地球大気の変遷 / evolution of Earth’s atmosphere

地球大気は46億年前の地球誕生以来、大きく変遷してきた。その歴史は主に以下の段階に分けられる。

1. 原始大気（初期の大気）:
   • 地球が形成された初期には、太陽系形成時の水素やヘリウムを主成分とするごく薄い大気があったと考えられているが、地球の重力が小さく、若い太陽からの強い太陽風によって宇宙空間に散逸したと考えられている。
   • その後、地球内部の火山活動によって水蒸気、二酸化炭素、硫化水素、メタン、アンモニアなどが放出され、第二次的な原始大気が形成された。この大気は酸素をほとんど含んでいなかった。特に水蒸気と二酸化炭素が主要な成分であり、現在の金星や火星の大気に近い組成だったと言える。
2. 海の形成と二酸化炭素の減少:
   • 地球が冷えるにつれて、大気中の水蒸気が凝結し、雨となって地表に降り注ぎ、海が形成された。
   • 大気中の二酸化炭素は海水に溶け込み、炭酸塩として海底に沈殿したり、岩石と反応して固定されたりすることで、大気中の二酸化炭素濃度は徐々に減少していった。
3. 酸素の増加（大酸化イベント）:
   • 約35億年前、海中で光合成を行うシアノバクテリアのような生物（酸素発生型光合成生物）が出現した。これらの生物は二酸化炭素を吸収し、酸素を放出する活動を開始した。
   • 最初は放出された酸素は海水中の鉄と反応して酸化鉄を形成し、海中に蓄積されていった。これが縞状鉄鉱層として現在でも見られる。
   • 海中の鉄が尽きると、酸素は海中に満ち、やがて大気中に放出され始めた。これにより、約24億年前には大気中の酸素濃度が急激に上昇する「大酸化イベント」が起こった。
   • 酸素の増加は、嫌気性生物にとっては厳しい環境であったが、酸素を利用する好気性生物の進化を促した。
4. オゾン層の形成と陸上生命の誕生:
   • 大気中の酸素濃度が増加すると、上空で太陽からの紫外線によって酸素分子（O2）が分解され、オゾン（O3）が生成されるようになった。
   • オゾン層が形成されると、地表に到達する有害な紫外線を吸収するようになり、陸上での生命活動が可能になった。約4億年前には、植物が海から陸上へ進出し、さらに多くの酸素を供給した。
5. 現在の組成へ:
   • 生物の活動や地質学的プロセスによって、大気組成は徐々に現在の窒素（約78%）、酸素（約21%）、アルゴン（約0.9%）、二酸化炭素（約0.04%）などの状態へと変化してきた。
   • 近年では、人類の活動、特に産業革命以降の化石燃料の燃焼や森林伐採によって、二酸化炭素などの温室効果ガス濃度が急激に増加し、地球温暖化が進行している。

これらの変遷は、地球の冷却、火山活動、水の存在、そして生命の進化といった様々な要因が複雑に絡み合って起こったものだ。

The Earth’s atmosphere has undergone significant transformations since the planet’s formation 4.6 billion years ago. Its history can be broadly divided into the following stages:

1. Primordial Atmosphere (Early Atmosphere):
   • Initially, after the Earth formed, there was a very thin atmosphere thought to be composed mainly of hydrogen and helium from the solar nebula. However, due to Earth’s weaker gravity and the strong solar winds from the young Sun, these gases are believed to have escaped into space.
   • Subsequently, volcanic activity from within the Earth released water vapor, carbon dioxide, hydrogen sulfide, methane, ammonia, and other gases, forming a secondary, more stable primordial atmosphere. This atmosphere contained very little oxygen. Water vapor and carbon dioxide were the primary components, with a composition similar to that of present-day Venus or Mars.
2. Formation of Oceans and Decrease in Carbon Dioxide:
   • As the Earth cooled, water vapor in the atmosphere condensed and fell as rain, leading to the formation of oceans on the surface.
   • Carbon dioxide in the atmosphere dissolved into the seawater and was gradually removed from the atmosphere by precipitating as carbonates on the seafloor or reacting with rocks and becoming sequestered.
3. Increase in Oxygen (Great Oxidation Event):
   • Around 3.5 billion years ago, photosynthetic organisms like cyanobacteria emerged in the oceans. These organisms began to absorb carbon dioxide and release oxygen.
   • Initially, the released oxygen reacted with iron in the seawater, forming iron oxides, which accumulated in the oceans. This is evident today in banded iron formations.
   • Once the iron in the oceans was largely consumed, oxygen began to fill the oceans and then started to be released into the atmosphere. This led to a rapid increase in atmospheric oxygen, known as the “Great Oxidation Event,” around 2.4 billion years ago.
   • The increase in oxygen created a challenging environment for anaerobic organisms but spurred the evolution of aerobic organisms that utilize oxygen.
4. Formation of the Ozone Layer and Emergence of Terrestrial Life:
   • As atmospheric oxygen levels increased, oxygen molecules (O2) were broken down by solar ultraviolet radiation in the upper atmosphere, leading to the formation of ozone (O3).
   • The formation of the ozone layer absorbed harmful ultraviolet radiation reaching the Earth’s surface, making it possible for life to exist on land. Around 400 million years ago, plants migrated from the oceans to land, further contributing to oxygen production.
5. Transition to Current Composition:
   • Through biological activity and geological processes, the atmospheric composition gradually evolved to its current state, primarily consisting of nitrogen (about 78%), oxygen (about 21%), argon (about 0.9%), and carbon dioxide (about 0.04%).
   • In recent times, human activities, especially since the Industrial Revolution, such as the burning of fossil fuels and deforestation, have led to a rapid increase in greenhouse gas concentrations, including carbon dioxide, causing global warming.

These transformations resulted from a complex interplay of various factors, including the Earth’s cooling, volcanic activity, the presence of water, and the evolution of life.