是永 淳 (2014) 絵でわかる プレートテクトニクス

  • 是永 淳 [これなが じゅん], 2014: 絵でわかる プレートテクトニクス — 地球進化の謎に挑む。講談社, 180 pp. ISBN 978-4-06-154768-1.

2014年5月に出た本。わたしは2018年5月に、地学概論に関連する本をさがしていて、店頭で見つけた。

イラストレーション(カモシタハヤトさん)を活用した、プレートテクトニクスに関する入門読みものだ。最初の図(図1-1)は、世界地図に、プレートの境界やプレートの名まえを書き、さらに、運動速度をベクトルで示している。そのあたりの本文には、プレート境界が、プレートがぶつかって沈みこむところであったり、プレートがつくられる中央海嶺であったりする、という話題もある。

しかし、そこからの展開が、読むまえの予想とちがっていた。【たとえ話をすれば、英語作文の実用的な例文がほしいと思って、英語の入門書を買ったら、「英語はインドヨーロッパ語族の言語で、ヒンディー語とはこういう点が共通だ…」とかいう解説が書いてあった、というような感じ。】

本書の重要な主題(のひとつ)は、なぜ地球ではプレートテクトニクスがおきているのか、ということで、そのきちんとした答えはまだ出ていないが、どこまでわかったかを論じている。プレートテクトニクスはマントル対流の特殊な形だ。マントル対流が起きていることはふしぎではない。地球内部が宇宙空間よりも相対的に高温で、地球がひえつづけているからだ。地球内部には放射性核種の崩壊による熱源もあり、それはマントル対流を起こすうえで必須ではないが、助けになっている。しかし、惑星のマントル対流の数理モデルをすなおに考えると、たいてい、表面に硬い殻ができて動かず、その下に対流が起こる層がある、「硬殻対流」(これは英語のstagnant-lid convectionをもとに著者が考えた表現)になってしまう。地球ではなぜそうなっていないかは未解決な問題なのだそうだ。

それから、地球の歴史のうち古い時代(原生代)のプレートテクトニクスはどうだったのか。地球内外の温度差は今よりも大きかったから、物理の観点から考えると、プレートテクトニクスを含むマントル対流は今よりも活発だっただろう。しかしそうすると地球は実際よりも早くひえてしまう。地球内部の熱源がもっと多かったという考えは放射性核種の情報とあわない。しかし、岩石の化学の観点もふくめて考えると、マントルの温度が高いと、プレートは厚くなってゆっくり動く、というモデルをたてることができ、著者はこれで実際の地球の歴史が説明できると考えている。

この分野の科学研究の先端で考えていることを書いているようだから、発行後4年で事情が変わっていることもあるかもしれない。知識を得るための本というよりも、刺激を受けるための本として、学生にすすめられると思った。

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井出 哲 (2017) 絵でわかる 地震の科学

  • 井出 哲[さとし], 2017: 絵でわかる 地震の科学。講談社, 183 pp. ISBN 978-4-06-154781-0.

2017年2月の新刊。

わたしは、2018年5月、地学概論の授業で地震の話題をあつかうにあたって、学生にすすめる本をさがして、店頭にあったいくつかのうちで、これがよさそうだったので買った。わたしの地震学の知識は1970年代に大学の授業で聞いてからあまり更新されていないので内容のよしあしの判断はむずかしいのだが、ネット上で地震学の現役の学者が地震に関心のあるしろうとの人にこの本をすすめていたのを見たことも少し参考にして、たぶんよいだろうと判断した。

イラストレーション(カモシタハヤトさんによる)が使われていることも特徴ではあるのだが、本書はどちらかというと地震学の入門教科書的なものだといえる。この「絵でわかる」シリーズの本の性格はまちまちで、すぐれた入門書ではあると思うが教科書的ではなくむしろ独創的なものもあるし、残念ながら勧められないものもあると思う。

「地震」ということばの意味のひろがりに注意する必要がある。本書では、(第1章で地震に関する人間の知識の発達をふりかえったあと) 第2章のはじめで、地震の話題には、震源で起こっている破壊現象、振動が地震波として伝わること、地震波が伝わったところでゆれが生じること、が含まれることを明確にする。日常語での「地震」は地表のゆれをさすことが多いが、本書ではそれを「地震動」(そのうち強いものを「強震動」)と言い、「地震」ということばは(原則として)震源で起こっていることをさして使っている。

第2章で「マグニチュード」の説明に続く「モーメント」の説明を読んで、「モーメント・マグニチュード」の意味が(やっと)わかった。これまでわたしは「地震のモーメント」を漠然と「地震のエネルギー」の尺度の一種だと思っていたのだが、そうではなく、回転運動にかかわる「力のモーメント」であり、力 かける 回転軸からの距離(わたしが少年時代に読んだ本の表現では「うでの長さ」)なのだ。物理量の次元は同じでも、仕事 (力 かける その力で動いた距離) とはちがう。震源では回転力が働いている(ただし、ふたつの回転力が打ち消しあうので全体としての回転はおこらない)と考えられている。力のモーメントの見積もりのほうが、エネルギーの見積もりよりも精度よくできるので、尺度としてはそちらが使われている。(わたしはほかの新しい地震学の本を読んでいなかったので、このことが書いてあることが本書の特徴かどうかはわからない。)

最後の第9章では地震の予測について論じている。最初に、「地震予知」を「数日以内に起こる、被害をおよぼす程度に大きな地震の発生場所を同定すること」という意味だとしたうえで、その実現は「現在および近い将来において、ほぼ不可能」だという考えを述べている。しかし、その章の最後で、地震の確率的予測は、個人にとっては役にたたないかもしれないが、社会にとって、公共施設の改修や保険料率の決定などに役にたつものだ、したがって、確率予測をよりよくする意義がある、という考えも述べている。わたしも、この両方の論点を、相互に矛盾するという印象を与えないように注意して、述べていくべきだと思う。

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佐藤 文衛、綱川 秀夫 (2018) 宇宙地球科学

  • 佐藤 文衛[ぶんえい], 綱川 秀夫, 2018: 宇宙地球科学。講談社, 335 pp. ISBN 978-4-06-155242-5.

