マーク・ベラン/クアンタ・マガジン
マーク・ベラン/クアンタ・マガジン
科学者チームは、地球の双子がどのようにしてそれほど住みにくい環境になったのか、そして同じことが私たちの惑星にも起こるのかどうかを調査した。
金星はおそらく太陽系で最悪の場所です。二酸化炭素のマントが惑星を窒息させ、その表面は頭蓋骨を押しつぶすような圧力にさらされる。硫酸はうんざりするような黄色い空に降り注ぐが、溶岩でなめられた地面には決して到達しない。金星は非常に高温で、鉛が溶けるほど高温であるため、酸性雨は降るにつれて蒸発します。
この惑星の極端な不親切さは、惑星科学における最も魅力的な謎の 1 つの中核です。金星と地球は、太陽系のほぼ同じ部分で、同じ地質学的構成要素から同時に形成されました。サイズも同じです。では、なぜ金星は地獄絵図であり、地球は庭園なのでしょうか?
科学界でよく言われるのは、金星はほんの数歩先を行っている、つまり、金星は地球を含むすべての大きな岩石惑星の最終状態を表しているということです。仮説は、これらの惑星は最終的に、地球温暖化を引き起こす温室効果ガスを地層の地下に隔離する能力を失うというものです。これらのガスが大気中に蓄積すると、世界は沸騰するような熱い金星気候のような暴走温室状態に陥ります。カリフォルニア大学リバーサイド校の惑星天体物理学者スティーブン ケイン氏は、「金星が地球の未来の前兆であるということは何年にもわたって常に聞いていました」と述べています。
しかし、長年保持されてきたこの仮定は本当なのでしょうか?数億年、あるいは数十億年後には、地球の気候も金星のような気候になり、温帯世界から壊滅的な温室に移行するのだろうか？ケインと彼の同僚はそれを解明しようと努めてきました。金星と地球はしばしば双子と呼ばれ、金星はペアのうちの邪悪な方です。 「再会する双子」プロジェクトで、科学者たちは太陽物理学、火山学、プレートテクトニクス、気候科学を組み合わせた地球のデジタルモデルを開発しました。彼らは模型地球を極限まで推し進め、地球を壊して金星に変えるためのありとあらゆる方法を試みてきました。
この研究は、太陽から 2 番目の岩石の何がうまくいかなかったのかを調査するだけでなく、このプロジェクトには直接関与していないセントルイスのワシントン大学の惑星科学者であるポール・バーン氏は、「地球はどれくらいの期間居住可能なのか?」という、より身近な問いにも訴えかけていると語った。
金星の幅は地球の 95% と同じで、質量は 81.5% です。
NASA
惑星のフーダニット
地球の将来を予測するには、金星の過去を理解する必要があります。昔、金星は現在の地球とそれほど変わらなかったかもしれません。宇宙船の調査と望遠鏡の観測により、金星の大気中にまれで重い水の存在が明らかになりました。これは、かつて地球上に通常の水が豊富に存在していたことを示す証拠です。
研究者たちは、その水がどのようにしてそこに存在したのかについて議論しています。可能性の 1 つは、若い金星の水が蒸気を形成し、生まれたばかりの金星の表面を覆うマグマの海の上に漂っていたことです。強力な温室効果ガスであるその水蒸気は、誕生から間もなく世界を灼熱の温室状態に押し込んでいたでしょう。あるいは、金星の最初の地球規模のマグマ海は、液体の水、おそらくは海洋1杯分の水がそこを流れるのに十分な速さで冷えて固まり、地殻になった可能性がある。それが本当なら、その水はどうなったのでしょうか?
