(Minato 1953, Ijiri 1956)

古生物学 (paleontology)

1. 生物自身を理解し動植物や無機的環境に生物が及ぼす影響を知るため、古生物生活様式を明らかにする
2. 古生物や古生物群集の存続をもたらした地質時代の様々な生物や群集全体の生活条件を復元する

→ 研究材料は生物化石でありその化石を含んだ岩石である化石化の問題(塚田 1974)
斉一観説 uniformitarianism theory: 現代と地質時代の自然現象が同じ作用で一様に行われるという仮定

個体古生態学
群集古生態学(biocoenoses - thanatocoenoses)

問題点 1: 堆積現場付近の現生生物群集の定量. 2: 堆積物中(湖底や海底表面泥土)の遺骸群集の統計. 3: 調査結果の統計学的信頼性. 4: 堆積速度. 5: 採集地点環境測定

古植物学 (paleobotany)

1. 植物相、分布、植生とその遷移
2. 古生態と古環境の解析
3. 分類と系統 → 背景: プレートテクトニクス

[ 代 | 年代学 | 化石 fossil | 大絶滅 | 国際年代層序表 ]

主な課題

1. プレカンブリア紀 = 生命誕生
2. 初期陸上植物 = 陸上植物進化
3. 種子植物進化(特に被子植物)

古生態学 (paleoecology)

様々な要因に分け分類し複合形成する。特に制限要因を調べるのが方法的に簡明
Ex. 貝化石化: 砂(土)上に生存する貝(表棲者)より、砂中生存貝(内棲者)の方が化石化しやすい

物理的 physical / 化学的 chemical / 生物的 biological + 社会的 social
Ex. シジミガイ - 汽水域に住む
Ex. カキ Ostrea (Devonian) - sessile benthos: 種により塩濃度選好性が異なる
環境適応性 → 示相 phase を得る
古生態学では、仮定の上にたつ仮定が数多く存在する 環境勾配 environmental gradient

種数変化 / 個体数変化 / 種構成変化
種多様性 species diversity: 中間的群集が最も多様(中規模仮説)

1. 理化学分析をしサンプルそのものの年代を求める方法
2. サンプルを発見した環境の年代を理化学分析によって求める方法
3. サンプルの様相からの編年による方法

→ 相対年代では満足できないものがあるのでabsolute rate併用

絶対年代absolute rate

1970年代末: 加速器でC¹⁴を直接数えるAMS法提案
1 mg程度の試料量で30-60分で測定可能となる
6万年前まで測定

放射性元素半減期利用し、百万-数億年程度の年代確認可能
溶岩年代測定に極めて有効 (他 ⇒ 表)

地層が含む岩石中放射性元素核分裂利用 - 地層形成絶対時代を測定
飛跡出来ると同時に周囲原子の電子が反発しあい更に大きな傷跡 → 全鉱物が幾らか含むウラン(U²³⁵:U²³⁸ = 0.7:99.3)は、その鉱物生成後一定で核分裂しフィッション・トラック残し、傷跡多い程年代経過。高精度で500-1500(2000)万年前の人類遺跡・火山灰年代が測定可能となる

方法 (測定基礎放射性崩壊系列, 半減期 yr) 測定同位元素 = 適用可能年代
U-Pb法 (₉₂U²³⁸ → ₈₂Pb²⁰⁶, 4.51×10⁹), (U²³⁵→Pb²⁰⁷, 7.13×10⁸), (90Th²³² → Pb²⁰⁸ 1.41 × 10¹⁰), U²³⁸, Pb²⁰⁶ = 10⁷-10¹¹
Pb-Pb法 (同上), Pb²⁰⁶, Pb²⁰⁷ = 10⁷-10¹¹
Rb-Sr法 (₃₇Rb⁸⁷ → ₃₈Sr⁸⁷ 4.8×10¹⁰), Rb⁸⁷, Sr⁸⁷ = 10⁸-10¹²
K-Ar法 (₁₉K⁴⁰ → ₁₈Ar⁴⁰ 1.26×10⁹), K⁴⁰, Ar⁴⁰ = 10⁵-10¹⁰
C¹⁴法 (₆C¹⁴ → ₇N¹⁴), C¹⁴ = 6×10⁴-現在