2018年1月の新刊。大学1年生向けの宇宙科学(天文)・地球科学の入門的科目の教科書である。ただし東京工業大学なので、学生は理工系共通の数学・物理・化学などの基礎科目を並行してとっているはずであり、それを前提として書かれているところがあると思う。

前半は天文・宇宙物理で、佐藤さんが担当している。後半は地球科学で、綱川さんが担当している。地質の話もあるが、地球内部物理がおもになっている。大気は、惑星大気の巨視的な物理にかぎって出てくる。

おそらく著者たちの研究課題を反映して、本書の特徴になっているのは、惑星に関する話題が多いことだと思う。前半には、太陽系の惑星の現状概観(12章)、太陽系の起源(13章)、隕石の年代(14章)、太陽系外の惑星の探査のしかたとこれまでにわかったこと(15章)がある。後半には、惑星の形が重力と自転のあるもとでどう決まるか(1章)、惑星の重力圏(2章)、惑星の大気(3章)、惑星の磁場(4章)、潮汐力(5章)、惑星・衛星内部の大構造(7章)、人工衛星などの飛翔体による太陽系の探査(15章)があり、地球のことも惑星のひとつとして論じられている場合もある。習う側から見ると、前半・後半のわくをこえて組みかえたほうがよいのではないかと思うこともあるが、そのような編集の時間がとれなかったのかもしれない。

上に述べた事情で、入門書にしては、数式が多い。とくに、重力(万有引力)の法則は、古典的には質点間に働く力として定式化されるけれども、本書で扱う課題では、大きさがある、しかも球からずれた形をもつ物体にかかる (あるいは、物体がおよぼす)重力を考える必要があるので、さまざまに変形された形で、たびたびあらわれる。(わたしはまだ追いかけていないのだが) 式を追いかけて読めば、少なくとも重力の扱いには慣れることができそうだ。

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西條 敏美 (2011) 測り方の科学史 I 地球から宇宙へ

  • 西條 敏美, 2011: 測り方の科学史 I 地球から宇宙へ。恒星社厚生閣, 137 pp. ISBN 978-4-7699-1263-7.

2011年に出た本。2冊もので、第2冊は「原子から素粒子へ」だ。

わたしは2018年4月から地学概論の授業を担当して、年周視差で恒星までの距離がわかるという話をしたのだが、その前提となる太陽・地球間の距離を人がどのように知ることができたのかをうまく説明できなかった。そのようなことが書いてある本を見たおぼえがあったが思い出せなかった。5月に本屋の店頭で本書を見つけた。おぼろげな記憶にあった本はこれだったかもしれない。

地球や恒星の大きさ、地球から月、太陽、恒星そのほかの天体までの距離、地球や太陽や恒星の質量、太陽の表面温度、地球や恒星や宇宙の年齢あるいは寿命などの数量を、人がどのようにして知ることができたかを述べている。「測定」というか「推定」というかに明確な区別はなく、長期にわたって書きためたのでそのときごとの用語が残っているのだと思う。

著者はながらく高校の理科の教師をしていた人だ。本書は科学史の本だといってよいと思うが、狭い意味の科学史の研究書ではない。著者は、ときには「測定」の方法を編み出した学者自身の著作物にさかのぼることもあるけれども、科学史の解説書や、現代の科学入門書に頼って書いていることも多い。しかも、本文のどの部分の記述がどの文献によっているかは必ずしも明確でない。自分の議論の根拠として使うにはちょっと不安なところもある。しかし、かりに自分で確認する必要があるとしても、その手がかりを与えてくれているという意味で、ありがたい本だと思う。

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山賀 進 (2010) 一冊で読む 地球の歴史としくみ

  • 山賀 進, 2010: 一冊で読む 地球の歴史としくみ。ベレ出版, 343 pp. ISBN 978-4-86064-276-1.

【地学概論の授業で紹介しようかと考えている本について、簡単なメモと書きぬいた目次だけの投稿をいくつか続ける。】

2010年に出た本。わたしは2014年に買った。著者は高校の地学の先生で、高校の地学よりもいくらか先に進んだ地学の本を多数出している。どれもおもしろそうだが、わたしは詳しく読んでいない。 ざっと見たところでは、広く地球の科学全体を見渡すにはこの本がいちばんよさそうだと思った。

前半が「地球の歴史」、後半が「地球のしくみ」で、後半は地球内部の話題が中心(地震、火山、重力、地磁気を含む)で、少し、巨視的な気候の話(地表温度がどう決まるか)がある。

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目代 邦康, 笹岡 美穂 (2018) 地層のきほん

  • 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

  • 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。

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 (2018) 太陽のきほん

  • 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 (2004) 進化する地球惑星システム

  • 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 (2015) 生命の星の条件を探る

  • 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.

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。

折り返しのあとに、くわしい目次をつける。
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