＜宇宙から見る、石炭紀の地球＞ 「ESSAY 石炭紀の大気の観察」／「大気組成、とくに酸素濃度の推定について」
――ESSAY――石炭紀の大気の観察――
惑星の大気を通過した光は、どれも一様に吸収されるわけではない。
大気を構成する分子には、それぞれ、その成分ごとに吸収しやすい波長がある。
これは石炭紀であっても現代と変わることはない。
雲や地表からの反射光を観測すると、大気成分がもたらす波長ごとの減衰を観測することができ、この程度によって、実際に大気をとってこずとも、地球の大気に含まれるガス組成を宇宙から観測できるのである。
多機能高分解能分光観測システム――MHSは、こうした吸収帯を含む数百の波長を同時に計測することができ、かつて波長や分解能の差から幾つもの分光計を要していたところを、一台でこなせる設計となっている。さらに一度に観測できる範囲も広域となったため、観測結果は数値ではなく、酸素は青系、オゾンは薄紫、メタンは緑系などといった、色分布として簡易表示できるようになっている。
色の濃淡や広がりを見れば、詳細な計算を待たずとも惑星全体の成分傾向や分布の特徴がひと目でわかる。
まず、酸素を見てみよう。地球儀全体を覆う深い青は、現在と比較しての酸素の豊富さをあらわしている。酸素は近赤外から可視域にかけて、たとえば760ナノメートル付近のAバンドや688ナノメートルのBバンドを吸収しやすい。さらに、酸素分子どうしの衝突によるO₂–O₂（O₄）バンドが477, 577, 630ナノメートルに出現するため、酸素分子の密度も推定できる。
次に、オゾンも見てみよう。オゾンは紫外域の200〜300ナノメートル付近、特にハートレー帯と呼ばれる250ナノメートル前後で強く吸収し、可視域の600ナノメートル付近にもシャピュイ帯と呼ばれる弱い吸収帯がある。
分布を見てみると、オゾンは高緯度に集中しているのがわかる。現代の地球に比べると多そうではあるが、視覚的比較だけでは何とも言えない。帰ってから再解析が必要かもしれない。
いっぽうで、メタンの分布は変わっている。メタンは近赤外の1.65マイクロメートルや2.3マイクロメートルに顕著な吸収を持つ。メタンの分布はまさにベルト状にパンゲアを横断するように赤道に沿うように分布しており、ちょうど熱帯域に発達した石炭林にその発生源が一致しているようである。
また、日の出・日の入りの際、太陽光が地平線付近を通過する際の屈折を観測したところ、成層圏および対流圏は現在の地球より若干高度が低いようである。
さらに、太陽の明るさ自体も現代より3％低いという結果が出ている。
これは理論値とも一致する。太陽が一種の核融合炉であるためであって、中心部の平均分子量が徐々に上昇していくことにより中心温度が上昇し、核融合反応もさらに加速するためだ。そのため、光度もまた上昇傾向である。
ざっくりといえば、おおむね1億年に1パーセント程度増大している。
石炭紀は概ね3億年前だから、太陽全光度は現在に比べると、2～3%ほど低い。
では、紫外線はどうだろう？紫外線量は必ずしも太陽全光度とよく相関して増減するわけではなく、地質記録にも大気圏を透過する前の紫外線の強さがどの程度変動してきたかを示すデータはごく少ない。非常に魅力的な観測テーマだが、これまでの調査で実測された数値によれば、石炭紀の紫外線はやはり弱いようである。
――ただ、太陽の光度や紫外線の強さは短期間にも大きく変化するため、我々が観測できる短い期間――よく比ゆ的に“窓”とよばれる――が、どれほど石炭紀後期を代表する数字なのかは、いささか疑問な面もある。これはほかの様々なデータにも言えるが、とにかく数を集めて、何回も測定しないとはっきりとしたことは言いにくいのだ。
ほかにも様々なデータが取れているが、このように――地上に降りずとも、さまざまな情報が――ときには地上に降りる以上に、手に入るのである。
だから、過去の惑星にきて、スイングバイだけしてそのまま帰る研究者も、意外なほど多い。
限られた時間と資金を有意義に使うためだ――そう、彼らは言う。
地上に降りている時間があったら、もっとたくさん試行回数を増やす、と。
ただ――私たちはそうしない。
やはり、降りてみないとわからない“空気”があると信じているからだ。
――小難しい話をしてしまった。
さて、石炭紀の大気は、現在とは異なっている。
パンゲアの赤道直下には、緑のベルトが広がっている。
地表を覆う緑の面積は、現代の地球と比べるとむしろ少ない。
しかし――この緑のベルトで活発な光合成活動が行われ、またその光合成産物の好気的分解が遅れたことで――酸素濃度は上昇し、35%に迫ることとなった。
この違いは大きな差を産む。大気を構成する気体のうち、窒素の総量は非常に安定している。これは窒素放出と窒素固定がほとんど釣り合っているため、窒素分圧に関しては実務上、大まかにいえば、過去30億年にわたって一定である。
