火星の失われた大気はどこへ行ったのでしょうか?最新の発見は、それが火星に「隠されている」かもしれないということだ

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

編集者注：中国の先端技術プロジェクトは、認識の限界を広げるために、「未知の領域」と題する一連の記事を立ち上げ、深宇宙、深地球、深海などの分野で限界を突破した探査結果を概観しています。科学的発見の旅に出て、驚くべき世界を知りましょう。

現在の私たちの認識では、火星は赤くて荒涼とした惑星です。

しかし、近年火星に関する研究が深まるにつれ、科学者たちは火星がかつて液体の水が豊富な惑星であったことに気づき始めています。さらに、液体の水の含有量は極めて多く、火星の表面に巨大な川を形成するだけでなく、巨大な海さえも作り出します。 **この液体の水の証拠については、私たちのような一般の人々は火星探査車から送られてきた写真を通じて直接見ることができます。

火星の川の残骸

(画像提供: NASA)

火星の河川デルタ

(画像提供: NASA)

火星にかつて液体の水が豊富にあったことが発見されたことは何を意味するのでしょうか?

火星の表面に液体の水が存在するということは、当時の火星の気温は比較的暖かかったに違いないということを意味します。そうでなければ、液体の水はずっと前に凍って氷の殻になっていたはずです。さらに推論すると、火星の表面温度が適切であるためには、火星の大気が現代の地球の大気と同様に、濃くて暖かかったに違いありません。

地質学者は科学的観察を通じて、当時の火星の二酸化炭素濃度は0.25～4バール（1バールはおよそ1気圧に相当し、地球表面の通常の大気圧）であったと推測しています。現在、火星の二酸化炭素濃度はわずか0.054バールです。これは、火星がかつて大量のガスの損失を経験したことを示しています。

火星の薄い大気

(画像提供: NASA)

火星の膨大な量のガスはどこへ行ったのでしょうか?

科学者たちは、火星の二酸化炭素の減少は約35億年前に起こったと考えています。それは火星の水が急速に消え始めた時期でもあります。

しかし、なぜ火星から二酸化炭素が消えたのでしょうか?

これまでの理論では、太陽風が火星の大気を絶えず剥ぎ取っていることが原因ではないかと示唆されていた。しかし最近の研究によると、科学者たちは2007年から2017年までの火星の大気の流出データの監視結果を使用して計算し、過去40億年間で太陽風が奪った大気は最大で9ミリバールしかなく、これは火星の実際の大気損失より2桁低いことを発見した。

したがって、火星の二酸化炭素の消失は謎のままです。

現在、MITの地質学者2人が、火星で失われた二酸化炭素は火星表面の粘土層に閉じ込められている可能性があるという答えを提案している。

火星の液体の水の進化。 4.0、3.8 などの数字は、40 億年、38 億年などを表します。

(画像提供: NASA)

二酸化炭素を閉じ込めてメタンを生成する同様の発見は地球上でもなされている

この発言は直感に反するように聞こえるかもしれないが、地質学者は実際に地球上で同様のプロセスを発見している。二酸化炭素が特定の岩石と化学反応を起こしてメタンを形成するのだ。

誰もが常識的に考えることですが、メタンは生物学的プロセスと密接に関係しています。それは生物の体内で直接生成されるか、または生物が死んだ後にその有機物が埋められ、その後嫌気性環境で微生物の消化によって生成されます。したがって、後者の要因によって生成されるメタンが天然ガスの主成分となることがよくあります。

2017 年の世界のメタン発生源と削減要因。左側に発生源、右側に削減要因が示されています。

(画像出典: Wikipedia)

しかし、上記の原因によるメタンに加えて、地質学者は南アフリカ、カナダ、フィンランドの先カンブリア時代の非堆積地層に大量のメタンが存在することをずっと以前から発見しています。

非堆積地層を重視する理由は、これまで発見されてきた石油や天然ガスなどの化石燃料は、すべて生物の死後に湖底に堆積したものだからです。そのため、堆積物によって形成された岩石は堆積岩と呼ばれます。非堆積性地層とは、マグマ活動や火成岩の変成作用（高温高圧による岩石の変化の過程）によって形成された地層を指します。当然ながら、これらの地層には基本的に生物は存在しません。

先カンブリア時代が重視される理由は、カンブリア時代（約5億4000万年前）よりも古い時代では、地球上の生命は比較的少なく、主に小さな藻類や細菌であったためです。

したがって、先カンブリア時代の非堆積層で発見された大量のメタンは、明らかに生物起源のものではない。

生物とは何の関係もありませんが、このメタンはどうやって生成されるのでしょうか?

