う。

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• 上出 洋介 [かみで ようすけ], 2018: 太陽のきほん。誠文堂新光社, 159 pp. ISBN 978-4-416-61761-8.

2018年1月の新刊だが、「もくじ」の最後を見ると、2008年に出た同じ題名の本の改訂版だそうだ。わたしは、2018年1月に店頭で見つけて、地学概論の授業で紹介する本に含めるかどうか迷いながらひととおり読んだ。

まじめな入門書なのだが、スタイルは、半分が本文、半分がイラスト[注]で、イラストは写真のことも学術的グラフのこともあるが、漫画のこともある。本書のイラストは「うえたに夫婦」によるものだそうだ。

• [注] 「わたしの辞書にはイラストレーションということばはあってもイラストということばはない」のだが、ここは本書奥付の表現にしたがっておく。

そして、見開き2ページで1話になるようにデザインしている。わたしは、このスタイルに魅力を感じない。むしろ、文章の長さを実質1ページぶんごとにまとめなければならないという制約がきついと感じる。しかし、見てもらった学生のうちにはこういうスタイルのほうが読みやすそうだと感じた人もいたので、たぶん需要はあるのだろう。

「はじめに」でことわっているが、著者の専門は太陽そのものではなく、地球の(そのうちでは外側の)、太陽からくる陽子などの粒子の流れである「太陽風」を受けて起こる、オーロラや磁気嵐などの研究だ。『太陽と地球のふしぎな関係』[読書メモ]という著書もある。本書でも、その話題を含む最後の第5章が長めになっている。

第1章「太陽と私たち」は簡単な序論。太陽は人間にとって昔から重要だったこと。今では太陽自体ではなく地球の自転・公転によっておきることがわかっている日の出・日の入りや季節のできるしくみ、暦の約束など。

第2章は自然科学的にみて太陽はどういうものか。太陽では核融合が起きていること、光を出していることなど、まさに基本的な話。

第3章は太陽の活動のうち、とくに黒点と磁場のこと。

第4章も太陽の活動についてで、コロナのこと、フレアのことなど。

第5章は「太陽風」とそれが地球にもたらす影響の話。それから、人工衛星「ようこう」「ひので」も含めて、太陽を観測する技術の話。

第5章でとりあげられた太陽が地球にもたらす影響の話のうちに、気候の話もある。第62・63話で、いわゆる「太陽定数」は定数ではないが30年あまりの観測で変動幅はそれ自体の0.1%くらいにすぎないことが示される。第66話「地球気候への影響」ではそれを受けて、「太陽定数」の変動自体の気候への影響は小さいと思われるが、太陽活動から気候への因果関係はほかにもあるだろうとして、2つの可能性をあげる。そのうちあとに述べられた、紫外線の相対変動は大きいので成層圏のオゾン層の変動を通じて気候に影響しているだろうというのはわたしももっともだと思う。もうひとつとして、太陽磁場が銀河宇宙線を変調して雲に影響を与えるというのをあげている。太陽磁場あるいは太陽風から雲への影響のみちすじはほかにもありうると思うのだが、著者はそれを考えなかったのだろうか、考えたけれども省略したのだろうか。

そのあとに第67話「太陽黒点が世界史を変える?」が続く。17世紀以来の太陽黒点数の変動の事実はよいが、それと気候(寒さ、日照不足など)や農作物の凶作とを関係づける議論はおおざっぱだ。気候なり農業なりについて定量的なデータは示されていない。また、本書のここまでの議論をふまえれば、黒点は(気候に影響を与えうる)太陽活動のひとつの指標だろう。しかし第67話の言いまわしは黒点が気候に影響を与えるらしいというものになっている。さらに用語のことを言えば、「小氷河期」は「小氷期」としてほしかったし、「グランドミニマム」はたぶん太陽黒点あるいは太陽活動の極小期をさす表現であり「小氷河期」の同意語扱いしてしまうのはまずいと思う。わたしは初版を見ていないのだが、おそらく、初版から改訂版のあいだに、第66話は新しい知識で改訂されたが、第67話は古いまま残ってしまったのだろう。見開き2ページ1話完結のスタイルの欠点が出てしまったのかもしれない。

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• 東京大学 地球惑星システム科学講座 編, 2004: 進化する地球惑星システム。東京大学出版会, 236+8 pp. ISBN 4-13-063703-7。

2004年5月に出た本。出版直後に出版会からお贈りいただいたのだった。それから、阿部豊さんによる第3章はたしかに読んだのだが、全体を通して読んでいなかった。阿部さんの『生命の星の条件を探る』[読書メモ]を読みながら、基本的に同じ話題(もちろん話題の展開にちがいはある)を本書で読んだのを思い出した。この本は今年わたしが授業を担当している大学の図書館にもあり、受講者に勧める本に含めたほうがよいと思ったので、全体にざっと目をとおして紹介することにした。

地球を含む惑星の科学に関する入門書のひとつである。ただし、この分野をはじめて学ぶ人にはむずかしいだろう。さきに高校の地学の範囲をだいたいカバーした概説書を読んでからがよいと思う。そういう概説書はたいてい、複数の人がそれぞれ自分の専門を書いていて、読者は全体像がつかみにくいという不満を感じるだろう。本書はそういう不満を少し減らしてくれるかもしれない。

本書ができた背景には大学の教育・研究組織の再編成があった。東京大学では、2000年に、理学系研究科(理学部に対応する大学院)の地球物理学、地質学、鉱物学、地理学の専攻を統合して「地球惑星科学専攻」とした。その内わけの組織は5つの(大)講座とした。「地球惑星システム科学講座」はそのひとつなのだ。ほかの大講座は、大気海洋科学、宇宙惑星科学、固体地球科学、地球生命圏科学で、研究の対象によってわかれている。地球科学の中の専門分化したdisciplineをそれぞれいくつか たばねたものと言えるだろう。「地球惑星システム科学」は、対象の面でもdisciplineの面でも横断的であり、ほかの大学の類似の組織と同様な内容とは言いきれず、そこに集まった教員たちがそれが何であるのかを示していく必要があるのだ。本書は2004年現在のその講座のメンバーによる展望だ。その後、亡くなった人、退職した人、転出した人もあり、新しい人が参加しているから、今のその講座が同じ態度をひきついでいるかどうかはわからない。

【わたしは1992年に東大を離れたのだが、もし残っていたらこの講座に参加していただろうと思う。】

本書まえがきにもあるように、「地球システム科学」は、NASAの諮問委員会が1986年・1988年に出した報告書以来、よく使われることばになった。(それが出たNASAの側の事情については、Oreskes & Krige (2014)の本[読書メモ]で読んだ。) 有名になったその報告書の図[わたしの教材用ページ]で代表されるように、「地球システム」として扱われる対象は人間環境問題にかかわる地球表層であることが多い。

