地球は固有の強い磁場を持つ天体の1つです。陸上に棲む多くの生物にとって欠かせない存在であるこの「地磁気」は、地球誕生から徐々に強くなっていったと理解されています。ただし、その正確な時期はよくわかっていません。

マサチューセッツ工科大学のClaire I. O. Nichols氏などの研究チームは、グリーンランドから産出した極めて古い岩石を調査し、約37億年前の地球に地磁気が存在した証拠を見つけました。これは最も古い時代の地磁気の証拠です。また、その強度は現在と比べてもそれほど弱くない値であることから、地磁気の形成や、古代の生命がどのように進化し、数を増やしたのかを探る上でも重要な発見となります。

【▲ 図1: 有害な太陽風を遮断する地磁気は、生命と大気の両方にとってシールドの役割を果たします。(Credit: NASA)】
【▲ 図1: 有害な太陽風を遮断する地磁気は、生命と大気の両方にとってシールドの役割を果たします。(Credit: NASA)】

■「地磁気」は生命と大気の両方に重要

方位磁石が北を向くことからもわかるように、地球には固有の磁場である「地磁気」が存在します。地球の磁場は他の天体と比べるとかなり強度が高く、岩石などの固体物質を主体とした天体としては最も強度が高いという特徴があります。

地磁気の存在は、地球が生命を宿す天体となった理由の1つであると考えられています。地磁気にはいくつかの恩恵がありますが、重要なものの1つとして、宇宙から降り注ぐ太陽風などの高エネルギーな荷電粒子(電気を帯びた粒子)をガードするというものがあります。これは地上の生命にとって重要な恩恵です。このような荷電粒子は生物にとって有害であり、細胞やDNAなどを傷つけてしまいます。もしも地磁気が無ければ生物は海の中から外に出ることはできなかったでしょう。

もう1つ挙げられる重要な恩恵として、大気の流失を防ぐという役割があります。先述の通り、地磁気がなければ太陽風などの荷電粒子が直接大気に衝突します。高エネルギーな粒子が衝突すると、大気を構成する分子に重力を振り切るほどの運動エネルギーが与えられることもあります。つまり、地磁気が弱いとその分だけ分子が逃げ出しやすくなり、大気は薄くなってしまうのです。実際に、地球とよく似た性質を持つ火星にはとても薄い大気しかありませんが、その理由の1つは固有の磁場の弱さであり、大気の流出を防ぐことが出来なかったためだと考えられています(※1)

※1…他にも、重力が地球の半分以下であるという、大気分子を引き止める力の弱さも挙げられます。

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このように、強力な地磁気には生命と大気の両方を保護する強力なシールドとしての役割があることがわかります。生命や地球そのものの進化を知る上では地磁気の発生時期も重要な要素であることになりますが、それを知ることはとても困難です。

過去の時代の地磁気の強度を知るには、その時代にマグマから固化した岩石に残された磁場である「古地磁気」を調べる必要があります。しかし、岩石に刻まれた磁場は非常に消えやすい情報です。岩石が数百℃に加熱されると磁場は “消去” され、再び冷えた時点での地磁気の情報に “上書き” されてしまいます。

このため、非常に年齢の古い岩石の古地磁気を調べたとしても、そこから得られた古地磁気の情報は、岩石が冷えて固まった形成年代と一致するとは限りません。固化した岩石がその後に一度も磁場の “消去” と “上書き” を経験していないことを示すには、過去に高熱が加わっていないことを示す必要があります。しかし、それには技術的な困難さに加えて、そもそも数十億年もの間に一度も熱が加わっていない岩石を見つけること自体が困難であることから、誕生から間もない頃の地球の磁場を知る手掛かりはほとんどありませんでした。

■古い時代の地磁気の証拠を得るのは難しい

【▲ 図2: グリーンランドのイスア地域で産出する37億年前の岩石の一例。(Credit: Claire Nichols)】
【▲ 図2: グリーンランドのイスア地域で産出する37億年前の岩石の一例。(Credit: Claire Nichols)】