2020 年、ニューヨークにある NASA ゴダード宇宙研究所の惑星科学者で気候モデラーであるマイケル ウェイは、金星の海洋がどのように沸騰して消滅したのかについて 2 つの可能性を検討しました。
最初の仮説は、太陽が老化して水素燃料が燃え尽きるにつれて、ますます多くの太陽光を放出し、私たちよりも太陽に近い金星を含む近隣の惑星をますます激しい炎にさらしていることを示しています。惑星科学者らは、太陽系の誕生から約10億年までに、徐々に明るくなる太陽によって金星の液体の水を効率的に蒸発させることができるようになると推定している。その場合、水蒸気が金星の大気中に溢れ、集中的な地球温暖化を引き起こす可能性があります。この温暖化は、火山が二酸化炭素を放出することによってさらに悪化した可能性があります。この組み合わせにより、金星が温室暴走状態に陥った可能性があります。
素敵な話ですね。しかし、ウェイのモデルによれば、太陽が金星の海洋を蒸発させて破壊したという理論には問題がある。金星の自転は非常にゆっくりであり、1 日は地球の 116 日、つまりほぼ 4 か月に相当します。もし惑星の昼側が最初に液体の海を持っていたなら、その水の蒸発により厚い雲が形成されたでしょう。これらの驚異的で持続的な日中の雲は太陽光を反射し、そうでない場合よりも金星の温度を低く保ち、実際に暴走する温室効果と抑制のない地球温暖化を防止したでしょう。
ウェイ氏は、金星の終焉のより有力な容疑者は、荒廃した火山活動の一形態であると考えています。地球は、その歴史ある過去において、大火成州 (LIP) として知られる単一の領域で、数十万年、おそらくは数百万年にもわたる長期にわたる溶岩の噴火を経験しました。これらの出来事はそれぞれ、大量の二酸化炭素を大気中に注入し、世界を一時的に非常に暑くしました。 2 億 5,200 万年前の 1 つの LIP は、地球史上最悪の記録的な大量絶滅を引き起こし、地球をほぼ不滅の状態に陥らせました。
マゼラン宇宙船は、1990 年代初頭に荒れ果てた金星の表面を撮影しました。
NASA
生命にとって幸運なことに、これらのLIPイベントのそれぞれの後、地球はその過剰な二酸化炭素を岩石の腸の奥深くまで徐々に引き込み、地球は再び冷えました。これは、沈み込みと呼ばれるプロセスを通じてこれを達成しました。構造プレートが衝突すると、一方のプレートが他方のプレートの下に沈み、溶解した二酸化炭素が豊富な海水を深海底に引き込むことができます。その炭素は、画期的な期間にわたって下部マントルに隔離されたままになります。その一部は最終的に火山活動を介して大気中に戻ります。一言で言えば、これが地球全体のサーモスタットの制御方法です。
金星に水があった頃、金星には主要な沈み込み帯を伴う地球のようなプレートテクトニクスがあった可能性があります。しかし、このシステムは、特に複数の LIP イベントがほぼ同時に発生した場合に、惑星の焼身自殺から救えるほど広範囲にも大規模にも普及していませんでした。ウェイのモデルは、複数の同時LIPが金星の大気中に膨大な量の二酸化炭素を放出し、世界を非常に深刻に温暖化させ、その液体の水の多くが空に沸騰して、さらに温暖化を加速させた可能性があることを示している。言うまでもなく海がないため、二酸化炭素をすべて再吸収することはできません。さらに、水は沈み込みを可能にします。水は岩石の融点を下げ、プレートがより容易に曲がり、壊れやすくします。したがって、地表に水が残らなくなると、主要な沈み込み帯が停止し、二酸化炭素の埋没が防止されます。
他の科学者もウェイ氏の評価に同意する傾向があり、金星を今日のようなひどい場所にしたのは太陽だけのせいではありえない。 「そこに到達するには、複数の極端な火山活動が必要だと本当に思います」と、スイスのベルン大学の惑星科学者アンナ・ギュルチャー氏は述べています。
世界を壊す方法
金星とその暴走した温室の荒野について研究しているうちに、ケインは病的なほどの好奇心を抱くようになった：同じ運命が地球にも降りかかるのだろうか？ 「地球上の炭素循環を止めたらどうなるでしょうか?」彼は言いました。 「ヴィーナスを作ってくれませんか？」
それを知るために、彼と彼のチームは仮想世界を破壊するマシンを構築しました。 「50 億年後の未来であれば、終末や終末のシナリオは誰もが大好きです」と彼は言いました。
惑星天体物理学者スティーブン ケインは、地球の将来が金星の現在に似ているかどうかを調査しました。
スティーブン・ケイン氏の厚意
最初のステップは、地球のモデルを約 35 億年、太陽と惑星の年齢が 80 億年になるまで早送りすることでした。その時点では、太陽は今日よりも明るく輝き、地球の大気は、金星が誕生してわずか10億年だったときと同じレベルの灼熱の星の光を受けることになります。当時、金星は温暖で水浸しになるか、焼けてカリカリになるかの転換点にあったと考えられています。年齢 80 億年の太陽は、地球を同様の気候のナイフエッジに追い込むでしょう。
研究チームのモデルは、35億年後には地球の海洋が蒸発し始め、大気中で熱を閉じ込める水蒸気になる可能性があることを示唆している。水がなければ沈み込みは存在しない可能性があるため、これは地球の主要な沈み込み帯を消滅させるのに十分である可能性があります（さらに、そもそも二酸化炭素が溶け込む水が少なくなります）。 「私たちは CO2 を地球のマントルに引き戻す能力を失いつつあります。そのため、CO2 は蓄積するだけです」と、再会する双子プロジェクトのメンバーであるスタンフォード大学のミシェル ヒルは述べています。
主要な沈み込み帯の停止は、地球のプレートの衝突や押し合いが止まることを意味します。その代わりに、それらは熱いマントルの周りにほぼ一体化した岩の殻を形成するでしょう。マントルの周囲の殻が内部の放射性崩壊化合物によって発生した熱を閉じ込めるため、しばらくの間、マントルはさらに高温になるだろう。内部に熱が蓄積するにつれて、ケインのシミュレーションにおける地球では、約 1,500 万年にわたって火山活動が活発化します。
「停滞蓋体制」として知られるこの期間は、空にさらに多くの二酸化炭素を加えます。しかし、噴火の急増は短期間です。マントルは冷えて地殻が厚くなり、炭素を噴出させる大規模な火山活動がほとんど通らなくなる。
したがって、停滞した蓋が形成されてから 1,500 万年後、地球は新たな平衡状態に達することになります。時折、火山活動が依然として発生する可能性があります。 （同様に、科学者たちは、金星が現在火山活動を行っているという説得力のある証拠を発見しました。）しかし、ケイン氏は、こうした散発的な噴火によって大気中に炭素が多く追加されることは予想されていないと説明しました。
その時点で、チームのシミュレーションは停止します。彼らの未来の地球モデルは金星にどの程度似ていますか?