それに対して、本書の地球惑星システム科学は、地球や惑星の内部(コア=中心核)から外側(磁気圏など)まで、また、太陽系や地球の歴史全体も含めたあらゆる時間スケールを扱おうとする。

そういう科学の体系ができあがったわけではない。本書の内わけも、メンバーのそれぞれの研究対象の紹介が大部分をしめていて、それぞれに少しずつ「システム」への言及があるものの、「システム」の意味は必ずしも同じではないと思う。

しかし、編集の中心となった、茅根 創[かやね はじめ]さん、田近 英一さん、阿部さんによる、本書最後の第12章で、少なくともこの3人が「システム」をどういう意味で考えているかは示されている。要約するのがむずかしいが、その章のうちの節の表題をあげておく。「システム構成要素とその時間スケール」「要素間の相互作用とその原動力」「フィードバックとシステムの安定・不安定」「システムの変動と進化」。ただし、本書全体の題名にもある地球・惑星の「進化」は、Darwin型の突然変異・自然選択による進化ではないことに注意が必要だと思う。第12章の本文から読み取れる限りでは、この「進化」はほぼ「分化」あるいは「多様性が増す」ことと同じらしい。

各論のそれぞれの章について簡単に紹介する。

第2章「太陽系の原物質とその進化」(永原 裕子[ひろこ])。太陽系の形成の理論を検証するおもな証拠は、隕石の元素組成・同位体組成やその岩石物質の形状だ。

第3章「地球惑星システムの誕生」(阿部 豊)。地球には液体の水の海があるが、これが可能になったのは、地球形成時に水物質がどのように取りこまれたのか。また、水が液体であるような温度条件はどのようなものか。

第4章「冷却する地球の進化」(栗田 敬[けい])。地球は、低温の物質が集積して形成する過程で高温になり、それからゆっくり冷却してきたと考えられている。今も地球内部には放射性核種の崩壊による熱源があり、外界との温度差によってマントルの対流が生じている。火成活動のホットスポットと呼ばれるものの原因は未解明だが、マントル対流のプルームとして解釈できるかもしれない。

第5章「スノーボールアース — 凍りついた地球」(田近 英一)。地球表層の水の大部分が凍っていた時代があったらしい。(今では「全球凍結」という表現がふつうだと思うが、本書が書かれたころ専門家たちは日本語のなかでも英語のsnowball earthという表現を使っていた。) 凍結状態のあとは急激に暑い気候に移ったらしい。そのしくみを考えるうえでは岩石圏・大気・海洋にわたる炭素循環のシステムが重要であり、それに関する証拠は石灰岩などに残されている。

第6章「カンブリア紀における生物の爆発的進化の謎」(Joseph Kirschvink [ジョセフ カーシュビンク])。地球の歴史のなかで、カンブリア紀以後が「顕生代」とされる。それ以後に生物の化石がよく残っているのだ。カンブリア紀に、多細胞の生物、硬い骨格をもった生物の進化が爆発的に進んだ。そのきっかけとして、全球凍結も重要だっただろう。著者はもうひとつ、地球の自転軸が動いたという仮説を提唱する。

第7章「2億年の地球のリズム」(浜野 洋三)。地磁気は逆転をくりかえしてきた。その記録が海洋底に連続的に残っているのは最近2億年ぶんだ。逆転の頻度が高い時期、低い時期がある。著者は、地磁気をつくっているコアの対流と、大陸の離合集散をおこしているマントルの対流とが、両者の境界で相互作用していると考える。

第8章「天体衝突と地球システム変動」(多田 隆治)。中生代の終わりには恐竜をはじめとする多くの生物種の絶滅が起きた。これが天体(小惑星か?)の衝突によるという説が有力になってきた。著者はキューバで地層の野外調査をし、サンプルを分析して、津波の証拠、海洋の炭素循環の変化の証拠などを示している。

第9章「アイスエイジの気候変動」(横山 祐典[ゆうすけ])。地球史のうちでは最近の約2百万年間には、氷期・間氷期サイクルがあり、その原因は地球の軌道要素変化で説明された部分もあるが、10万年周期の説明はむずかしい。氷期中や氷期の終わりにはもっと急激な気候変化もあり、海洋の深層循環が主役だと考えられている。

第10章「地球の水とアジアモンスーン」(松本 淳[じゅん])。これは現在の気候の話題。雨は人間社会にめぐみをもたらすがその変動は災害ももたらす。それは大気・水圏全体の水循環システムの一部でもある。地球上の水循環は大まかには緯度帯に対応して分布する。しかし、同じ熱帯・亜熱帯のうちでも、アジアからインド洋にかけては季節によって風向が逆転するモンスーンが発達しているという特徴がある。

第11章「地球温暖化に対する生命圏の応答」(茅根 創)。サンゴの「白化」とは、サンゴに共生する藻類が死滅することで、サンゴの死滅につながる。最近、温度上昇によって白化がふえている。サンゴ礁は炭素循環にもかかわっており、温度、二酸化炭素、サンゴ礁の状態のあいだには複雑なフィードバックがある。生物は進化によって環境変化に適応することがある。サンゴに共生する藻類が高温に強い遺伝型のものに入れかわっていることはその例と考えられる。

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• 阿部 豊 (解説: 阿部 彩子), 2015: 生命の星の条件を探る。文藝春秋, 238 pp. ISBN 988-4-16-390322-4. [わたしはこの版で読んだ。]
• [2018-12-31 補足] 2018年6月に「文春文庫」としても出版された。

発行日は2015年8月30日となっている。わたしはそのころから本の存在は知っていたのだが、読むのをのびのびにしていた。2018年1月に、著者が亡くなったという知らせを聞いて、読まなければ、という気になった。しかし実際に読むのは4月になった。

著者は惑星形成論の理論家だ。なお、(いつからかは本書の著者紹介で知ったのだが) 2003年から、筋萎縮性側索硬化症(ALS)を発症している。本書の執筆には3年かかったそうだ。(本書の解説によれば) 口述で原稿をつくり、パソコン上でカーソルを動かして修正するという形で進めたそうだ。

本書は一般の人向けの読みものとして書かれた。とくに、地球科学・宇宙科学を学びはじめようとしている人が読むのに適していると思う。ただし、参考文献は、読者への案内という意味でも、出典表示という意味でも、示されていない。入門書として読むならば、それを別の源からおぎなう必要がある。