• データベース較正
  < 12000BP: オーク、セコイア、モミの年代明確な年輪の¹⁴C年代測定値
  ⇒ Database: IntCal13(北半球), SHCal13(南半球), Marine13(海洋)
• 確率法 high-probability density range method

全岩アイソクロン法
鉱物アイソクロン法

年間放射線量一定(仮定)
石英晶出又は加熱時以降年数 = [TL年代値 = 天然蓄積線量/年間線量]

土器等、放射性炭素年代測定法が利用できない場合によく利用
河川堆積物等へ応用

放射線年間線量一定(仮定) ⇒ [ESR年代値 = 総被曝線量/年間線量]
総被曝線量は、人工的に放射線を試料に付加し得た放射線量とESR信号強度の関係式から逆算される
年間線量は堆積物中放射性元素のU, Th, K含有量、含水比、宇宙線から算定

弥生時代中期以降2000年は地磁気永年変化判明し照合可能

堆積年代推定法

1. ¹⁴C測定: 出土材に含まれるものを測定
2. 火山灰層見つけ噴出年代を特定 = tephrochlonology
3. 堆積した(針葉樹)年輪測定 = 年輪年代学 dendrochronology
4. 花粉分析 = pollen analysis

区分 「代 era」 > 「紀period」 > 「世 epoch (続 series)」 > 「期」

地球誕生(4.6 Bya)-可視生物出現(0.542 Bya)
= 先カンブリア代 (precambrian)

岩石(殆ど)残っていない - 月による研究

Corycium (最古化石)

最古無脊椎動物群・生痕

母材: 礫・砂・泥岩等、固結堆積岩の互層
上層粒径により性質異なり傾斜地に多く分布し侵食防止必要

母材: 礫・砂・泥岩の互層 (固結堆積岩, 地力保全基本調査分類)

母材: 礫・砂・泥岩の互層 (半固結堆積岩, 地力保全基本調査分類)
母材風化したものは有機物含量少なく保水力低

礫・砂・粘土層等互層で一般に砂層多い。母材は非固結堆積岩

水に運ばれ堆積(水積)した母材(非固結堆積岩)が土壌化
河成沖積土: 壌質-粘質 (多くは水田)
湖成沖積土: 泥炭・黒泥土存在
海成沖積土: 海岸平野部に堆積 (低地は水田、帯状高所は畑利用)

植物変遷を基準とした代区分 (ないわけではないようだ)

一般に植物組成の変化は動物に先行して起こるので、植物による区分は動物による区分に先行する

冥王代 (創成時代) Hadean 46-40 Bya

始生代 Arcaheozoic > 25億年

火山岩類多 → 地殻変動(複数回) → 変成岩(Ex. 結晶片岩)

原生代地層と共に世界各地の楯状地に分布

30-35億年: バクテリア (菌類・藍藻様化石) - 酸化生成物

原生代 Proterozoic 25億-5.42億年前

25億年前貫入・固結 → 18.3億年前変成作用
(それまで)上麻生礫岩中の礫が20.5億年前(堆積したのはジュラ紀)

全球凍結仮説 (hypothesis of snowball Earth)

1. 大陸分裂: 海岸線増し河川活動↑
2. 海中Ca²⁺濃度↑ ∵ 河川が岩石削り海中Ca²⁺濃度↑
3. 温室効果↓: Ca²⁺がCO₂と結合し地中に取り込まれ温室効果↓

1回目: 24-22億年前 → 凍結解除後に真核生物出現
2/3回目: 7億、6億年前 → 多細胞生物出現

エディアカラ生物群 the Ediacara (or Ediacaran) biota

カンブリア紀 Cambrian 545-505 Mya

Archaeocyathus (古杯類), Redlichia (三葉虫), Paradoxides (三葉虫)