そして――その条件で酸素濃度が上がる、ということは、大気圧自体が上昇することとなる。酸素濃度20%→35%への上昇というのは、見かけの数字以上に大きい。
総大気圧もまた、酸素のふえた分だけ上昇する。
現在の地球における海面上の窒素分圧は現在地球海面気圧基準で0.78、酸素分圧は0.21だ。
これが、石炭紀の地球においては窒素分圧が0.78のまま、酸素分圧が0.42、足し算すると石炭紀の地球における海面大気圧は現在地球海面気圧基準で1.2倍になる。
つまり、酸素分圧は実質的に2倍になっているのである。
窒素の分子量は28.01、酸素の分子量は32.00である。
ゆえに、現在の乾燥空気の平均分子量はN₂ 78.08%、O₂ 20.95%、Ar 0.93% として M ≈ 28.97である。
これが石炭紀の大気では、モル分率 xN₂≈0.646, xO₂≈0.347, xAr≈0.0077として M ≈ 29.50
つまり、石炭紀の空気は、1.8％だけ重い。
石炭紀の気温は現在と比べて±5度の範疇には収まっている。この範囲内では、スケールハイト（高度を上げるにつれてどの程度圧力や密度が減少するかの速さをあらわす）には、実質的に大気の平均分子量だけが影響する。
石炭紀のスケールハイトは現在に比べると2%程度低いことになる。
では、大気は“背が低い”のだろうか？
酸素が多くて大気量自体が多いのだから、もしも“ある気圧までを示す高度”を“大気の背の高さ“とでも規定すればなんとなく“背が高く”なりそうでもある。しかし、気体密度の増加によるスケールハイトが低くなることにより、垂直方向に圧力が減るペースが速くなる。・・・と、それすらも縮められる。
つまり、大気は感覚的には、“背が低く、密度が高まる”。
ちょっと意外だが、さきほど観測された「成層圏および対流圏の高さが現在より低い」事実とも符合している。
そして、酸素濃度の違いは、通信にも深刻な影響を及ぼす。
電波による長距離通信は、大気上層に形成される電離層に大きく依存している。電離層は太陽光、とりわけ紫外線によって酸素や窒素の分子が電離し、電子やイオンが高密度に存在する層である。ここで生じた自由電子が電波を反射するため、短波帯（HF）を使えば地球規模の通信が可能になる。
電離層がなければ、電波は宇宙空間に突き抜け、直接見通せる範囲でしか通信できなくなってしまう。
電離層の主な構成要素は、紫外線によって生成された酸素原子イオン（O⁺）である。しかし、酸素分子の濃度が高くても、単純に電離層が“厚く・密になる”とは限らない。酸素が多い環境では、O⁺が酸素分子と反応して二酸素分子イオン（O₂⁺）が増加し、その結果としてE層は高度がやや上昇し、F層はむしろ電子が減少してしまう。さらに、紫外線も弱い。となると、そもそも大気圏上層で紫外線によって起きる電離もまた、現代に比べると若干だが小さいということになる。
――石炭紀に向かうにあたり、開拓初期の文献がいくらかあったので目を通している。
このごく僅かな差はシミュレーションだけではなかなか評価が困難であり、パンゲアのもたらす特異な季節風とあいまって探査を難航させたという。
とくに、石炭紀の惑星で用いる長距離通信に関しては中波帯を主力にし、送信出力を2倍程度にし、フェージング対策を強化するなど、数知れない再設計が必要となったらしい。
では、ほかに酸素濃度の高い時代の設備を流用できなかったのか？
たとえば、白亜紀中期など。
しかし、結果は残念だった。季節風の差や太陽活動の強度によって大きな差が出ることがわかった。白亜紀中期の大陸は“ばらけて”いて、一つの大陸にまとまったパンゲアと比べて季節風が弱く、また単純な気温の差が10度以上もあった。白亜紀中期の極域には氷河はなく、南極ですら夏には蒸し暑いほどである。
そんな環境を前提に作られた通信機器は石炭紀の寒冷な夜と強い季節風の下では、まるで役に立たなかった。
発振器は温度ドリフトを起こし、電池の内部抵抗は跳ね上がり、潤滑剤は粘って機構は渋り、霜と着氷でアンテナの定在波比が悪化する。技術者たちは波長や電子密度の計算に何年も費やしたというのに、結局の結論は単純だった――寒すぎる、のである。
――このように、過去の惑星に植民する際、ほかの時代の地球基準で設計された機器はしばしば、予期せぬ理由から正常に動作しない。
さらに設備の輸送コストも大きいので、その惑星それぞれにおいて生活に必要な設備を新規に設計調達、試行錯誤しながら自給することになる。
――しかし自給はしばしば、植民直後でインフラの整っていない新規植民惑星では難しい。