ここからだいたい、わたしが速く読んで、本書の要点だと思ったことの抜き書き。

序章。著者は地球に生命がいることを「奇跡」とは考えない。太陽系外のあちこちに惑星(「系外惑星」)があることはわかってきた。生命が存在する条件をみたす惑星はあるにちがいない。

第1章「水」。生命には物質の出入りが必要だ。そのための媒体(溶媒)が必要で、それに適したのは固体や気体ではなく液体だ。液体になりうる物質としてはメタンなどもありうるが、メタンを溶媒とする生物がありうるかはまだわからない。ここでは水を溶媒とする生物を考える。(水は極性分子、メタンは非極性分子であるというちがいもある。)

生命が活動する場が、惑星内部であっていけないことはないが、観測困難なので、惑星表面に液体の水が存在する条件を考える。

惑星が液体の水をもつためには次の3つの条件が必要だ。
1. 惑星が形成されるとき、H2Oあるいは惑星上でH2Oになる原料物質がとりこまれること。
2. H2Oが惑星の表面にとどまること。(宇宙空間に逃げ出したり、惑星内部にとじこめられたりしないこと。)
3. H2Oが液体であること。(これは温度・圧力条件により、それはエネルギー収支により、それには大気成分も温室効果によって影響をおよぼす。)

39ページの図は、著者の博士論文になった研究(あるいはその改訂版にあたる研究)によるものだと思う。グラフの横軸に惑星放射、縦軸に大気中二酸化炭素量をとっている。液体の水がある領域は、4辺にかこまれている。
上: 超臨界流体 … 水蒸気と水の区別がつかない
左: 液相二酸化炭素 … 二酸化炭素の温室効果がきかない
右: 暴走温室状態 … 水蒸気の温室効果で高温になり、水は気相(水蒸気)だけ
左下: 全球凍結状態 … 水は固相(氷)
今の地球の「惑星放射」は240 W/m²だ。暴走温室になる条件は、この図では惑星放射 300 W/m²ぐらいになっている。新しい研究結果では 280 W/m²ぐらいだ。ただしその新しい研究も理想化した条件(湿度100%、雲なし、全球平均)なので現実の地球に対しての数値が示されたとは言いきれない。第5章で紹介される大気モデルによる数値実験では、太陽放射が今より10%以上多いと暴走温室がありうる。

水の存在が持続する条件には、大気の散逸、太陽放射の増大、大気中の二酸化炭素量がある。
大気の散逸について。火星は質量が小さすぎたので大気を失ってしまったようだ。いまの地球大気は、対流圏と成層圏のさかいが低温であることが、水蒸気が逃げるのをふせいでいる。こうなっていなかったら地球の海が消えていたかもしれない。
太陽放射の増大について。太陽の核融合反応の進展とともに太陽放射が増大するので、地球は数十億年後には液体の水が存在しない温度になる。
大気中の二酸化炭素量について。海があると、二酸化炭素が石灰岩として固定され、温室効果が弱まる。寒くなりすぎないためには、大気中に二酸化炭素を補給するしくみが必要だ。

海がある条件として、H2Oの量の条件はあまりきびしくない。今の地球の海の8分の1くらいあればよい。放射収支の条件がきびしい。

第2章「地面が動くこと」。
地球では、大気中の二酸化炭素量が安定に保たれている。地球内部からの「脱ガス」によって二酸化炭素が供給される。他方、二酸化炭素は水にとけ、鉱物の化学風化にかかわり、カルシウムイオンとともに炭酸塩として沈殿し、この炭酸塩の炭素が地球内部にもどっていく。

いまの地球では、プレートテクトニクスによって、海洋底拡大や大陸移動がおきている。なお、著者は、プレートテクトニクスはマントル対流の一部分である、としている。プレートの沈みこみ域で、炭酸塩の一部分が加熱されて、大気中への脱ガスがおこる。大気への二酸化炭素の補給には、プレートテクトニクスが必要とはいいきれないものの、いまの地球でのその量は、プレートテクトニクスに支配されている。

中生代には、プレート運動が速く、脱ガスが速まり、大気中の二酸化炭素が多く、気温が高かった。また、プレート運動が速い結果、海洋プレートが厚いので、海水準が高かった。しかし、逆にプレート運動が遅い時代には寒冷になるのかは、証拠不じゅうぶんだ。

第3章「大陸」。
生物に陸地は必要か? 著者は、必須かもしれない、と考える。

まず温度条件について。大陸上にある炭酸塩は炭素循環からはずれる。陸がない場合に比べて、温室効果が弱くなり、気温は低くなる。

それから、元素の循環、とくにリン。地球で進化した生物の場合、リンはDNA・RNAにもATPにも使われる必須の元素だ。リンは海では得にくい(深海に沈んでしまうと表層に出てこない)。大陸があって、その岩石が風化することによって、供給されている。

第4章「酸素」。
この章の議論は、惑星に生命が存在する条件ではなく、生命の存在する地球で実際に起きたことだ。複雑な生物が存在できる条件、とはいえるかもしれない。

生物は有機物を合成し、それを分解してエネルギーを取り出して使う。有機物の分解に酸素を使えると、より多くのエネルギーを取り出すことができる。

大気中の酸素は、生物にもうひとつの恩恵も与えている。成層圏オゾン層ができ、生物に紫外線が届くのをふせいでいる。

太古の地球には酸素がなかった。その中で「嫌気性生物」が進化した。光合成植物の出現で、酸素を含む大気ができ、「好気性生物」が優勢になった。ただし、酸素濃度が高くなるためには、光合成だけでなく、有機物の埋没が重要だ。

地球では少なくとも3回の全球凍結がおきたと考えられている。全球凍結と言っても、海の底まで凍結したわけではなく表面に氷がはったのだろう。酸素濃度増大は(3回それぞれの)全球凍結の直後におきたらしい。因果関係としては、高温になって大陸の岩石の化学風化が進み、海の栄養塩がふえて、光合成が活発になった、という可能性がある。ただし、酸素濃度増大にとって全球凍結が必要だったわけではないだろう。

第5章「海惑星と陸惑星」。
惑星がもつ水の量によって、生命が可能な(habitableである)条件はどう変わるか。

ここで「海惑星」と「陸惑星」という概念を導入する。つながった海をもつのが海惑星、水がどこにたまるかが大気とのあいだの交換(降水と蒸発)で決まるのが陸惑星だ。

地球の大きさの惑星が陸惑星になるのは、海の面積では惑星の半分以下、水の量では現在の地球の海の10分の1以下の場合だ。

陸惑星は見つかっていない。太古の火星は陸惑星だった可能性がある。土星の衛星タイタンは、湖にたまっているのが水でなくメタンであることを別にすれば陸惑星と同じ特徴をもつようだ。