シルル(シルリア, 志留利亜)紀 Silurian 588-416 Mya

オルドビス紀 Ordovician 588.3-443.7 Mya

= 3大陸(ローレンシア、バルティカ、アバロニア)衝突

現アパラチア山脈: 石炭紀地向斜堆積物供給源 = 大西洋側
ノルウェー・スコットランド: 〃 = 西方

⇒ 北大西洋大陸: 当時は大西洋に大陸存在

ゴトランド紀 Gotlandian 444-416 Mya

シルル(シルリア, 志留利亜)紀 Silurian

ゴトランド紀 Gotlandian 4.4370-4.1600 Bya

デボン紀 Devonian (4.16-3.67 Bya)

デボン紀フローラ

石炭紀 Carboniferous 367-289 Mya

☛ 日本 北海道石炭分布 ≠ 石炭紀
Stenodictya, 昆虫類・爬虫類出現, 主要石炭生成(化石)

Moscovian: Desmatodon, [陸地高温多湿]
Kasimovian
Gzhelian ≈ Stephanian

Tournaisian: Productus
Viséan: Zaphrenis, 紡錘虫類・サンゴ類
Serpukhovian ≈ Namurian: Lepidodendron, 造山運動
Bashkirian

Namurian 331-319 Mya
Westphalian 315-307 Mya
Stephanian 307.5-299 Mya

二畳紀 (ペルム紀) Permian 2.9-2.51 Bya

Asselian 299-294 Mya Sakamarian 294-290 Mya
Artinskian 290-284 Mya
Kungurian 284-273 Mya: Rotliegendes (赤底統)

Roadian 273-267 Mya Wordian 267-264 Mya
Capitanian 264-260 Mya

Wuchiapingian 269-254 Mya

Zechstein (苦灰統): 新赤砂岩 New Red Sandstone

= Changhsingian + Wuchiapingian

Changhsingian 254-252 Mya

三畳紀 (トリアス紀) Triassic 251-195 Mya

前期

中期

後期

Ceratites, Entomonotis, Halobia
菊面石類恐竜類の出現

太平洋

ファラロンプレート: 現在のファンデフカ・ココス・ナスカプレート
クラプレート(アメリカ先住民語"all gone"より): アラスカ・アリューシャンに沈み込んでいた
イザナギプレート: 千島・ユーラシアに沈み込んだ → 日本誕生に関連(中央構造線の起源)

紡錘虫類・四放サンゴ類(ペルム紀)
一部アンモナイト類・厚歯二枚貝 (中生代)
貨幣石 (古第三紀)

☛ ゴンドワナフローラ

ゴンドワナ大陸 (Gondwana Continent)

不整合直上に礫層 = 氷成層(タルキール層) – 大陸氷層
→ ゴンドワナ大陸より大きなパンゲア大陸存在(三畳紀)
→ 白亜紀・ジュラ紀にインド洋形成 (当時の造山論では否定的)

ジュラ紀 Jurassic

黒ジュラ Lias

Hildoceras, Ichthyosaurus
サンゴ類・菊石類最古の被子植物

褐ジュラ Dogger

Trigonia, Oppelia, Stegozaurus
菊石類恐竜類の発展
[高温・乾燥]

白ジュラ Malm

Perisphinctes, Lycoptera, Archaeoptelyx, Triconodon
鳥類・哺乳類出現

= Portlandian (Portland Group), 南東英国

カルーKaroo超層群

+ 溶岩(ゴンドワナ分裂時に活動) = ドラケンスバ－グ山脈
相当層は南米・豪州・印度・南極に分布 → ゴンドワナ大陸に堆積

白亜紀 Cretaceous 140-65 Mya

[北海道]: ウラボシ科、ゼンマイ科、シダ類、球果類、ソテツ類仲間、ナンヨウスギ、ショウナンボク、コウヨウザン、プラタナス、ポプラ、カツラ、クルミ [シダ植物と古タイプ裸子植物出現し始める]