とくに、酸素濃度が高いために部品が急速に腐食し、火のリスクが高い石炭紀においては顕著だ。たとえば電池や太陽光パネルのような製品は資源採掘がしばしば困難かつ埋蔵地域が局限されるレアメタルを大量に用いる必要がある。採掘基地の実用化には採掘設備や精錬設備をはじめとして年単位の歳月が必要であり、自給レベルとなるとなおさらである。
そして、それでいて「錆びたら終わり」という面がある。酸素濃度30％を超える世界では、なんでも錆びる。鎮火のため海上や海沿いに生活する場合、塩害と相まってさらに錆は深刻な問題になるのだ。そのような環境において、リサイクルしづらく、かつ多量の希少金属を要する製品は使いづらい。
一方で、火力は比較的必要とされる希少資源が少なくて済むが、問題は高酸素濃度である。そう、失火は容易に大火事につながるうえに、燃焼温度が高くなり、対応する排熱設備や炉そのものも改修が必要になるのである。ただ――この高酸素世界ではゴミや泥炭でもよく燃えるというのは、大変な利点である。とはいえ、人の住めない場所が大部分を占める石炭紀においてやることではない。
そのためとられた打開策は、なんとも旧式なものだった。
中継アンテナや無人観測所には、長寿命で維持コストの低い放射性同位体熱電気転換器（RTG）が多用される。まるで――宇宙開発の延長線上だ。
しかし、それはあくまで借り物の一時しのぎに過ぎない。
RTGとて寿命がないわけではなく、しかも放射線被ばくの問題や、自給の困難さの問題がある。開拓当時に設置されたRTGの寿命が通信網の寿命であり、その代替策すら提示されていない現状は、さまざまなことを考えさせられるものがある。
開拓初期の文献を読み漁ってから、思うものがある。
最高の科学力をもって過去の惑星に降り立っても、その地でさらなる開発を怠れば、やがて科学文明以前の生活に退行し、重力に縛られて、ただ空を仰ぎ見るしかなくなるだろう。
――ゆえに、人は進み続けなければならないのだ。
石炭紀の大気は酸素に富んでいた――これは一般にもよく知られた説である。
では、これはどのようにして知ることができるのだろうか？
1つ目は、単純に太古の空気をとってくる方法である。
岩塩に補足された空気の酸素濃度を測定することにより、古生代の酸素濃度を知ることができる。Brandら（2021）は岩塩の流体包埋物中に含まれる空気の直接測定および、現代の岩塩における流体包埋物からの逆算によって古生代後期の酸素濃度をおよそ16.5%と、現在より低い値で安定していたと推定しており、他のモデルで示されている酸素濃度の激変とは矛盾する、としている。
ただし…この研究では石炭紀前期（およそ3億3500万年前）とペルム紀後期(およそ2億6000万年前)で測定しており、これは他のモデル（たとえばGEOCARBやGEOCARBSULF）において示される酸素濃度ピークが起こる前と終わった後の時代に相当する。つまり要するに、酸素濃度がピークに達したと考えられる肝心の時期（石炭紀後期とペルム紀前期）の測定データが抜けているために、酸素濃度ピークがあったのかどうかは判断困難ではなかろうか。今後、石炭紀後期についても調べられてほしいところである。
2つ目は、炭酸塩鉱物における炭素同位体比によるものである。
一般的に化学反応において、すべての基質を反応させる前に生成物を回収すると、生成物は反応前の基質に比べて軽い同位体比が高くなる傾向がある。
たとえば炭素12と炭素13では、炭素12のほうが“先に“反応しやすい。これは質量の大きな原子ほど反応に必要なエネルギーが小さいためと考えられており、すべての基質が反応した場合には生成物の同位体比は反応前と同じになる。これを動的同位体分別という。
もうひとつは平衡関係にある物質において同位体の“交換”が生じることにより、温度依存的に同位体比が変化するものである。これは気温推定に用いられる酸素18と酸素16比などで重要になる（これについてはのちにも触れる）。これを平衡論的同位体分別という。
光合成においては炭素12のほうが植物に取り込まれやすい（炭素13のほうが重く結合が強いために細胞内での拡散速度が遅く、ルビスコでのカルボキシル化のエネルギー障壁が高いため）とされる。そのため通常の場合、有機物と炭酸塩鉱物を比較すると有機物は炭素13の含有量が少なく、炭酸塩鉱物には炭素13の含有量が多いとされる。
つまり、炭酸塩鉱物中の炭素13が多い場合は、炭素12が植物に多く取り込まれ、有機炭素の埋没が盛んになった時代であると推定することができる。
3つ目として、有機物中の炭素同位体を使う方法がある。
高酸素環境ではルビスコの逆反応により光呼吸が起きやすくなるため、気孔のガス交換能力をあげる（気孔コンダクタンスの上昇）ことにより適応する。すると炭素13の拡散速度の遅さによる取り込み低下が抑制される。また、CO2不足下ではCO2の同位体による分別度が低下するため、炭素１３も取り込まれやすくなる。つまり、高酸素濃度で栽培した場合、植物体内の炭素13濃度が上がる。つまり、石炭などの有機堆積物に含まれる炭素13比率が高いほど、酸素濃度の高い時代であったと推定できる。