気候モデルによる数値実験(著者自身と解説を書いている阿部彩子さんとの共同研究、論文2011年)によれば、陸惑星のほうが、水が液体でいられる (太陽放射の強さの)範囲がだいぶ広い。これは予想外の結果だったが、水は、水蒸気フィードバックやアイス アルベド フィードバックによって環境の変動を増幅させるので、海惑星のほうが暴走温室や全球凍結におちいりやすい、ということで説明できる。

第6章「惑星の巨大衝突」。
惑星の形成過程は、固体物質が衝突・合体をくりかえして「塵」から微惑星、原始惑星、惑星と大きくなってきたと考えられている。原始惑星どうしの衝突を giant impact (巨大衝突)という。

中心星(太陽)の近くでは、氷を主成分とする「塵」が揮発するので、木星のような巨大ガス惑星はできないはずだ。しかし、系外惑星では、巨大ガス惑星が中心星の近くに存在することはある。できてから移動したらしい。

第7章 「大気と水の保持」。
地球の水の量(おもに海水)は、惑星質量に対しては 0.023% だ。なぜこのような値になったのかについて、まだすじのとおった説明はない。

地球の大気は、捕獲大気ではなく、脱ガス大気だ。地球のH2Oも大気と同様、固体物質から脱ガスしたものだろう。

地球にH2Oを供給したもとは、彗星という説、小惑星帯付近の固体物質という説もあるが、おもに地球軌道付近の微惑星だろう。とりこんだ時期については、著者は、地球形成初期と考えている。

巨大衝突で温度が上がり、マグマオーシャンが形成されれば、水蒸気大気が暴走温室状態になったはずだ。その後、マグマオーシャンがいくらかひえて、雨がふり、海になる。これは、原始太陽系の形成から3-5千万年のあいだにおきたと考えられている。

金星は、太陽から届く放射が多いので、暴走温室状態が長く続く。太陽の紫外線で水蒸気が分解され、水素は宇宙空間に失われる。(酸素はマグマオーシャンに吸収されるだろう。) 水蒸気が減れば温室効果が弱まってマグマオーシャンは消滅する。そして、水がほとんどない「乾燥」状態にいたる。(海ができたとしても、その後に暴走温室になって、海は失われただろう。)

火星は、放射収支から考えると、液体の水が存在することは困難だ。しかし、かつて液体の水が流れたらしい地形がある。その水は外に散逸したか、氷として地下にあるか、わかっていない。

系外惑星の場合は、捕獲大気に由来するH2Oがある可能性もある。ただし、捕獲大気が残るのは氷が安定に存在する領域だと考えられるが、それは液体の水が安定に存在する条件とかさならない。H2Oが運ばれることが必要だ。

第8章「大きさ」。
ここでは地球型つまり岩石質の惑星にしぼって考える。

小さい惑星は、(いろいろな理由で)大気を失いやすい。火星はかつて持っていた大気のほとんどを失ったと考えられている。

地球型の惑星の大きいほうは質量が地球の10倍くらいまでだろう。質量の大きい惑星の大気は水素を多く含むだろうから、生物が酸素を出しても、酸素の多い大気ができなかっただろう。また、大きい惑星は「水びたし」(陸がなく海ばかり)になる可能性が高い。したがって、(著者の想像では) 大きい惑星では生物が発生しても複雑な生物が進化するには至らないと思われる。

第9章「軌道と自転と他惑星」。
惑星の公転軌道は楕円だ。もしその楕円の離心率が大きかったらどうなるか? 気温の年内の変化が大きくなる。(とくに陸惑星の場合に変化が大きい。) しかし、地球くらいの大気や海があれば、平均的気候は、年平均の日射で決まる。

自転軸の傾きの影響。
傾きがなかったら (いまの地球のような) 季節はない。
傾きがハドレー循環の幅(いまの地球では緯度幅として30度くらい)よりも大きかったら、「低緯度が暑く高緯度が寒い」とはかぎらない。そして、全球凍結は起こりにくいが、季節変化が大きくなる。なお、ハドレー循環の幅は、自転周期が短いほど狭い。
傾きは、最初はジャイアントインパクトで決まり、どちらを向くかは偶然だ。その後、月や太陽の潮汐力によって、公転面に垂直に近づく。

自転周期について。潮汐力は、自転周期を公転周期に近づけようとする。その結果、自転が公転に同期したら、半年が昼、半年が夜になる。

今の地球でも、他の惑星の引力によって、軌道離心率、近点を通過する季節、自転軸の傾斜が、それぞれ変化しつづけている。いわゆるミランコビッチ サイクルだ。離心率の変化は、気候への直接の影響は小さいが、近点を通過する季節の変化を通じて、半球別・季節別の日射にきく。現在の地球では北半球に陸が多いので、気候は北半球の夏の日射に敏感だ。

この章では「もし月がなかったら」「もし木星がなかったら」「もし木星・土星・天王星がもっと巨大だったら」などの考察もしている。

第10章「恒星」。
恒星の質量によって、明るさ(光度)、温度、寿命がちがう。生命の存在の条件としては、生物の進化に必要な時間のあいだ、恒星が持続するか、また、恒星の光度が惑星が habitable zone にある範囲で持続するか、という問題がある。地球の場合、いまから10億年後には温度が上がりすぎてhabitableでなくなると見積もられている。

恒星の組成によって、惑星をつくる材料がちがう。太陽系ができたとき、前世代の星の残骸である重元素があった。だから、リンなどを含む生物が可能だった。いまの宇宙には重元素はもっとふえている。

結び: 「ドレイクの方程式」を超えて。
宇宙には地球以外にも液体の水をもつ惑星はあるだろう。生物がいるためには、それに加えて、水が地表にあることがたぶん必要だ。大陸があることも、リンの供給などのために、たぶん必要だ。

生命が存在すれば進化するだろう。しかし、地球と同じように進化するとはかぎらないだろう。

ドレイク(Frank Drake)は1961年に、宇宙のうち交信可能なところに知的生命が生じた惑星がどのくらいあるかを論じた。著者は、このような考えかたをすることに賛同する反面、この式自体の数値を求めなおしてみることには意義を認めていないようだ。問題の定式化からやりなおすべきだという考えなのかもしれない。

補遺。
地球の磁場は太陽からの荷電粒子(太陽風)が地上に届くのをふせぐことによって、生物の生存の助けになっている。しかし、地球磁場が短期的に弱まったことはたびたびあり、それで地球の生物が大きな影響を受けた証拠はない。著者は、磁場は生命の必要条件ではないと考えている。

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• 杉本 大一郎, 2003: 使える数理リテラシー (放送大学教材 1271571-1-0311)。放送大学教育振興会 (発売: 日本放送出版協会), 215 pp. ISBN 4-595-23674-3.
• 杉本 大一郎, 2009: 使える数理リテラシー。勁草書房, 179 pp. ISBN 978-4-326-60223-0.