地質学者たちは、このメタンがどのように形成されるのかを解明するために長期にわたる研究を行ってきました。その結果、大量のメタンが発見された岩石層は基本的に超塩基性岩石層であることがわかった。超塩基性岩石とは、マグネシウムや鉄の成分を多く含む岩石（代表的な鉱物としてはカンラン石）のことを指し、これらの岩石を形成するマグマはマントルから発生します。

岩石層が形成された後、プレート運動により中央海嶺や沈み込み帯などの領域に到達します。これらの地域は水が豊富で、温度もそれほど高くないため（0〜600℃）、岩石は変成作用を受けます。蛇紋石は、蛇紋岩化と呼ばれる一連の化学反応によって形成されます。この過程で、岩石に含まれる鉄化合物が水と反応して水素が生成されます。

オリビンは宝石であるだけでなく、超塩基性岩を構成する重要な鉱物の 1 つでもあります。緑色は含まれる鉄分によるものです。

(画像出典: Wikipedia)

水素を形成する可能性のある反応の1つ

水素が生成されると、サバティエ反応によってメタンに変換されます。サバティエ反応は、1897 年にフランスの化学者ポール サバティエらによって発見されました。300 ～ 400°C の温度と高圧下で、水素と二酸化炭素がニッケル触媒を介して反応し、メタンと水が生成されます。酸化アルミニウムなどの触媒を加えると、反応速度は大幅に加速されます。この分析に基づいて、一部の地質学者は、地下深くで生成されるメタンの量は生物学的原因で生成される量と同程度であると考えています。

サバティエ反応の化学式

科学者は火星の粘土が同じ役割を果たしていると推測している

科学者たちは火星探査を通じて、火星にもオリビンを多く含む岩石が多数存在することを発見した。これらの岩石が蛇紋岩化作用を受けると、大量の水と二酸化炭素を吸収することになります。火星表面の深さ2キロメートル以内の岩石がすべて蛇紋岩化した場合、火星の大気中の二酸化炭素は約5気圧減少し、大量のメタンが発生すると計算されています。

このメタンの大部分は、火星の形成後に火星上に豊富に存在する粘土に吸収される可能性があります。粘土は地球上でさまざまな形で存在し、多種多様な鉱物で構成されています。例えば、私たちがよく知っているカオリナイトは粘土鉱物です。他にはモンモリロナイト、緑泥石、ディッカイト、ナクライト、サポナイトなどがあります。研究によると、火星の粘土鉱物のうち、62%がモンモリロナイト、23%が緑泥石です。

モンモリロナイトの走査型電子顕微鏡写真。薄片状の鉱物であることがわかる。

(画像出典: Wikipedia)

モンモリロナイトの原子構造、原子間の多数の隙間がその吸着力の源である

(画像出典: Wikipedia)

モンモリロナイトは火成岩中のシリカを多く含む鉱物の風化によって形成されます。それは、鉱物の中のスポンジとして想像できる、薄片状で非常に多孔質な鉱物です。さらに、研究により、モンモリロナイトは非常に優れた吸着特性を持ち、吸着できるメタンの最大量は重量の約0.6％であり、イライトや緑泥石などの他の粘土鉱物をはるかに上回っていることがわかっています。

しかし、現時点では火星の探査は限られているため、科学者は粘土層の厚さを知らず、推定と計算しかできない。彼らは、火星のモンモリロナイトの平均的な相当厚さのより合理的な範囲は 117 ～ 1440 メートルであると考えています。モンモリロナイトの厚さの下限が117メートルの場合、これらのモンモリロナイトは0.07バールの二酸化炭素を吸収でき、上限が1440メートルの場合は1.7バールの二酸化炭素を吸収できます。

火星におけるメタン生成と粘土による吸着のモデル化

（画像出典：参考1）

科学者たちは、炭素同位体と水素同位体に関するさらなる研究に基づき、火星の元々の大気には粘土鉱物に吸収された約0.4～1.5気圧の二酸化炭素があった可能性があると推測している。

将来的には火星でメタンを採掘して利用することが期待されている

この研究は、実は将来の火星探査と開発にとって非常に重要な意味を持っています。なぜなら、一方では、遠い地球から輸送することなく、火星から直接化石燃料（メタン）を抽出して使用できるようになる可能性が高いことを意味するからです。さらに、数年前に中国の科学者が二酸化炭素を使ってデンプンを合成したというニュースを考慮すると、将来的にはメタンを直接エネルギー源として使い、火星の大気中の薄い二酸化炭素を抽出して火星で食料を作ることも可能になるかもしれない。

さらに、メタンは非常に強い温室効果を持つ温室効果ガスです。 20 年間にわたって、メタンの地球温暖化係数 (GWP) は二酸化炭素の 83 倍になります。つまり、20年間でメタン1トンがもたらす地球温暖化の影響は、二酸化炭素83トンに相当します。メタンのこの能力は地球上では当然非常に危険ですが、火星では火星のテラフォーミングの進行を加速させるのに大いに役立ちます。

参考文献:

1.Murray J、Jagoutz O. オリビンの変質と火星初期の大気中の炭素の損失[J]。サイエンスアドバンス、2024、10(39):eadm8443。