地球の水はどこから来るのでしょうか？私の国の最新の科学研究結果は、生命の進化を理解するための新しいアイデアを提供します

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地球上の水はどこから来るのでしょうか？この問題に関してはさまざまな意見があります。この謎を解明することは、生命がどのように誕生し、地球の内部構造が時間とともにどのように進化してきたかを理解するために極めて重要です。

最近、南開大学物理科学学院の李漢非博士、董暁准教授とその協力者は、初期地球の水の貯蔵媒体として機能した可能性がある2つの新しい水和ケイ酸マグネシウム（Mg2SiO5H2）構造を発見しました。核とマントルが分離した後、大量の水が放出されました。これは、初期の地球における海洋の起源に関する新たな考えをもたらします。関連論文は1月21日に物理学誌「Physical Review Letters」に掲載された。

論文のスクリーンショット。

画像出典: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703

地球の水の起源は依然として議論の的となっている

現在、水の起源については2つの見解がある。1つは「地獄起源説」で、水は地球の深部から来ており、つまり地球は集積期に大量の水を獲得し、それを地球内部に蓄えたというものである。もう1つは「天起源説」で、地球形成後に水分を豊富に含む隕石の衝突により大量の水が供給されたとする説である。

水はいつ現れたのですか？論争もあります。かつて、約45億年前の隕石の分析で、科学者たちは水の痕跡を発見し、地球の誕生当初に水が存在していた可能性があることを示唆しました。

海は地球の表面の 71% を覆っており、地球はまさに「水の球」であり、活気に満ちた惑星となっています。

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最近、最初の仮説を支持する証拠が増えてきています。重水素と水素の比率は水の起源を示す証拠と考えられており、ある発見によれば、地球の深部マントルにおける重水素と水素の比率は非常に低く、初期地球の基本構成要素であるエンスタタイトコンドライトや原始太陽系星雲に見られる比率に近く、彗星などの太陽系外物質よりもはるかに低いことが示されています。これは、地球内部の水が原始太陽系星雲から直接来た可能性があるという見解を強力に裏付ける証拠となります。

董暁氏は次のように説明した。「重水素比は水の起源を示すものと考えられています。太陽の『発火』とそれに続く太陽風の作用により、太陽系外縁部の重水素比は、元の太陽系星雲のそれとは異なります。地球の重水素比は元の太陽系星雲のそれと同じですが、太陽系外縁部のそれとは異なります。これは、地球上の水が『地球外』のものではないことを示す強力な証拠です。」

しかし、この仮説には大きな問題があります。鉄やケイ酸塩などの他の惑星物質と比較すると、水の融点と沸点ははるかに低いため、生まれたばかりの地球の数千度の高温の表面では、水は宇宙に蒸発したはずです。このことから、水は新生地球の内部深くにのみ存在でき、新生地球がある程度進化すると放出されることがわかります。しかし、このプロセス中に物質がどのような形で保存されるかはまだ不明です。

新たな安定含水鉱物の発見

研究チームは第一原理計算と構造予測法を通じて、数百万気圧の条件下で2つの新しい未発見の安定した水和ケイ酸マグネシウム構造が出現することを発見し、それらをα相とβ相と名付けました。このうち、α相の安定圧力範囲は262～338GPaであり、β相の安定圧力範囲は338GPa以上である。現在、核とマントルの境界の圧力は 136 GPa、地球の中心の圧力は 364 GPa です。 α 相構造と β 相構造の主な違いは、マグネシウムイオンの周囲の酸素原子の数の違いです。

画像出典：「南開物理」（南開大学物理学部の公式WeChat公開アカウント）

第一原理計算によれば、300 GPa の圧力では、水和ケイ酸マグネシウムの密度は非常に高く、水分含有量も極めて高くなります。重量比で 11.4% の水分が含まれており、これは報告されている他のほとんどの水酸化物鉱物の水分含有量よりも高い値です。

「理論計算によれば、この水和ケイ酸マグネシウムは他の水和鉱物よりもはるかに耐熱性が高く、8,000ケルビンの高温でも分解や溶解の兆候は見られない」とドン氏は述べた。