物理や経済学などの知識を使えるようにしようと思うと、それが使っている数学(「数理」と言ったほうがよいかもしれない)のことばをも使えるようになる必要がある。数学の教科書や入門読みものはたくさんあるが、そのほとんどは数学を専門とする人(または数学教育を専門とする人)が書いている。数学者の数学は、抽象度が高く、そのおかげで多くの対象に適用できるのだが、それを説明した本を読んでも、具体的な対象への適用のしかたは身につかない。数学のことばを使う側の人による手引きがほしい。本書は、そういう意識で書かれた、まだ少ない本のひとつだ。

ここで扱われる数学は、微分積分など、連続量(数学の数の分類で言えば実数値や複素数値をとる数量)を扱うものだ。

著者は、物理を学び、それを適用して天体の物理を研究し、ながらく東京大学教養学部で大学初級の学生むけの地学(宇宙地球科学)の宇宙の部の授業を担当した。(わたしはその授業を受けた。その後ながく印象に残っていたことを[別の本の読書ノート]に書きこんでしまった。) その最後のころには天体力学の多体問題に特化した計算機の開発に取り組んだ。1997年からは放送大学教授として、宇宙科学に関する科目にくわえて、科学全体への入門的科目も担当した。そのひとつとして「使える数理リテラシー」という科目が企画され6年間ラジオで放送された。本書の初版はその講義のテキストだ。(わたしは、その科目の意義を感じてテキストを買ったものの、これまでしっかり読んでいなかった。) 開講が終わるとともに放送テキストとしての出版も終わったが、別の出版社から同じ題名の新版が出た。内容の入れかえがある。ここではまず新版にそって紹介し、あとで初版にだけある項目にふれる。

本書は、高校レベルの数学はだいたいわかるが、それと物理や経済や日常生活とのつながりが感じられない人にとって、そのつながりがわかるきっかけを与えてくれる本だと思う。数学が苦手な人には、残念ながら、本書は近づきがたいだろうと思う。

ここから、(まだていねいに読んでいないのだが) ひととおり読んで主要と思われた論点を紹介してみる。

第1-2章。本書でおもに扱うのは「量」だ。量どうしの演算(たとえば、たしざん)は、それぞれの量の性質(属性)によって、できる(意味がある)場合とできない(意味がない)場合がある。量は「次元」をもっている。量どうしのかけざん・わりざんをすれば、次元もかけざん・わりざんされる。物理量の単位は、この次元をふまえて組み立てられている。

第3-5章。
数量を扱う文脈には、たしざん・ひきざんがおもになるものと、かけざん・わりざんがおもになるものがある。本書では、両方とも出てくるが、どちらかといえば後者が重視されている。数量どうしの差よりも比のほうに注目するのだ。しかし、同じ次元だが大きさがけたちがいの量をいっしょに扱うときには、グラフの軸の尺度にはもとの量よりもその対数をとったほうがよい。もとの量のかけざんに対応するのは対数のたしざんで、もとの量の比に対応するのは対数の差だ。
無限大・無限小といった概念は、数学での使われかたと、それを応用する分野での使われ方はいくらかちがっている。例として、物理のうちの熱力学での「準静的」あるいは「実質上無限にゆっくり」とはどういうことか、という話がある。

第6章。数量のあいだの関係を関数であらわす。1次関数、べき関数(xのn乗という形)、指数関数。

第7-9章。微分と積分はどんなところに出てくるか。
微分が出てくる典型として瞬間速度がある。経済でいう「限界効用」は効用を財の個数で微分したものだ。関数を厳密に計算できないとき、微分を使って、関数を「テーラー展開」してそのはじめのほうの項によって近似する。
積分が出てくる典型は面積や体積を部分の和として求める問題だ。振動する現象の記述には、三角関数あるいは複素数の指数関数の微分・積分を使う。
微分・積分を含む計算をして何かを知ろうとする問題設定として、「ものごとを最適化する」「効果をよせあつめる」「局所的なものから全体を解く」「境界条件がものごとを決める」という話題がある。

9.5節(初版にはない)の「フローとストック」は時間とともに変化する物理量(経済量などでもよい)を含むシステムの考えかただ。たまっている水の量が流入と流出によって変化することが典型とされている。定常状態(「動的平衡」ともいう)がありうる。地球温暖化も、定常状態がゆっくりと変わっていく現象として説明されている。

第10章はべき関数と指数関数の話題にもどる。べき関数に関連して、フラクタル次元の話がある(あまり詳しくない)。指数関数は、ある変数の時間微分がその変数自身に比例するようなフィードバックがあるときに出現する。ある変数の時間による2回微分がその変数自身に比例するような問題では、指数関数型の増幅・減衰とともに、振動がおこりうる。それは複素数の指数関数でまとめて表現できる。このようなシステムでは、平衡状態が安定か不安定かを論じることができ、そのような考えかたはもっと複雑なシステムを考えるときにも使われる。

第11-14章は統計の基礎知識。このうち第11-13章は初版にはなかった。第14章は初版の第13章をひきついでいる。
第11章は数値データの基本的統計量。数値は実数値をとるが、データは有限個の場合。平均、分散、N次のモーメントなど。
第12章は連続量の分布関数。そして「微分スペクトル」と「積分スペクトル」の考え。これはたとえば、光のエネルギーの波長別の分布を考えるとき、横軸に波長、縦軸に単位波長あたりのエネルギーをとったグラフを考えたとき、そのグラフの曲線に注目するのが微分的とらえかたで、曲線の下の面積に注目するのが積分的とらえかただ。それから、2変量のデータの扱い。散布図、共分散など。
第13章は、データからシステムの性質をさぐること。そのために、システムがしたがっていると思われる規則から確率分布を導き、データがその確率分布にしたがう母集団からのサンプルであると見てよいかを評価する。理論的確率分布としてよく使われるのは、正規分布のほか、指数関数、べき関数がある。対象の全部がひとつの分布関数であらわせるとはかぎらない。(たとえば、乱流の空間規模別エネルギー分布では、渦の規模の大きいところと小さいところで、ちがう式にしたがう。)
第14章は相関について。数量のあいだの相関は、相関係数で表現できる1次相関だけではない。相関係数がほぼ0でも散布図をかけば明確な関係が見えることもある。データが複数のタイプの集団から来るものを含んでいることもある。時間(または空間)の関数でもある変数については、異なる時刻(または位置)の自分自身との相関を考えることができる(これを自己相関という)。これは現象やそれをおこす原因の時空間規模を知る手がかりになる。

