海底火山はなぜ海水によって消滅しないのでしょうか？

災害をテーマにした映画やテレビ番組では、海底火山が激しく噴火し、恐ろしい渦潮や巨大な波を巻き起こすようなシーンをよく見かけます。

この写真を前にして、多くの人が次のような疑問を抱いたことでしょう。

パート1

火山≠火を噴く山

この問題を理解する前に、一部の人々の誤った印象を正す必要があります。火山≠火を噴く山ではありません。

多くの人が火山について考えるとき、最初に思い浮かべるのは、厚い煙の柱を吐き出す高く円錐形の山かもしれません。まるで火を噴いている山のように見えます。火山の噴火後、広範囲に大量の白い火山灰が降り注ぎました。この火山灰は、私たちがよく目にする灰と非常によく似ており、粒子が細かく、灰白色をしています。多くの人は、無意識のうちに「火山＝火を噴く山」だと思っています。

燃えるような赤い色と渦巻く黒い煙により、火山が実際に燃えているように見えます。

(画像出典: Wikipedia)

しかし、ズームアウトして火山を詳しく観察すると、これはまったく当てはまらないことがわかります。なぜなら、火山から噴出した溶岩は実際には高温の流体であり、本質的には水と何ら変わりないからです。むしろ、それは火とは全く異なる物質です。溶岩のクローズアップ写真の多くは、溶岩がしばしば液体のように振る舞うことをはっきりと示しています。

私たちが幼い頃に物理学を勉強していたとき、物質は気体、液体、固体の3つの状態で存在することを知っていました。相変化に関連するのは融点と沸点です。水を例に挙げてみましょう。水の融点は0℃、沸点は100℃です。温度が0℃以下の場合、固体の水、つまり氷が見られます。温度が0℃～100℃のとき、水は液体になります。温度が100℃を超えると、気体の水、つまり水蒸気になります。

このコップに入った水には、気体、液体、固体の 3 つの相の水が含まれています。

(画像出典: Wikipedia)

基本的にすべての物質はこのようなもので、融点と沸点があり、温度によって相が変わります。マグマは溶けた岩石です。岩石の組成は非常に複雑で、その中のさまざまな成分の融点と沸点は一貫していません。そのため、ほとんどのマグマは実際には固体、液体、ガスの混合物です。比較すると、炎は、可燃性物質が燃焼中に光、熱、およびさまざまな化学生成物を放出するプロセスです。炎の主な成分は二酸化炭素、水蒸気、酸素、窒素、その他のガスです。

マグマは高温の固体・液体・ガスの混合物である

(画像出典: Wikipedia)

炎は高温のガスです

(画像出典: Wikipedia)

火山がマグマを噴き出すこと、そしてマグマは火ではなく高温の溶融体であることを理解した後、海底火山が噴火すると、マグマが海水に入るのは、海底から火が噴くのではなく、実際には冷水の流し台にお湯を注ぐようなものだと理解できるはずです。冷水はお湯を冷やしますが、手動でお湯の蛇口を閉めない限り、炎を消すようにお湯を消すことはできません。

パート2

海底火山はどこから来るのでしょうか?

そこで疑問になるのが、海底火山は蛇口のように熱湯を絶えず噴出させ、海水がマグマを冷やして岩石に変えるので、大量の海水が噴出したマグマを固め、火口を塞いで海底火山が再び噴火するのを防ぐのではないか、ということです。

答えはノーです。火山は実際には惑星レベルの熱と物質循環の産物であるため、地球が死なない限り火山の活動は止まりません。

地球全体は実際には、それほど深遠ではない基本的な物理法則と化学法則に従って機能しています。たとえば、火山の形成と活動は熱力学の第二法則で説明できます。非常に専門的に聞こえますが、クラウジウスの表現は私たちの生活に非常に近いものです。つまり、熱は常に高温の熱源から低温の熱源へと自然に流れ、その逆は起こりません。

地球の進化の46億年を遡ってみると、この法則の影響が見つかります。約46億年前、地球は無数の惑星の衝突によって徐々に誕生しました。衝突のエネルギーは熱に変換されました。そのため、当時の地球は表面温度が数千度の巨大なマグマ球（表面の全体または大部分がマグマ）でした。

無数の小惑星の衝突により、地球は赤いマグマの球となっており、写真のリングはその衝突によって生じたものです。

(写真提供: flickr/Kevin Gill)

そして、マグマは流動体なので、重い物質は沈み、軽い物質は浮きます (ここで、もう一つの物理学の法則を参照してください)。重い物質が沈むと、重力による位置エネルギーが熱エネルギーに変換されます。同時に、もともと微惑星に散らばっていた放射性元素が集まり、継続的に崩壊してエネルギーを放出します。このエネルギーによって地球内部のマグマが熱く保たれます。

しかし同時に、宇宙の背景温度は平均-270°Cと非常に低いため、地球は熱放射の形で熱を継続的に外部に伝達します（熱伝達には熱伝導、熱対流、熱放射の3つの方法がありますが、宇宙は真空であり媒体がないため、地球は熱放射の形でのみ熱を外部に伝達できます）。