白亜紀陸地 → 30-20 Mya: 海面下となる → 現日本海溝付近

古白亜紀 Palaeo-Cretaceous

Trigonia, Plicatounio, Hibolites, Manchurichtys
箭石類発展

新白亜紀 Neo-Cretaceous

Inoceramus, Nipponites, Gaudryceras, Tyranosaurus
菊石類・恐竜類等中生代動物滅亡
[次第に寒冷化]
造山運動

極地

スピッツベルゲン島

アンモナイト・二枚貝・シダ植物・裸子植物化石 - 温和

南極大陸

先カンブリア紀の花崗岩・片麻岩
花崗岩の上: 古生代後期-中生代初期地層 - 植物幹・爬虫類化石

廃止 (IUGS 2009)

第三紀(三紀層) Tertiary 64.3-26.0 Mya

☛ 造山運動

アルプス造山運動

アルプス山脈 (地中海地域)-ヒマラヤ山脈 + 環太平洋

古第三紀 Palaeogene 65/79-25/20 Mya (K-Ar)

新第三紀 Neogene (Neo-tertiary) 24-1.7 Mya (K-Ar, Rb-Sr)

大海進 → グリーンタフ(日本列島大部分海底)

古瀬戸内海形成

奥羽山脈: 隆起開始

松石(松炭): 北九州炭田炭層が含む珪化木

パナマ地峡形成、ヒマラヤ山脈上昇著しい

第四紀 Quaternary 258,8(180) Kya-現在

更新世 Pleistocene (≈ 洪積世 Diluvium, 旧称) 2.58-0.0117 Mya

更新世後半90-100万年以降

ワール暖期 (W) シシリア海進
テゲレン暖期 (W) カラブリア海進 Calabrian
エブロン寒期(Weybourne, 北欧) (K)
フェルゲン寒期 (K)

万県動物群 ⇒ 日本: スイギュウ・オオカミ・アナグマ・ヒョウ・ニホンジカ・イノシシ・サル

日本山岳地帯: 氷河 Ex. 日高山脈: トヨニ氷期、ポロシリ氷期

アルプス第4紀4(6)氷期中の最新氷期
氷河極大期(最寒冷期)Last Glacial Maximum (LGM)は2.5-1.4万年前

→ 4氷期のうち最も小さい(推定)

→ 氷床末端アガシー湖(カナダ南部の現ウィニペグ湖周辺)に注いだ後、湖東側の氷床張り出す → ミシシッピー川を経てメキシコ湾に流入

アガシー湖からの多量の淡水はセントローレンス川を通り北大西洋に流入 → 海洋表層の低塩分(低密度)化 = 深層水形成を弱める + メキシコ湾流(暖流)北上を弱める
→ 寒冷化進行 = ヤンガードライアス・イベント

氷河縮小期確認 (ダンスガード-オシュガー振動) - 亜間氷期存在推定
リス・ウルム間氷期 Riss-Würm (130-115 Kya, W)

モナストリア海進

古ウルム亜氷期 (44/46 Kya, K)
ゲトワイゲル間氷期 (29, W)
主ウルム亜氷期 (26, K)
パウドルフ間氷期 (25, W)

V 11.84 ⇒ 新ドリアス期
VI 28.77 (6-8°C↓) = 針葉樹(第3泥炭)層 ⇒ 主ウルム第1亜氷期

花粉分析: イチイ、アオモリトドマツ、カラマツ、イラモミ、トウヒ、チョウセンマツ、コメツガ、ハンノキ、サワシバ、ブナ、シナノキ、キタヨシ、カキツバタ等 ⇒ 針葉樹林

新ドリアス期 (若ドリアス期) younger Dryas time (10.8-1.03 Kya, K)

最終氷期-完新世移行期(1.2-1.1万年前の寒冷期) = 最終氷期終焉
デンマーク花粉帯IIIに対応 → デンマーク: 寒冷化で再びDryas octopetala遷移起る

ベーリング期 (13)
アレレード期 (11, W)
最古期 (14, K) ランゲランド氷堆積
旧ドリアス期 (12) レニングラード氷堆積
ドリアス期 (15) ボンメル氷堆積

ウルム氷期終わり (ボンメル氷河進出)

Ex. カンバ伴うツンドラ

Ex. カンバ・マツ伴う比較的疎林

Ex. カンバ伴うツンドラ。旧石器時代終わり

↑ ウルム Würm (70-10 Kya)-晩氷期 (15-11.7 Kya)
↓ 完新世 (1.17 Kya-現在) Ex. マツ・カンバ林 中石器時代始まり