むすびの第15章(ラジオ講座の最終回)は数学基礎論の 隈部 正博 教授との対談で、著者のいう数理リテラシーと、数学者のいう数学との関係などを論じている。

初版の第11章は「重ねあわせのできるものとできないもの」。「線形と非線形」とほぼ同じことだ。重ね合わせられるものの例としては、三角関数(sin, cos)で表現された波の重ね合わせをあげている。

初版の第12章は「ものごとを見るアスペクト」。おもに座標の回転の話。まず2次元の場合について、座標の回転を2×2行列であらわしている。そして、楕円(「長円」としている)の長軸に座標軸をあわせる変換。それから、一般の多次元に話をひろげている。

初版の第14章は「原因と結果の葛藤」。相互作用のあるシステムをどう扱うか。
たとえば太陽・木星・地球の三体問題は、因果関係を同時に考慮して式をたてると解けない。地球の運動に対する木星の引力は太陽の引力のε倍だとすれば、εは小さいので、太陽と地球の二体問題で決まる軌道から始めて、εの1次、2次と近似を高めていく「摂動論」が使われる。
相互作用が強くて摂動論が不適切な場合について一般的に有効な方法はない。熱力学的に非平衡な状態が定常的に持続しているシステムでは、エントロピーを考えることによって見通しがよくなる。社会のようなシステムを考える際には、システムの全体としてのふるまいは必ずしも部分のふるまいの総和ではないことが重要である。

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• Daniel Fleisch & Julia Kregenow, 2013: A Student’s Guide to the Mathematics of Astronomy. Cambridge University Press.
• [日本語版] ダニエル・フライシュ、ジュリア・クレゲナウ 著, 河辺 哲次 訳, 2014: 算数でわかる天文学。岩波書店, 254 pp. ISBN 978-4-00-005414-0.【[2024-09-12 補足] この版は版元品切れだが、2020年にオンデマンド版がでた。ISBN 978-4-00-730989-2. また、電子出版もある。】

日本語版は2014年に出た本。わたしは、2018年4月に、(もとの「岩波ブックセンター」のあとに) あらたに開店した、岩波書店の本をならべている「神保町ブックセンター」で見つけた。

天文学の話題に、数量を実際に計算してみることによって慣れようという、教科書的な本だ。とくに、計算の課題を、四則演算(たしざん、ひきざん、かけざん、わりざん)で計算できるものにしぼっているのが特徴で、日本語題名はそれを「算数」と表現した。理屈をしめす式では変数を文字であらわしていて、四則演算よりも複雑な数学(平方根、指数関数、対数など)がはいってくることはある。できあがった式に数値を入れるところが算数でできるようにしてあるのだ。(ただし、対数の計算をさせているところはあるかもしれない。1970年代ならば対数表をくばるところだろうが、いまでは電卓か「スマホ」の電卓機能を使えばよいだろう。)

天文にかぎらず数量の操作に慣れるための教材として、とてもよい本だと思うのだが、用語がうまくないと思うところがある。以下、おもにわたしの理解した要点の紹介だが、用語についての不満をはさんでいる。

第1章「単位がわかる」。
そのうち1.1節ではまさに物理量の単位の換算(本書の表現では「変換」)を扱っている。
本書の特徴は、単位換算の係数(「変換ファクター」)を、両方の単位を明示した分数で式に入れることを勧めていることだ。たとえば「1時間/60分」などを(斜線でなく)横線の分数で式に入れるのだ。そうすると、分母・分子に同じ単位があれば「約分」のような形で消えて、どの単位が残るかが明確になる。これは単位の扱いに慣れていない人の初歩の経験には勧められそうだが、慣れた人にはめんどうに感じられるだろう。
ベキ乗(平方、立方)による単位(「指数をもつ単位」という表現はわかりにくいが)の換算の注意もある。
物理量の次元の概念は、SIの複合単位の話などで、実質的には使われている。しかし「次元」ということばは、長さと面積のちがいの文脈で出てくるだけなので、物理量の次元という意味と空間の次元という意味が分離されていない。(しかも「線形な次元」ということばが出てくる。linear dimensionの直訳にちがいないが、線形代数での線形とはちがう意味であり、日本語表現としてうまくないと思う。「長さの次元」か「長さという次元」としてほしかった。)
【[2024-09-12 補足] 長さの単位に、インチ、フィート、マイルなどがでてくるのはアメリカの教材の翻訳だからであり、日本語圏の学習者は読みとばしたほうがよい。しかし、時間の単位の換算、とくにSI基本単位である秒と天文学でよくつかわれる年との換算はさけられない。】

1.2 節は「絶対法と比率法」とされている。これは、数量を扱う計算をするときの態度を分類したものだ。ここでいう「絶対法」は、物理量の次元をもった量を単位つきで扱う態度、「比率法」は、同じ次元をもった物理量どうしの比較 (多くの場合は比) を扱う態度だ。どちらをおもに使うにしても、他方をも知っておく必要がある。(高校生のとき、わたしはここでいう「絶対法」で考えるくせがあって、他の生徒が「比率法」で考えているのを知って、そのときの問題についてはそのほうが考えやすいので、感心した。)

1.3節は「比率の問題」とされている。この題目はわかりにくい。ここでの「比率」は、英語の rate で、何かの量の単位時間あたりの流れや変化量をさすのだ ([別ブログ2014-11-01の記事]参照)。Harte (1988)の本の日本語版(『環境問題の数理科学入門』, 2010年)[読書ノート]では、英語のrateを一貫して「率」としたが、日本語の慣用の科学用語とずれてしまった。しかし、用語の選択はともかく、単位時間あたりの量と、それを時間について累積した量との関係を理解することは重要だ。

1.4節は「科学的表記」とされている。この表現も英語からの直訳で日本語ではなじみがないが「なになにかける10のなん乗」という形の表現のことだ。「有効数字」のことも指摘されている。なお、計算問題に答えるときの有効数字のとりかたについて、一般的な指針はないのだが、著者自身が出す演習問題を想定した場合は、計算の過程では6-8けたの数値を使い、結果を書くとき2けたにまるめることを勧めている。

第2章は「重力がわかる」。万有引力の法則の式に数量を入れて計算する。運動方程式に数量を入れて計算する。ケプラーの法則に出てくる楕円軌道の数値による表現を理解する。ニュートンの理論によって裏づけられたケプラーの法則に数量を入れて計算する。

