石と水素から水が生まれる過程を再現――地球の海の起源に新説

海の水は彗星や小惑星がなくても手に入った？

海の水は彗星や小惑星がなくても手に入った？ / Credit:Canva

地球の表面のおよそ7割は、海に覆われています。

これほどありふれた水ですが、その出どころは、実はいまも決着がついていません。

そもそも地球が生まれた太陽の近くは、水にとって熱すぎる場所でした。

太陽から遠い寒い場所なら、宇宙を漂う小石は氷をまとっていられます。

ところが地球のあたりでは、水は氷のままではいられません。

石と水素から水が生まれる過程を再現――地球の海の起源に新説① / Creedit:川勝康弘

そのため、地球を組み立てた材料そのものは、からからに乾いていたと考えられています。

乾いた材料からできた惑星に、なぜこれほどの海があるのか。

よく語られる答えが、いわば「宇宙からの宅配便」説です。

地球が育つ途中や、できあがったあとに、氷を抱えた彗星や水を含む小惑星がぶつかり、外から水を運び込んだという考えです。

しかし今回の研究チームが考えたのは、水を外から運ぶのではなく、育っていく地球がその場でつくってしまう道でした。

水の起源を、乾いた岩と水素に求める考え方です。

その鍵を握るのが、地球の育ち方です。

昔からの有力な説では、地球は岩の塊どうしが衝突と合体を繰り返し、数千万〜数億年かけて育ったと考えられてきました。

石と水素から水が生まれる過程を再現――地球の海の起源に新説② / Creedit:川勝康弘

これに対して近年注目されているのが、宇宙を漂うミリからセンチほどの小石を次々に集めて、数百万年ほどで一気に育つという考えです。

この小石こそが、からからに乾いた地球の材料です。

その仲間は、いまも隕石の中に丸い粒（コンドリュール）として残っています。

生まれたばかりの太陽のまわりには、水素を主とするガスも漂っていましたが、このガスは数百万年ほどで消えてしまいます。

数千万年かけて育つのでは間に合いませんが、数百万年で一気に育つなら、地球はガスが残っているうちに大きくなれます。

そして大きくなった地球は重力でこのガスを引き寄せ、厚い水素の大気をまといます。

石と水素から水が生まれる過程を再現――地球の海の起源に新説③ / Creedit:川勝康弘

そこへ小石が次々に落ちてくると、落下のエネルギーが熱に変わります。

この熱は、大気の上のほうでは、すぐに宇宙へ逃げていきます。

ところが下のほうでは、そうはいきません。

大気の底ほど、上に積み重なるガスが多く、気圧が高くなります。

それは、底ほど分厚い毛布を何枚も重ねてかぶっているのと同じことです。

熱はこの毛布にさえぎられて、なかなか外へ逃げられません。

こうして熱は大気の底にこもり、大気は下へ行くほど熱くなっていきます。

地球ほどの大きさになると、大気の底は2700℃、200気圧（深さ2000メートルの海の底ほどの圧力）を超えることもあると考えられています。

岩石を溶かすには十分すぎる熱さです。

この熱い大気の中へ、小石は次々に飛び込んでいきます。

流れ星は猛スピードで大気に突っ込むので、一瞬で燃え尽きてしまいます。

これに対して小石は、分厚い大気のブレーキをまともに受け、秒速数メートルほどのゆっくりした速さで、何千キロメートルもの道のりを落ちていきます。

そのあいだに、まわりの熱で溶けていくのです。

つまり当時の地球の空では、溶けた石の粒が、熱い水素にどっぷり浸かったまま、何日もかけて落ちていたと考えられます。

この小石の雨にも、水素の大気にも、海をつくれるほどの「水」は含まれていません。

けれども、両方を合わせれば「水の材料」はそろっています。

石と水素から水が生まれる過程を再現――地球の海の起源に新説④ / Creedit:川勝康弘

水は、水素2つと酸素1つが結びついたものです。

水素のほうは、大気にいくらでもあります。

もう一方の酸素は、乾いた石の中にたっぷり含まれています。

実は地球の岩石は、重さのおよそ半分が酸素です。

わかりやすいのが、水晶です。

水晶は、ケイ素1つと酸素2つが結びついたもの（二酸化ケイ素、SiO₂）で、重さの半分あまりを酸素が占めています。

岩石の多くは、このケイ素と酸素の組み合わせを骨組みに、鉄やマグネシウムなどが加わってできています。

石が乾いているというのは、水の粒（水分子）を含まないというだけのことなのです。

問題は、その酸素を石から引きはがせるかどうかです。

石と水素から水が生まれる過程を再現――地球の海の起源に新説⑤ / Creedit:川勝康弘

ケイ素やマグネシウムは酸素とがっちり結びついていて、熱い水素でも簡単には引きはがせません。

その点、鉄は酸素をそれほど強くは抱えていません。

そこで主役になるのが、鉄さびと同じく鉄と酸素が結びついた成分（酸化鉄）です。

熱い水素がこの酸化鉄に触れると、水素は鉄から酸素を奪い取って水（水蒸気）になり、酸素を手放した鉄は金属の鉄として残ります。

地上では、この反応が新しい鉄づくりに生かされ始めています。

鉄鉱石の酸素を石炭ではなく水素で奪い取り、煙突から二酸化炭素の代わりに水蒸気を出す「水素製鉄」です。

乾いた小石が熱い水素の中を何日も落ちていくなら、地球の空そのものが巨大な水素製鉄所になります。

石から次々に水が生まれても、おかしくないのです。

では、小石が落ちていくあいだに、本当に水はできあがるのでしょうか？