[M-IS14] 水惑星学

[MIS14-18] 原始地球におけるアンモニアの海洋への貯蔵と大気海洋系の熱的安定性

*有馬 銀河¹、倉本 圭¹ (1.北海道大学)

キーワード：初期地球、アンモニア、大気海洋系、還元大気、暗い太陽のパラドックス

太古の地球における暗い太陽のパラドックスを解決する仮説の１つとして，極めて強力な温室効果ガスであるNH₃による温室効果が提唱されている (Sagan and Mullen, 1972)． NH₃は生命前駆体物質の生成に寄与した可能性があるとも考えられており (Bada and Miller, 1968)，地球上での生命誕生の観点からも注目される．NH₃は太陽紫外線によりN₂に光分解され大気中から短時間で除去される傾向があるが (Kasting, 1982)，Sagan and Chyba (1997)はCH₄由来のヘイズによる紫外線の遮蔽を考慮すると，十分な温室効果をもたらす大気NH₃ (10^-5 bar) の寿命は5000年程度にまで延びると推定した．また，もし現在の大気中のN₂がすべてNH₃として貯蔵され，大気に徐々に供給され続けていたと仮定すると，最大で5億年程度大気中に十分な分圧のNH₃が保持されると推定した．しかしNH₃の貯蔵の場所や機構については，これまでほとんど議論されてこなかった．

NH₃は非常に高い水溶性を持ち，0 ℃かつ1 bar分圧下で純粋な水に200 mol/kg程度溶ける．また，CO₂が同時に溶存すると，溶存CO₂の解離によって溶液中のH⁺濃度が増えるため，NH₄⁺濃度が増加しNH₃の溶解度が上昇する．したがって，原始地球大気にNH₃が含まれていた場合，海洋中には大量のNH₃が溶解していたと考えられる．他方，NH₃の溶解度は温度に強く依存し，水温が高いほど溶解度は減少する．そのため，NH₃の温室効果と海洋からのNH₃放出には正のフィードバックがかかる可能性がある．そこで本研究では，原始地球海洋がNH₃の長期的貯蔵庫として機能し得たか明らかにすることを目的に，有意な大気NH₃を含有する大気海洋系において安定な熱的平衡状態が達成されうるか，達成されるならそのときの温室効果の強さと，大気海洋間のNH₃分配を明らかにする理論的検討を行った．大気には鉛直一次元の放射対流平衡モデル，海洋の水温と組成は一様とし，地表面分圧と気温に応じNH₃とCO₂を溶存成分とする溶解平衡モデルを適用する．

大気組成はN₂，NH₃，CO₂，CH₄とし，太陽定数に現在の75%の値を与えた．またNH₃鉛直分布はレインアウトを考慮した．アルベドは0.3を仮定し，ラインバイライン計算を行って宇宙空間への惑星放射量を求め，日射吸収と釣り合う地表面気温を大気組成，特にNH₃分圧の関数として求めた．溶解平衡の計算においては，海水量を現地球海洋質量とし，溶存種の解離平衡を考慮して，NH₃およびCO₂分圧の関数として海洋へのNH₃溶解量を求めた．簡単化のため，他の溶存成分は無視した．大気海洋系の熱的安定性は，系の全NH₃量を固定したときの海洋と溶解平衡にある大気NH₃分圧の温度依存性と，大気NH₃分圧に対する放射対流平衡地表温度の依存性を比較することにより判断できる．

参照モデルとして，N₂分圧が1 barで大気中のCO₂混合比とCH₄混合比がいずれも10^-3，大気海洋系での総NH₃量に1.0×10¹⁹ mol (現大気に含まれるN₂の約3%に相当) を与える．このとき，熱的安定解が1つ存在し，安定解では大気中にNH₃は5.8×10¹⁶ mol (2.0×10^-4 bar) 分配され，地表温度は約330 Kとなった．総NH₃molとN₂，CO₂，CH₄分圧を変えた場合にも，熱的安定解が存在した．熱的安定解の地表温度はCH₄分圧にほとんど依存しない．NH₃，CO₂分圧のみを変化させた場合，CO₂混合比が10^-5のよりも小さいときは273 K～373 Kの間にそれぞれ1か所安定解が得られ，CO₂混合比がそれよりも大きいときは低温領域と高温領域の2か所で安定解が得られた．参照モデルからNH₃総量のみを増加させると，熱的安定解における地表温度は上昇する．N₂分圧により小さい値を与えると，安定解における地表温度は減少した．これらの結果は，太古の地球大気にNH₃が存在し海洋との溶解平衡が成立していた場合，液体の水が存在できる地表温度範囲で熱的安定解が存在することを示す．また，海洋が大量の NH₃を貯蔵可能なことから，光分解がNH₃の主たる消費過程だと仮定すると，約5億年間，NH₃による十分な温室効果が持続可能であったことが示唆された．