第3章は「光がわかる」。光を含む電磁波のスペクトルの概念を理解する。音などとも共通な波の概念として、周波数、波長、振幅、電磁波特有のこととして、光子のエネルギーと周波数の関係がある。それから黒体放射の話になり、ウィーンの法則、ステファン(・ボルツマン)の法則が示され、それに数量を入れて計算する。(「放射」と「輻射」は同意語とされながら両方とも使われている。) 次にドップラーシフトの話。視線速度と周波数のずれの関係。周回(公転)している天体の視線速度はどうなるか。視線速度から周回運動をどのように推定するか。

第4章は「天体観測がわかる」。視差とは、基準線の両側から対象物を見た角度のずれだ。基準線の長さと視差から対象物までの距離を知る。また、視直径(角度)、実際の直径(長さ)、対象物までの距離はどんな関係にあるか。ここまでは、幾何学の応用で、三角測量と同様だ。それから、望遠鏡の分解能の話に移る。ここは波としての光の干渉がからむ、わたしにとってはむずかしい話だ。

第5章は「星がわかる」。年周視差 (地球の公転軌道の直径を基準線とした視差の半分) と星までの距離の関係。星の光度と見かけの明るさ、見かけの等級、絶対等級(標準の距離で見たとしたときの等級)。そして、横軸に表面温度(の対数)、縦軸に光度(の対数)をとった「HR図」。恒星の質量などいろいろな物理量を、太陽のなん倍という「比率法」と、物理量の単位をもたせた「絶対法」の両方でとらえる。

【[2018-10-15補足] 5.2節の光度(luminosity)のところで、光度の単位はワットであることを説明したところで比較対象に電球のワット数を持ち出している。単位時間あたりのエネルギーという同じ次元をもつ物理量であることはよいのだが、電球にしめされたワット数が電球の光度であるとしているのはまずい。電球のワット数はふつう消費電力をさし、そのエネルギーが全部光になるわけではない。】

第6章は「ブラックホールと宇宙論がわかる」。
前半はブラックホールの話。まず物質の密度 (質量わる体積)の概念の確認。それから「脱出速さ」(見慣れない用語だが、ベクトル量でないので「速度」としなかったのはもっともだ)。天体から打ち出された「投射体」の速さがこの値以上ならば、天体のまわりを周回しない軌道に達することができるのだ。そして、脱出速さが光の速さに等しくなるところがブラックホールの「シュバルツシルト半径」。

後半は膨張する宇宙の話。天体までの距離と、その天体の(見かけの)後退速度とには、比例関係が見られる(ハッブルの法則)。その比例係数「ハッブル定数」は、時間の逆数という物理量の次元をもつ。ハッブル定数の逆数が、宇宙の膨張率が一定と仮定した場合の宇宙の年齢だ。ただし、膨張率は一定ではないとする理論もいろいろある。
(ここでの「膨張率」は、膨張のrate (単位時間あたりの量)だ。しかも、距離の単位時間あたりの変化を距離自体で割った相対変化rateであり、[別ブログ2015-05-07の記事]で「相対変化率」としたものにあたる。熱膨張(温度による体積変化)の話題での「膨張率」とはちがう概念だ。)

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• 日本地質学会 編著, 2017: はじめての地質学 — 日本の地層と岩石を調べる。ベレ出版, 247 pp. ISBN 978-4-86064-522-9.

2017年9月の新刊。わたしは2018年3月に見つけ、4月からの地学概論の準備のために目をとおした。これは学生に勧める本に入れようと思っている。

地質学は地球科学の全体ではないが大きな部分をしめる。本書は日本地質学会(1893年に創立された)の125周年記念企画だそうだ。

執筆分担は明示されていないが、かかわった人は次のとおり。編集委員長: 天野 一男。その他の監修者: 矢島 道子(125周年記念行事実行委員長でもある)、斉藤 靖二。その他の編集委員: 荒戸 裕之、西山 賢一、平田 大二、星 博幸、向山 栄。その他の執筆者: 井龍 康文、浦野 成昭、須藤 茂、渡辺 寧。

第1章は、がけなどの露頭(地層や岩石が露出しているところ)を観察することから始めて、岩石の種類と性質、地質年代の考えかた、地層の形成や変形(断層など)などを紹介している。(02節の「地層と岩石に分ける」という表現はちょっと変で、堆積岩は地層でもあり岩石でもあるというべきだろうと思う。)

第2章は、地球全体の形、地球がどのように形成されたか、内部構造、大陸や海洋がどのように発達してきたか・それはどのようにしてわかったか、など。

第3章は、地質学が発達してきた過程の科学史。とくに、西洋での近代地質学の始まり、明治時代の日本への地質学の導入、大陸移動説とプレートテクトニクスの始まり。

第4章は、日本列島ができてきた過程の地史。04節に「付加体」の考えかたの説明がある。05節は日本の地質帯で、地名がついた地質帯の名まえの列挙は退屈な気がするが、自分の行動範囲の地方に関する部分の知識は野外観察と組み合わせると有効だろう。

第5章は地下資源の話。金属資源、化石燃料(石炭、石油、天然ガス、メタンハイドレート)、そして日本が自給できる鉱物資源である石灰石。

第6章は災害の話。地震災害とそれに関連する活断層、火山災害、土砂災害。

第7章は日本列島の地質の特徴、そしてそれを観察できる「ジオパーク」の話。ジオパークについては、2016年9月現在に日本ジオパークネットワークのメンバーになっている43の地域が一覧になっている。(2017年に追加や取り消しがあったがそれは反映されていない。) ジオパークについては、地理学関係者を中心に、大地と人間活動の関連を重視する立場もあるが、本書では地質や自然景観を知る場として紹介されている。

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• 松森 靖夫, 2007: 学びなおしの天文学 基礎編。恒星社厚生閣, 193 pp. ISBN 978-4-7699-1054-1.