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初期の地球では、核とマントルがまだ分離していなかったため、ケイ酸塩と過剰な酸化マグネシウムが地球内部の奥深くまで浸透し、現在よりもはるかに高い圧力に耐えていた可能性があります。例えば、圧力が 262 GPa を超えると、水和ケイ酸マグネシウムの形で水を貯蔵することができます。

計算によれば、理想的な条件下では、初期の地球の内部には、現在の海洋の最大8倍の質量が水和ケイ酸マグネシウムの形で蓄えられていた可能性がある。

核とマントルの分離が進むにつれて、鉄核領域が徐々に拡大し、それによってケイ酸塩が持ち上げられて圧力が低下し、水和ケイ酸マグネシウムが分解して水が放出されます。放出された水は、複雑な地球物理学的および化学的プロセスを経て地表に到達します。この時点で、表面は液体の水の存在を確実にし、原始的な海を形成するのに十分なほど冷えていました。

水和ケイ酸マグネシウム、ケイ酸マグネシウム、酸化マグネシウムの分解生成物は下部マントルに保持され、現在でも重要な役割を果たしています。

「水和ケイ酸マグネシウムの発見は、他の地球型惑星、特にスーパーアースにおける物質循環に対する人類の理解にとっても大きな意義を持つ。」董暁氏は、この研究は数百ギガパスカルの圧力下にある含水ケイ酸塩系における物質の存在形態のギャップを埋め、初期地球における水と軽元素の循環に新たな視点をもたらし、核マントル分離過程における物質の存在と循環に対する人々の理解を深めるものだと述べた。

この研究について、スイスの惑星科学者ラビット・ヘレド氏は次のようにコメントしている。「水の起源は、地球の形成に関する重要な未解決の問題の1つです。現在、地球の深部にどれだけの水が存在するのか、まだわかっていません。ドン・シャオ氏とその協力者が予測したように、地球の核が初期の地球で水の運搬役を果たすことができれば、同様の水貯蔵プロセスが他の地球型惑星でも発生し、その進化に影響を与えるでしょう。」

生命の起源と進化はすべて水と切り離せないものです。

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地球上の第4の水の形態

地球上の水のほとんどは、私たちがよく知っている氷、水、ガスの 3 つの形態では実際には存在しません。水は、岩の中に閉じ込められた水という、もっと珍しい形で存在します。

これらの岩石は巨大な貯水池のようなもので、地球上の川、海、氷河の水をすべて合わせた量、おそらく海の水の量の 4、6、または 10 倍以上の水を含んでいると言えます。しかし、それらは私たちの足元から410キロメートル下に埋もれています。

この奇妙な「第 4 の形態」の水があなたのキッチンに隠れているかもしれません。あなたのキッチンのグリーンストーンストーブが蛇紋石で作られている場合、蛇紋石ストーブパネルの重量が約90キログラムであると仮定すると、この石の約10キログラムが水になります。つまり、10リットルの水が石に溶けている可能性があります。しかし、この融合は卵を薄い生地に泡立てるようなものではありません。代わりに、水は鉱物のあらゆる分子に溶け込み、蛇紋石を構成するマグネシウム、シリコン、酸素の原子の格子構造に包まれます。地下410キロメートルの深さにあるほぼすべての鉱石は、このようにして水に溶けています。410キロメートルの岩石が重なり合って発生する重力と、約1093.33℃の高温の複合効果により、水素原子が水分子から離れてヒドロキシル基が残り、この水素原子が鉱石分子に組み込まれます。科学者は、水に溶けたこの種の鉱物を「水和鉱物」または「水岩」と呼びます。

これを比喩的に説明すると、適切な温度と圧力下では、スポンジが水を吸収するのと同じように、特定の鉱物が分子構造に水を吸収します。水分子が鉱石に入ると、水素原子と水酸基に分解されます。つまり、鉱石には間違いなく水が含まれているのです。

科学者たちは、この水岩は地下400～650キロメートルの深さに分布しており、厚さは最大240キロメートルで、地球表面の水層よりも厚いと考えています。この鉱石の水分含有量がわずか 1% だとしても、その水分量は膨大で、実のところ地球の海の水の量の数倍に相当します。

水と生命の関係については未だ多くの未解決の謎があり、科学者によるさらなる研究を待っています。

論文リンク:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703

総合情報源：科技日報、新華網、南開物理大学、中国科学院地質地球物理研究所など。