「濃いスープ」から「清流」へ、ジルコンは淡水の形成を8億年早める？

トゥチョンクリエイティブ

水は誰にとっても馴染み深いものです。私たちは日常生活においてそれなしでは生きていけません。しかし、皆さんはこの疑問について考えたことがあるでしょうか。初期の地球の水は、さまざまな重金属、ミネラル、溶解ガスが混ざっており、現代の淡水とはまったく異なっていました。この鍋の「濃いスープ」はいつから「薄いスープ」になったのでしょうか？

この質問に答える前に、水循環とは何かを理解する必要があります。

水循環とは、太陽放射や地球の重力などの影響により、地球上のさまざまな形態の水が蒸発、水蒸気輸送、凝結・沈殿、浸透・流出などを通じて継続的に循環するプロセス（水相の継続的な変化のプロセス）を指します。水循環には、主に海陸循環、陸循環、海循環の3つのカテゴリが含まれます。

陸海循環とは、海水が蒸発して水蒸気となり大気中に放出され、その水蒸気が空気の流れに乗って陸上で冷やされて凝縮し、降水となって地表水や地下水となり、再び海に流れ込む現象を指します。陸上の内部循環と海上の内部循環は、陸と海の間の循環とは異なります。陸域内部循環とは、降水が陸上で直接蒸発したり、植物によって蒸散したりして、海洋に直接関与することなく大気中に戻る過程をいいます。海洋内部循環は、完全に海洋上で発生する水蒸気の蒸発と凝縮のプロセスです。

水循環は地球全体の水バランスを維持し、水資源の継続的な利用可能性を確保します。同時に、陸上の淡水資源を再生・補充し、再生可能な資源にすることができます。また、水の相変化（蒸発により熱を吸収し、凝縮により熱を放出する）を通じて地球全体の熱バランスを調整し、気候に影響を与えることもあります。それだけでなく、侵食、運搬、堆積によって地形が変化するなど、表面形態を形成することもできます。

地球は水が出現して以来、このような循環を続けています。この過程で、地下水は地殻の奥深くまで浸透し、マグマの形成に関与します。そのため、水の同位体情報は、マグマの冷却と結晶化によって形成された鉱物に保持されます。最近、科学者たちは古代のジルコンの酸素同位体の比率を分析することで、地球上に淡水が出現した時期を推測した。

ジルコンは、一般的に火山のマグマが冷却される際に生成される副産物である一般的な鉱物です。ジルコンは耐熱性と化学的安定性が非常に高いため、極端な地質学的条件下でも破壊されずに生き残ることができるため、科学者からは地球の内部構造、地殻形成、環境条件に関する重要な情報を含む初期地球の同位体比などの化学情報を保存する「ハードドライブ」と見なされることが多い。

では、ジルコンは地球上の淡水の形成に関する情報をどのように記録しているのでしょうか?

酸素には3つの安定同位体（16O、17O、18O）があります。 18O の原子質量は他の 2 つの酸素同位体よりも大きいため、重くなり、蒸発中に液体の水に残る可能性が高くなります。一方、軽い 16O は上空に舞い上がって水蒸気に入る可能性が高くなります。蒸発の過程で、水蒸気中の 16O 含有量は元の水体の含有量よりも高くなり、それに応じて元の水体の 18O の割合も以前よりも高くなります。このプロセスは同位体分離と呼ばれます。水が雨によって地面に戻り、最終的に海に流れ込むと、水蒸気が移動して冷却され、18O が優先的に凝縮して海に落ち、残りの水蒸気にはますます高いレベルの 16O が含まれるようになります。その結果、海洋中の 18O 含有量が増加し、海洋から遠く離れた場所での降水量では 16O 含有量がさらに高くなります。

ジルコンに記録された酸素同位体比が現代の淡水と似た特徴を示している場合、当時も現代と同様の淡水循環システムが存在していた可能性があることを意味します。

この研究結果により、地球上の淡水の出現は少なくとも8億年前まで遡る可能性があり、これはこれまで考えられていた約32億年前よりはるかに古いことになる。これは、地球上に陸地と淡水が約40億年前に出現した可能性があることを意味します。

この発見は、地球上の初期の環境の進化に関する私たちの理解に疑問を投げかけ、それを修正するものである。この結果は、他の惑星や衛星に生命に適した条件が存在するか、あるいは存在したことがあるかを探るための新たな視点と基準を提供し、宇宙における地球外生命の探索戦略の指針となるでしょう。さらに、地球システム科学における長期的な水循環プロセスの重要性も強調し、気候変動を理解し、将来の水資源の傾向を予測するためのより深い文脈を提供します。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。著者: 董漢文

査読者: 中国地質大学教授 シャオ・ロン

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司