地球はその歴史の中で、表面全体が氷河に覆われる「全球凍結(スノーボールアース)」が何度か起こったと推定されています。しかし、なぜ全球凍結が起きたのか、またどのように “解凍” されたのかについてのメカニズムはほとんど分かっていません。

約7億年前に起こったとされる全球凍結レベルの極端な氷河期「スターティアン氷期」の発生原因を、地質記録とシミュレーションによって調査したシドニー大学のAdriana Dutkiewicz氏などの研究チームは、火山からの二酸化炭素放出量が少なくて岩石の風化による二酸化炭素の吸収が多かったために、大気中の二酸化炭素濃度が現在の半分以下まで減少したことが原因であると推定した研究成果を発表しました。興味深いことに、この状況は遠い未来に地球で起こる状況と似ています。

【▲図1: 全球凍結した地球の想像図。 (Image Credit: Oleg Kuznetsov) 】
【▲図1: 全球凍結した地球の想像図(Credit: Oleg Kuznetsov)】

■赤道すら凍りつく「全球凍結」の謎

初期の人類やマンモスがいた時代、地球の平均気温は現在よりも低く、南北の極地やその周辺では氷河が発達していました。この時代を指す「氷期(氷河期)」という言葉は聞き馴染みのある言葉でしょう。

しかし、地球の誕生から現在までという極めて長い時間スケールで見てみると、さらに激しい氷期が何度かあったことが分かっています。人類が経験したことのある氷期では、氷床の領域は緯度にしてせいぜい40~60度の範囲を覆う程度ですが、最も激しい氷期では赤道さえも分厚い氷床に覆われたと考えられています。この極端な氷期は「全球凍結」または「スノーボールアース」と呼ばれます。

全球凍結は当初懐疑的に見る見方が大勢でしたが、現在では発生自体はほぼ疑いようがないと見られており、議論の主軸は発生回数や規模にシフトしている状況です。ただし、地質記録という間接的な証拠に頼る研究手法であることから、全球凍結が起きた原因や、全球凍結が終わる “解凍” の理由など、メカニズムについてはほとんど理解されていません。

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■約7億年前の全球凍結「スターティアン氷期」について研究

Dutkiewicz氏らの研究チームは、今から約7億1700万年前~6億6100万年前にかけて起こったとされている「スターティアン氷期」について、その発生原因を調査しました。スターティアン氷期は全球凍結の中でも最も規模が激しかったと考えられている氷期の1つであり、約5700万年間持続したという期間の長さも注目されています。

スターティアン氷期は他の全球凍結と比べて原因を比較的特定しやすいと考えられます。まず、他のいくつかの全球凍結は発生自体が疑われるほど地質記録が不足しています。また、スターティアン氷期よりも新しい時代の氷期の場合、植物の地上への進出など生物の影響を無視できなくなります。特に植物は光合成のプロセスを通して温室効果ガスである二酸化炭素を吸収するため地球環境に影響を与えますが、生物の影響を推定することは不確定要素が多くなるため極めて困難です。

一方で、スターティアン氷期の前後の時代の地上には、植物を含めあらゆる生物がまだ進出していないと考えられています。このため、スターティアン氷期の発生や解除の原因は純粋に地学的現象のみを考慮すればよいことになります。このことは生物の関与を推定するよりもずっと易しいことを意味します。

Dutkiewicz氏らは地質記録を元に大陸移動に関するモデルを作成し、スターティアン氷期の前後における大陸の配置や海の深さ、そこから推定される火山活動の規模など、気温に関係するいくつかの因子を計算しました。この時代はちょうど、地球のほぼ全ての大陸が集合してできた「ロディニア大陸」が分裂を開始した時期に当たると考えられており、プレートテクトニクスの状況と地球表面の構造が大きく変化した時期であると考えられています。

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■岩石の風化と火山活動の低下が全球凍結の原因と推定

シミュレーションの結果、プレート(地殻)を生み出す中央海嶺の火山活動の低下と大陸で起こった岩石の風化作用の組み合わせによって大気中の二酸化炭素濃度が低下したことが、スターティアン氷期の直接原因であることが推定されました。特に、中央海嶺の活動状況は今回のモデルでスターティアン氷期の主因として新たに挙げられたものです。

【▲図2: フランクリン巨大火成岩岩石区の写真。 (Image Credit: Mike Beauregard) 】
【▲図2: フランクリン巨大火成岩岩石区の写真(Credit: Mike Beauregard)】