2017年1月に出た本。わたしは、2018年3月、4月から担当する地学概論の授業の実習課題を考えようとしていたときに、教員養成課程をもつ大学に近い町の本屋の(理科教育ではなく)宇宙・地球科学の棚で見つけた。2冊もので、天文らしい話題は「応用編」のほうにあるのだが(たとえば、球に一方から光があたるとどう見えるかは基礎編に出てくるが、「月の満ち欠け」は応用編の話題なのだ)、わたしがいちばんやりたい地球上の季節ができるしくみの理解が基礎編の到達点になっているので、基礎編だけを買って読んだ。

本の趣旨は、小学校・中学校の理科の天文分野を学びなおすことだ。ただし、著者は大学の教員養成課程の理科(地学)教育の教員であり、本書は直接には教員志望の大学生向けの授業の教材として書かれたのだろうと思う。

演習課題がおもになる形で構成されている。演習課題には2つの部類があり、「クイック・ラボ」のほうは受講生が何かものを動かして観察することを期待している。「チャレンジ」のほうは頭で考える課題が多いが、計算する課題もある。

「クイック・ラボ」では受講生が簡単な道具を作って動かすことになる。

• そのうち、数量を理解するための「数のものさし」「距離のものさし」は、(その概念を知っている人にとっては)対数目盛りなのだが、10の整数乗に限ることによって、対数の議論を避けている。【[2018-12-21 補足] ただし、本書のものさしは、升目に数字を入れて十進法の数値を表現できるようにしたので、数値の大きいけたが左にくる。数直線や計算尺での大きい数値を右にする習慣とは、逆になる([別ブログ2018-10-07の記事]参照)。どちらがよいか迷って、わたしの2018年度の授業にはつかわずじまいになってしまった。】
• 視点の移動と方位の関係を2次元で考えるためには、「Mr. VIP」(VIPはviewpointだそうだ)という人形を動かしてみる。
• 太陽や恒星を含む天体の位置を、天球の概念を使って表現する。その作業のためには、透明半球を用意し、そこにペン(「水性マジック」)でしるしをつける。著者によれば透明半球は100円ショップで売っているので100円+消費税で買えるそうだ。【[2018-04-09 補足] しかし、100円ショップのうちでは大型の店に行ってみたのだが、見つからなかった。どんな商店が扱っているかから調べないといけない。[2018-12-21 補足] 調べないまま、日がたってしまった。】

議論は、ふつうのおとなが考え落とすところにも注意して組み立てられていると思う。しかし、たまたま、わたしは気づいたが本書ではとばされている論点もある。

そのひとつは、水平面での4方位(東西南北)を考えるところで、地図のように上から見た図が使われているのだが、そのことが明記されていないことだ。地理の話題ならばそれでよいのかもしれないが、天体の話題では、人が空を見上げたときの配置を想定することもありうる。そうすると本書の演習課題の解釈が変わってしまうのだ。([別ブログ記事「時計の身になってみたら時計の針は時計まわりなのか」]参照)。この点について、ひとこと注意が必要だと思う。

もうひとつ、夏が冬より暑い理由のところは、エネルギー保存の法則に踏みこむのをさけたせいか、おおざっぱな議論になっているけれども、「単位面積当たりの光の量(日ざしの強さ)」を比較する、という、わたしから見てももっともな議論がされている。ただし、その「面積」が地表面(地面・海面)またはそれに平行な面での面積であることが明示されていない。もし太陽光に垂直な面の面積あたりの光の量をとるならば、夏も冬もほとんどちがわないのだ。この点もひとこと注意が必要だと思う。

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• 井田 喜明, 2016: 人類の未来と地球科学 (岩波現代全書 092)。岩波書店, 211 pp. ISBN 978-4-00-029192-7.

2016年7月に出た本。わたしは発行直後に買ったのだが、読むのがあとまわしになり、2018年3月、地学概論の授業をするまえの勉強として目をとおした。

第1章のはじめに出てくる用語で言えば「地球と文明の緊張関係」を論じようとした本だ。だいたい、第1章で地球、第2章で文明、第3章で両者の関係を扱っている。著者の専門は地球科学、その内を分類すれば固体地球物理学だ。

章よりひとまわり細かい節のそれぞれのはじめに、4つか5つの問いを出し、それに答える形で本文を書いている。ただし、この問いの群が理論的体系を構成しているわけではない。おそらくこの本は大学の教養科目かなにかの教科書で、ねらいは著者の地球・文明観を伝えることではなく学生がそのような問題を考えるきっかけを与えることであり、授業の話題には著者の主張に直結しなくても学生に知っておいてもらいたいことを含めてあり、各回の話題をあらかじめ問いの形で出すことによって授業の効果を高めているのだと思う。

第1章の地球科学の話題は、気候システムに関するものがおもになっている。同じ著者の『地球の教科書』(2014年)[読書メモ]と同じ材料が多いのだが、配列は本書のほうがうまいと思う。地球や惑星の大気と海の存在条件を、放射収支と関連づけて示す。地球の歴史のうちでは全球凍結に重点をおき、これも放射収支と関連づけて示す。ここでは著者が『自然災害のシミュレーション入門』(2014年、朝倉書店、わたしはまだ読んでいない)で示した計算例が使われている。そして、現在の地球の気候の多様性を示して(ケッペンの気候区分を使っている)、それをもたらすしくみとして大気の循環の力学が出てくる。固体地球の話題は、地球内部の巨視的概観から、地下資源、地震災害、火山災害の話にとんでいる。

第2章は人間社会の歴史で、「公平に漏れなく描くことは意図していません。」と言い、その第2節では近代科学と産業革命をもたらした西洋文明、第1節はその源流となる中東や地中海周辺の文明に話題をしぼっている。第3節では(社会科学や歴史学を専門としない著者なりに)文明の発達のしくみとそれがもたらした問題を論じている。文明の駆動力は人間の意志であり、その主な目的は豊かになりたいことだと考えている。その結果として資本主義が発達し、人間社会全体としては豊かになったが、その内の格差も大きくなった。また戦争による破壊の規模も大きくなった。

なお、図2.1「最近数万年間の気温の変化」の出典は 木村靖二ほか監修(2014)『山川 詳説世界史図録』だそうだ。「旧石器時代、新石器時代」がいつかという情報については歴史学の文献によるのはもっともなのだが、気温の情報源としてはうまくない。まず、どこの気温かが示されていない。世界平均気温(の推定値)だとすると今から7千年前に今(人間活動起源の温暖化の始まる前)よりも2℃ほど高かったというのは現在の科学的知見に合わない(今とのちがいが大きすぎる)。北半球のどこかの地域の気温なのかもしれないが、それならば地域を明示してくれないと困る。背景情報として参照するのに適した図を、出版社の編集者が知っているとよいのだが、そのためには、気候の話題ならば気候の専門家がよいものを選んでよく見えるところに用意しておくべきなのだろう、と反省する。

第3章ではおもに、地球環境問題と天然資源枯渇の問題が論じられている。著者は狭い意味の専門家ではないのだが、地球科学者としてのしっかりした視点があると思う。それにくわえて、貧困、テロ、戦争の問題や、世界政府の可能性なども論じているが、こちらはしろうととしての議論になっていると思う。専門外でも論じないではいられない気持ちがあったのだろう。授業で学生に問われて誠実に答えようとしたのかもしれない。

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