Ex. ハシバミ最盛期伴うカンバ-マツ林

完新世最温暖期 Ex. ナラ混合林 新石器時代始め以来の開墾

Ex. ブナ、トウヒ伴うナラ混合林 青銅時代

現在の適湿-湿潤気候(海洋性) Ex. ブナ、ナラ、トウヒ
鉄器時代(Iron Age)-有史時代の開墾

完新世 Holocene (≈ 沖積世/沖積統 Allbium, 旧称) 10 kya-現在

W, Homo

高温期(ヒプシサーマル hypsithermal, climatic optimum) 7-5 Kya

現在の地殻運動

1. 活褶曲

2. 造盆地運動

3. 傾動運動

養老断層境: 西側(養老山地側)上昇 + 東側(濃尾平野側)沈降
平野部: 西側沈降 + 東側(三河高原側)上昇 → 全体が西へ傾く

曲降盆地

Ex. 中国山地

4. 曲降盆地 down (warped) basin

5. 地塊 block

段丘の時代(中-後期洪積世)

ローム種分けにより堆積順序(= 海面変化の順序)分かる
I, II, III, IV段丘もやはり沖積跡がみられる
I, II: 化石発見(×)
ローム層(関東ローム層)
火山灰は粘土化

温暖 = 間氷期
60 m__40 m__20 m_____現在
___↘__↗_↘__↗__↘__↗ ↘ ↗
____寒冷__間氷期は5回ある

造盆地運動 (前期洪積世)

大阪地域: Ma = 海成粘土層 1-8, Tuff(火山灰層) → 陸成
中心部ほど湾曲大きい
基盤岩質: 砂、礫、粘土、泥炭、火山灰

中位段丘: カラマツLarix針葉樹林帯であった → 寒冷
さらに平野部に山からの沈殿物が堆積し盆地化。さらには盆地を埋める

活構造運動

人新世 (Anthropocene)

→ 完新世の次の地質時代を表す言葉とし提唱

地球に影響与える人間活動の劇的増加(大加速)が始まった20世紀中頃

氷期サイクル

氷期-間氷期 glacial-interglacial periods

ダンスガード-オシュガー振動 Dansgaard-Oeschger cycle, D-O cycle

↙ 亜間氷期 interstadial = 温暖: 数十年間で数度の急激な温暖化 ↖
↘__亜氷期stadial = 寒冷: 500-2000年かけての緩やかな寒冷化_↗

ローレンタイド氷床から北大西洋への氷山群流出による氷山付着岩石が北大西洋に広く散布されたこと
ハインリッヒイベント → 海洋循環変動: 北大西洋深層水(NADW)形成 + メキシコ湾暖流北上(仮説)
急激な温暖化

ミランコビッチ・サイクル Milankovitch cycle

10万年周期問題(10万年周期の謎) 100 kyr problem

貝塚(shell midden)分布 - 海岸線沿い(内陸)に多 → 海進説
8000年前開始 + 縄文前期(6000年前)ピーク

縄文の森, 縄文人
イノシシ小型化、オオヤマネコ、オオカミ

|---- ヨシ泥炭層
|---- シジミ → 河口等の淡水、海水の入る所 (海汽水、中汽水)
|---- カキ → 高汽水 (ほぼ海水)
|======= 5000-6000年 ===== 海中(貝化石) – 海炭線の海進
|---- カキ (化石)
|---- シジミ (化石)
|---- 泥炭層 *
|======= 1万年前 ========
1万年前: 現在の青森程度(現平均 – 7°C, 寒冷)の温度 (植生から判断)
5-6万年前: 現在の紀伊程度の温度 – 海底動植物化石から判断される(海水の温度差がわかる)
* 特徴 = 樹木構成内容から森林状態復元(樹木・花粉化石多) + ¹⁴C放射線年代測定(他法も利用)

バルト海古地理 Bulte Sea paleogeography

海水準上昇
浅海砂層:                                     底質: 砂, 深度型
化石(二枚貝、鯨、Yoldia arctica): 狭範温度型 – 相