熱が伝達されたので、地球は冷える必要があります。まず表面が冷えるので、ここのマグマが最初に冷えて岩石が形成され、これが元の地殻になります。

地球が徐々に冷えていくと、マグマが最初の岩石（写真では黒色）を形成しました。

さらに進化を遂げて、ついに元の地殻が形成されました。

(画像出典: wikipedia/ジャック・マッデン)

現在、地球は地殻、マントル、核の3層構造に進化しており、地殻から核に向かって温度も上昇しています。同時に、重い物質は沈み続けるため、その密度もどんどん高くなっており、地殻の平均密度は2.8g/cm3、マントルの平均密度は4.59g/cm3、コアの平均密度は11g/cm3となっています。したがって、地殻は、水に浮かぶ板のように、マントルの上に「浮かんでいる」と考えることもできます。

地球の3つの層

(画像出典: 123rf)

この時点で、地球を熱い鍋として想像することができます。中心核がコンロであり、そのエネルギーは重力による位置エネルギーと放射熱エネルギーから生じます。マントルは、ストーブの燃焼によって熱くなり続ける鍋のスープベースです。クラストは最上層に浮かぶキャベツの茎です。核の加熱により、マントルは継続的に熱対流を発生させます。つまり、熱いマントルは核から上方に移動し、冷たいマントル物質は地殻の下から下方に掘り下げられます。

マントル内の熱循環パターンは完全なマントル循環であると考えられていますが、上部マントルと下部マントルで別々の循環であると考える人もいます。

(画像出典: Wikipedia)

地殻はマントルや核に比べて非常に薄いです。地殻の平均厚さはわずか17キロメートル（大陸地殻は33キロメートル、海洋地殻は10キロメートル）です。上部マントル上部の固体岩石からなるリソスフェアを加えても、その厚さはわずか100キロメートル程度です。比較すると、マントルの厚さは2,850キロメートルにもなります。したがって、マントルの動きによって、これらの薄い固体の岩石層は必然的に引き裂かれ、マントルとともに動きます。ちょうど、鍋の中のキャベツの茎が鍋のスープのベースをかき混ぜることにより際限なく動くのと同じです。

地球のプレートは常に動いている

(画像出典: Wikipedia)

地殻の引き裂かれた部分はプレートとなり、地殻が動くとプレートも動き、一部のプレートは互いに衝突し、一部のプレートは互いに分離します。常識的に考えれば、分離したプレートの境界は薄くて脆く、その下のマントル物質は岩石層を突き破って地表に噴出しやすく、プレート境界に沿って長い火山帯が形成されると考えられます。

プレートがどんどん離れていくにつれて、プレート境界での火山噴火によるマグマが冷えて薄い地層、つまり海洋地殻が形成されました。この層はプレート内部の地層よりもはるかに薄いため、当然ながら低地となり、水が溜まって海が形成されます。実際、海はこのようにして形成され、海の形成はプレートの動きと密接に関係しています。

現在、地球上にはさまざまな成長段階にある海が存在します。地溝帯、小さな海盆、成熟した海盆、絶滅段階にある海盆、死によって閉じようとしている海盆、完全に閉じた海盆です。これは地質学ではウィルソンサイクルとして知られています。

ウィルソンサイクル

(画像出典: Wikipedia)

したがって、海底火山は実際にはプレートの動きの結果であり、そのほとんどはプレート分離の境界に位置しています。第二次世界大戦以降、人類が海洋の探査を深めるにつれ、長い海底火山帯が発見されてきました。そのほとんどは海の真ん中に位置しており、中央海嶺と呼ばれています。これらは世界最長の山脈であり、全長は約 80,000 キロメートルです。

地球上の中央海嶺の分布図。中央海嶺があるところには海底火山があります。

(画像出典: Wikipedia)

もちろん、他の海底火山も存在します。それらの形成はマントルプルームの活動に関連しています。マントルはどこでも均一に加熱されるわけではありません。マントル物質の一部は他の部分よりもはるかに高温です。高温になると上方に流れ上がり、地殻の真下まで達するマントルプルームを形成します。マントルプルームの上部は多数の小さなプルームに分岐することもあり、その活動によって薄い海洋地殻の制約が打ち破られ、継続的に噴火する海底火山となることもあります。ハワイ諸島の形成はこれに関係しています。

この理論では、マントルプルームの位置は変化しませんが、地殻の動き（図の濃い青色の矢印）により、マントルプルームは地殻上に一連の火山を形成します。

写真の数字は島々の年齢を百万年単位で表したもので、たとえば 4.89 は 489 万年を意味します。

(画像出典: getarchive.net)

宇宙から見たハワイ諸島

(画像出典: Wikipedia)

しかし、プレートの端であろうとマントルプルームであろうと、火山の形成は地球内部の熱循環の結果です。表面の薄い海水層だけでは地球内部の活動を止めることはできません。したがって、海底火山について心配する必要はありません。

制作：中国科学普及協会

著者: 地球の重力

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者：孫晨宇

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。