大陸で起こった岩石の風化作用は、この研究の以前からスターティアン氷期の原因と目されていました。特に、スターティアン氷期の直前にあたる約7億1800万年前から約200万年持続し、「フランクリン巨大火成岩岩石区(Franklin Large Igneous Province)」を作った大規模な火山活動が以前から注目されていました。フランクリン巨大火成岩岩石区は現在ではカナダ北部の北極圏にありますが、7億年前の噴火当時は赤道付近にあったと考えられています。火山活動で大量に噴出したマグマは玄武岩となって大陸の表面を覆いますが、その後の風化作用によって二酸化炭素を吸収する化学反応を起こします。しかし、フランクリン巨大火成岩岩石区の風化作用だけではスターティアン氷期が引き起こされるほど二酸化炭素濃度が低下しないことも分かっていました。

【▲図3: 今回のモデルで推定された二酸化炭素排出量。検討したモデルの1つ (オレンジ色の帯) では、スターティアン氷期 (中央の太い水色の帯) に二酸化炭素放出量が大幅に減ったことが推定されました。 (Image Credit: Adriana Dutkiewicz, et al., Geology (2024) 図2よりトリミング) 】
【▲図3: 今回のモデルで推定された二酸化炭素排出量。検討したモデルの1つ (オレンジ色の帯) では、スターティアン氷期 (中央の太い水色の帯) に二酸化炭素放出量が大幅に減ったことが推定されました(Credit: Adriana Dutkiewicz, et al., Geology (2024) 図2よりトリミング)】

Dutkiewicz氏らは今回、風化作用に加えて中央海嶺の活動が低下したことが、二酸化炭素濃度の低下が起こる追加の原因であることを示しました。中央海嶺はマントルから湧き上がってきた物質が新しいプレート(海洋地殻)となる現場であり、継続した火山活動と二酸化炭素の放出を伴います。しかし、スターティアン氷期が起こった当時はロディニア大陸の分裂によってプレートの配列が変化し、プレート運動が減速したため、プレートを新たに生み出す中央海嶺の活動とそれに伴う二酸化炭素の放出量が大きく低下したことが今回のモデルで推定されました。その結果、二酸化炭素の放出量は1年あたり900万トン(炭素量換算)と、現在の約3分の1にまで低下したと考えられています。

風化作用と火山活動の低下によって、大気中の二酸化炭素濃度は約0.02%と、現在の半分以下まで低下したと考えられます。これによって温室効果が大きく低下したことが、赤道まで凍結するスターティアン氷期の原因であるとDutkiewicz氏らは考えています。約5700万年という長期間続いた原因も、風化作用や火山活動の低下が長期に渡って続いたためと考えられます。この研究は、人為的な二酸化炭素の放出が現在の急激な気候変動を招いているように、地球の平均気温が二酸化炭素の濃度に対してどれほど敏感に反応するのかを示しています。

一方で、スターティアン氷期が終了した原因については風化が進行して岩石がそれ以上二酸化炭素を吸収できなくなったことや、中央海嶺の活動が活発化したこと、大陸同士の衝突による陸上の火山活動が追加で加わったことで大気中の二酸化炭素濃度が上昇したためと考えられます。ただし、今回のモデルではスターティアン氷期の終了時期に関するパラメーターが不足しているため、この推定についてはさらなる研究が必要となります。

■遠い未来の地球も全球凍結する?

Dutkiewicz氏らは今回の研究を踏まえ、遠い未来の地球で起こるであろう全球凍結にも言及しています。今から2億5000万年後、大陸は再び1つに集合して超大陸「パンゲア・ウルティマ大陸」を形成すると考えられています。この頃、太陽活動の上昇や赤道付近に陸地が集中することにより、気温が大きく上昇することが推定されています。これが正しい場合、哺乳類が生存可能な気温を大幅に超えるため、哺乳類は絶滅するでしょう。

しかしDutkiewicz氏らは、大陸同士の衝突でプレート運動が遅くなり、中央海嶺の活動が再び低下するため、パンゲア・ウルティマ大陸が形成される頃には逆に全球凍結が起こるのではないかと考えています。直近の未来の気候変動は明らかに人為的な活動によるものですが、2億5000万年後の遠い未来では、地球が再び全球凍結の時代を迎えているのかもしれません。

 

Source

  • Adriana Dutkiewicz, et al. “Duration of Sturtian “Snowball Earth” glaciation linked to exceptionally low mid-ocean ridge outgassing”. (Geology)
  • Marcus Strom. “What made Earth a giant snowball 700m years ago? Scientists have an answer”. (The University of Sydney)

文/彩恵りり

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