プラント・オパール分析法

イネ: 水田跡は確認されていない

風張遺跡(三内丸山古墳の東): 3000年前の米粒 岡山県南溝手遺跡: イネ花粉 – 縄文中期まで遡れる 福岡県板付遺跡: イネ花粉

ヒエ: 三内丸山古墳: 4000年前住居跡で確認

電波望遠鏡発達

ヘルツスプルンク・ラッセル図 Hertzsprung-Russell figure, H-R figure = 恒星の質量・光度関係 mass-luminosity relation

        H-R図

パルサー pulsar

宇宙の起源

ビッグバン理論 big bang theory, BB theory

1. 最も古い星でも宇宙年齢より絶対に若い
2. H, He原子核大部分 = BB直後の超高温・高密度中合成 → H/He [重量] = 74/26 [元素合成第1段階]
3. 宇宙バックグランド放射(背景放射) background radiation (BBの名残) = 宇宙全体満たすマイクロ波存在
   宇宙の晴れ上がり transparent to radiation (宇宙誕生から38万年後)

通信雑音除去中に宇宙マイクロ波背景放射検出 → 実証: 宇宙が過去に高温・高密度状態存在

初期宇宙進化モデル
無 → ゆらぎ → トンネル効果(宇宙の始まり)
宇宙のインフレ cosmic inflation: 初期宇宙が指数関数的な急膨張(インフレ)を起こした

宇宙

星団 star cluster

宇宙速度 astronomical velocity

物体が惑星周囲の公転に必要な最低速度(地球 ca 8 km/s)
G = 万有引力, M = 惑星質量, r = 惑星半径 → v₁ = √(GM/r)

(1/2)mv₂² – G_mM/r_e = (1/2)mV_∞² ≥ 0 (V_∞ ≥ 0)
v₂ = √(2GM/r_e) ＝ √(2gr_e)

mg = G_mM/r_e² → g = GM/r_e² (r_e = 惑星半径 [m], M = 惑星質量 [kg], G = 万有引力定数)

脱出速度      月 水星 金星 地球 火星 木星 土星
kms^-1          2.4  4.3  10.4 11.2   5.1  61.0 36.7
10⁴ kmh^-1  0.86 1.6  3.74 7.78 1.84  22.0 13.2
分子運動速度 ∝ T^1/2 + m^-1/2 → 軽分子ほど運動速度大 = 脱出速度より大 = 分子は宇宙空間に散逸

Ex. 脱出速度の小さな惑星(月・水星・火星等) → 大気希薄
Ex. 脱出速度の大きな惑星(木星や土星) → 軽気体(H, He)も留まる = 惑星はH, Heが主成分
[太陽系(宇宙)で最も多く存在する元素は水素・ヘリウム]

星雲(銀河系外星雲) nebula (pl. nebulae)

楕円状星雲 ------------------> 渦状星雲spiral nebula
____________________↘ 棒渦状星雲
星雲群: 複数星雲のクラスター

= 銀河系星雲 galactic nebula: アンドロメダ星雲等、20個の局部星雲群からなる

恒星(10¹¹個) fixed stars + 星間ガス + 宇宙塵 → 円盤状空間作る
内側ほど大きな角速度で回転
→ 恒星間の相対位置は時間と共に変化

太陽: 中心から3万光年離れる
250 km/secで銀河系回転

準恒星状天体
コンパクト銀河: 数個の銀河で構成 + 銀河団に準ずる高い銀河数密度
渦巻銀河(らせん銀河) spiral galaxy
活動銀河 active galaxy

(宇宙 the cosmos, the universe): 星の進化

宇宙論 cosmology

→ 熱核反応 → ヘリウム生成 → 恒星誕生エネルギー源 宇宙誕生から3億年後 - 最初の星が誕生

原子宇宙: 極度高温、高密度状態 = 全物質が中性子
膨張最初の5分: 物質完全にイオン化 - 陽子・中性子・電子の混合物
数分後: 陽子・中性子結合可能な温度となる → H², H³, He³, He⁴生成