2012 年にハワイのキラウエア火山から玄武岩溶岩が流出しました。地球の歴史を通じて時折、大陸規模の玄武岩の洪水が地球温暖化と大量絶滅を引き起こしました。科学者の中には、同様に大量の溶岩の噴出が金星を焦がすことに貢献したのではないかと疑う人もいます。
USGS
金星のような場所はありません
地球の大規模な沈み込みが約 35 億年後に停止し、炭素を埋める地球の能力が停止した場合、ケインと彼のチームのシミュレーションは、大気中の二酸化炭素レベルが 0.1 バールから 0.8 バール上昇することを示しています。 （参考までに、今日の海面での全大気圧は 1 バールで、そのおよそ 0.04%、つまり 0.042 バールは二酸化炭素によるものです。）二酸化炭素が 0.1 バール上昇するという彼らの最良のシナリオでも、地球の表面温度は摂氏 100 度 (華氏 212 度) を超えます。同じことが 0.8 バーでも起こりますが、はるかに速く発生します。
いずれにせよ、世界の表面は文字通り沸騰するほど熱くなります。地球は「温室暴走後の状態に変わるだろう」とケイン氏は言う。 「表面温度はどんな水にとっても熱すぎるでしょう。すべて沸騰してしまいます。」世界の皮膚の上にあるものは何も生き残れません。
それでも、地球が金星の現在の状態に近づくことはないだろう。 「それはVenus liteでしょう」とケインは言いました。
金星の大気は 93 バールで、96.5% が二酸化炭素で構成されています。ケインと彼の同僚の終末マシンは、どんなに力を入れても、地球をそのレベルに引き上げることはできません。 「それには驚きました」と彼は言った。マントルは停滞した蓋で密閉されているため、火山活動が低下し、金星のような焼き上がりから地球を彼が思っていたよりもうまく保護します。
独立した科学者たちは、再会する双子のプロジェクトが以前の仮定に疑問を投げかけ、岩石惑星の終末状態についての議論を大きく盛り上げるものとして賞賛しています。
「私は彼らのアイデアが気に入っています」とウェイ氏は言い、チームの未来の地球のバージョンは「不合理だとは思わない」と付け加えた。
ワシントン大学の惑星科学者バーン氏は、「最終的には悪臭を放つほど暑い世界になるだろう」と述べた。しかし、金星レベルの暑さではない可能性は興味深いと彼は言いました。
ケイン氏のチームは、彼らのモデルではLIP型の巨大噴火が考慮されていないこと、そしてこれらの出来事により、将来のどの時点でも大気中に捕捉された炭素が大量に追加される可能性があることを認めた。おそらく地球は不運で、複数の同時LIPイベントを経験することになるだろう（ただし、マントルが冷えて撹拌が遅くなるにつれて、時間の経過とともにその可能性は低くなる、とケイン氏は語った）。もしそうなら、そのシナリオは地球をチームのモデルが示唆するよりも金星に近づける可能性があります。
不確実性がたくさんあります。しかし、もしケインのチームが大まかに正しいとすれば、ビーナスには独特の悲惨な歴史があることが示唆される。何かが――おそらく溶岩の浸水が――その惑星を骨まで焼き尽くしたのだ。一方、地球はこれまでのところ、自ら破壊を引き起こすことができていない。この状況が今後もずっと続くことを願いましょう。
次の記事
人類はどのようにして生命のエネルギー探求を増幅させたのか