Nichols氏らの研究チームは、特に年代の古い岩石が産出することで知られているグリーンランド南西部のイスア地域で採集される岩石を対象に、誕生から間もない頃の地球の磁場の痕跡が残っていないかを調査しました。イスア地域は37~38億年前という世界最古級の岩石が産出する地域として知られており、世界最古の生命の痕跡が見つかっているという主張もあります(※2)

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※2…ストロマトライト(光合成をする細菌が生み出す層状構造)が見られる堆積岩が採集されたという主張がありますが、層状構造がストロマトライトであるかについては論争があります。

Nichols氏らがイスア地域に着目したのは、岩石の形成年代が非常に古いということ以外にも理由があります。イスア地域の下には非常に分厚い大陸地殻があります。このような安定した大陸地殻では、地殻変動や火山活動自体が非常に乏しいという特徴があります。元より地質活動が乏しいということは、大規模な活動はさらに頻度が減ります。他の場所と比べてより分厚い地殻を破るほどの激しい活動となれば、さらに発生頻度は低くなるでしょう。このことから、イスア地域の岩石は37億年という非常に長い歴史において、一度も高熱を受けずに存在した可能性があることになります。

ただし、これだけでは十分な証明とは言えないため、Nichols氏らは熱を受けていないことを示す別の方法として、岩石に含まれる放射性元素を計測することで年代を知ることのできる「放射年代測定法」による検証も行っています。放射年代測定法には利用する元素が異なる複数の方法があり、その中には熱を受けると “リセット” されてしまうものがあることが知られています。複数の放射性元素で年代測定を行った場合、リセットが無かった場合にはどの年代も一致するはずですが、特定の年代測定がリセットされていた場合は、測定された年代の間にズレが生じることになります。Nichols氏らは複数の放射年代測定法で計測した年代にズレがないこと、その理由が熱を伴わない化学変化のような、他の理由で生じていないことを証明することに注力しました。

■37億年前の地磁気の証拠を発見!

その結果、調べられた岩石のサンプルは、生成された後に37億年間、380℃以上の温度を一度も受けていないことが証明されました。つまり、岩石に刻まれている古地磁気は37億年前の地磁気を反映していることになります。これは最も古い地磁気の証拠となります。

測定された地磁気の値は少なくとも15µT(マイクロテスラ)という値でした。これは現在の地磁気である30µTの半分以上ということになりますが、測定の性質上、37億年前の地磁気は現在の地磁気とほぼ同レベルであることを示しています。

この事実は意外なものでした。現在の地磁気発生モデルの場合、地球の形成直後には地磁気は存在せず、地球の内部構造が形成されるに従って強化されたと考えられています。37億年前の地球に現在の地球と同じ強度の地磁気があるということは、8億年程度の時間で現在と同じような内部構造が形成されたことを意味しています。このことは、地球の形成や進化を研究する上で重要な手掛かりとなります。

また、37億年前に現在と同じ強さの地磁気があったことは、別の観点からも注目されます。現在の地球は酸素に満ちていますが、大気中に酸素が現れるようになったのは今から約20億年ほど前のことであり、それ以前は光合成で酸素が生成されても、別の物質と反応してすぐに消費されてしまうという状況でした。

酸素が消費されずに存在できる条件の1つとして、大気中から水素を含んだ物質が減少することが重要であると考えられています(※3)。水素が逃げ出すには太陽風が大気に多く衝突することが都合が良いですが、そのためには地磁気が現在の水準よりも弱い必要があります。地磁気は過去に何度も強弱が変化していることが判明していますが、今回の研究結果は、10億年以上にもわたって一時的に地磁気の強度が弱まっていた時期があったことを示唆しています。ただし、この推定が正しいかどうかは古い時代の古地磁気の記録が不足しているため、現時点では決定できません。結論を得るには、さらに調査・研究が必要となるでしょう。

※3…水素が太陽風などによる大気流出で減少したという推定を裏付けるものとして、大気中のキセノンの減少が挙げられています。キセノンは化学反応をほとんどしない貴ガスであり、重い原子であることから、大気からの大量流出には太陽風などの外的要因が必要となります。

 

Source

文/彩恵りり 編集/sorae編集部

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