２つ目、３つ目を合わせると、
「酸素濃度が高い時代＝炭酸塩鉱物中の炭素１３―有機物中の炭素１３が減少する」
というモデルが成立する。
4つ目は、黄鉄鉱の同位体比を利用する方法である。
黄鉄鉱においても、硫黄32と硫黄34の比率が重要になる。
硫黄を含む鉱物の酸化風化や有機物の分解によって生じた硫酸イオンは、硫酸還元細菌や硫酸還元古細菌といった、硫酸を電子受容体に用いる嫌気性菌（硫酸で呼吸しているようなものである）によって還元される。この還元された硫黄と鉄が反応すると黄鉄鉱ができる。
酸素豊富な場合は硫黄が酸化されて海洋中の硫酸イオンが豊富になる。すると硫酸還元微生物が利用できる硫酸イオンが増え、硫黄32が選択的に硫化水素になる。（硫黄32は質量が小さいためにおこる動的同位体分別）そのため、硫黄34の比率は当時の酸素濃度を反映して低下する。
黄鉄鉱と炭酸塩鉱物、有機物における硫黄同位体比と炭素同位体比を測定することにより、当時の酸素濃度を推定することができる。これはGEOCARBモデルやGEOCARBSULFモデルなど、古代の酸素濃度を推定するモデルの理論的な背景となる。（Brand, 2006）
5つ目に、燃焼温度を利用した推定方法もある。
酸素濃度が高いほど、燃料は高温で燃焼し、より高温で焼かれた炭ができる。そして、炭は非常に保存されやすく、石炭層などに豊富に保存されている。高温で燃焼した木炭はより光沢を帯びる傾向があり、実験的に得られた木炭の反射率を測定し、時代ごとの木炭の反射率から燃焼温度を推定する。
6つ目はシンプルに、これは、酸素濃度が高いと物がよく燃えることを利用したものである。泥炭に含まれる炭化物の比率を調べることによって酸素濃度を推定する。この方法では石炭紀前期から中生代まで、酸素濃度は概ね26％以上という値を示しているが、落とし穴がある――リンボク類は異常なまでに耐火性に優れていたらしく、リンボク類の優占した石炭紀後期の泥炭においては木炭の含有量が著しく低下するのである。
さて、ここまで様々な酸素濃度の推定方法について述べた。
これらは岩塩中の包摂ガスを除いて、おおむね石炭紀の酸素濃度が少なくとも現在よりも高く、30パーセント前後であったことを示している。では、酸素濃度が高いというのはどういう影響を及ぼすだろうか？有名なのは、酸素濃度が高いとよくものが燃えるとか、酸素濃度が高いと呼吸がしやすくなるというものだが、ほかにも様々なことが起きうる。本文中でも述べたが、大気中の窒素同位体比は安定しており、窒素総量は地球史を通じてほとんど変化していない・・・といわれている。このことは、石炭紀は酸素の増加によって高大気圧条件であったことを示しており、最大で21％増 (Graham et al., 1995)、おおよそ1.1気圧－1.2気圧程度であっただろうと推定される。 しかしながら、窒素総量や大気総量もまた一定ではなく、石炭紀の大気はもっとずっと高大気圧であったとする説すらある。（Cannell et al., 2022）
しかしながら、本書では最も穏当な推定として1.1－1.2気圧前後として石炭紀の環境を記述する。
さて、酸素濃度が高く高大気圧だとどうなるか？ということに関しては、本文のほうである程度述べているので、割愛しよう。
Brand, U., Davis, A. M., Shaver, K. K., Blamey, N. J., Heizler, M., & Lécuyer, C. (2021). Atmospheric oxygen of the Paleozoic. Earth-Science Reviews, 216, 103560.
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Cannell, A., Blamey, N., Brand, U., Escapa, I., & Large, R. (2022). A revised sedimentary pyrite proxy for atmospheric oxygen in the Paleozoic: Evaluation for the Silurian-Devonian-Carboniferous period and the relationship of the results to the observed biosphere record. Earth-Science Reviews, 231, 104062.
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