1) 偶数核(陽子数、中性子数どちらも偶数からなる核)は奇数核に比べ多
2) 魔法数 magic number: 陽子数か中性子数が2, 8, 20, 28, 50, 82, 126は、周りの元素に比べ多く存在
魔法数の原子核は安定 – 殻構造 shell structure

星間物質 = 宇宙雲(ガス状) + 宇宙塵(小粒子) → 濃密に集合 → [恒星誕生]
→ 収縮: 自分の重力エネルギーによる → 星中心部温度高 → 数百万度に達する → 核融合反応

₁H¹ ┐ ↗e⁺(γ) ↗v(γ)          
     ₁H² → ₂He³ → ₂He⁴ + 2₁H¹
₁H¹ ┘  ₁H¹↗   ₂He³↗
              ↗(γ)  ↗ve⁺    ↗(γ)     ↗(γ)     ↗ve⁺
C¹² → N¹³ → C¹³ → N¹⁴ → O¹⁵ → N¹⁵ → C¹² + He⁴
      H¹↗                   H¹↗    H¹↗                H¹↗
上段: 1) p-p反応 → 下段 2) C-Nサイクル

→ HをHeに変える反応により、開放されたエネルギーに伴う放射圧と気体圧が重力と釣り合う
→ 星の収縮停止: 主系列上の星 Ex. 太陽寿命 = 100億年と推定

中心部で作られた原子エネルギーが放射エネルギーの形で表面に運ばれ宇宙空間に放出される
星中心部: H → He反応によりHeに占められHが欠乏

→ 反応が中心から外側へ移行 → 核反応↑ = 星の明るさ↑[巨星]

₂He⁴→₄Be⁸→₆C¹²→₈O¹⁶→₁₀Ne²⁰→ ……… (*→)
 ₂He⁴↗ ₂He⁴↗ ₂He⁴↗ ₂He⁴↗    ₂He⁴↗ ₂He⁴↗ ……

(→*) … ₁₂Mg²⁴, ₁₄Sb²⁸, ₁₆S³², ₁₈Ar³⁶, ₂₀Ca⁴⁰, ···→ ₂₆Fe³⁶, ₂₈Ni⁶⁰

脈動変光星: 不安定状態な星となると膨張収縮を繰り返す
白色矮星: 核反応エネルギー欠乏 → 重力抵抗力減り収縮し余熱で光る(Adams & Eddington 1920発見)
超新星 super nova: 質量の大きな星はエネルギー収支が不安定となり爆発を起こしたもの

放出された物質(H-Feまで)は星間物質となる

中性子星 neutron star: 超新星爆発で残った中心部(パルサー pulser が中性子星である可能性)

→ 問題: 放射性元素存在し続けることは説明できない
閉じた宇宙 closed universe ↔ 開いた宇宙 open universe

Ex. 重力による赤方偏位 gravitational red shift

r: 天体までの距離
v: 天体が遠ざかる速さ (後退速度)
H₀: ハッブル定数 (比例定数)

NASA人工衛星WMAP観測: H₀ = 71 ± 4 km/s/Mpc

r/v = 1/H₀ ≈ 137億年 (物質密度や宇宙定数により変化)
銀河の後退速度は銀河からの光のスペクトルの赤方偏移を調べ決定
距離決定困難 → ハッブル定数不確定の原因
30 km/sec/100万光年: 100億光年先3 × 10⁵ km/sec = 光速 → 光は地球に届かない = 宇宙の地平線
クエーサ quasar: 光学望遠鏡では恒星のような点光源に見えるが、非常に大きな赤方偏移を持つ天体

v = H₀l₀ (Hubble's law),
δl (δtの間に増大する距離) = vδt = H₀l₀δt
∴ δl/l₀ = H₀δt
光が距離l₀を伝わるのに要する時間 τ = l₀/c (c: 光速)
Δl/l₀ = (v/c)l₀/l₀ = v/c

観測者Oから光源Sが速度vで後退 → T = T₀ + vT₀/c = (1 + v/c)T₀

光源Sで光が放たれたときの波長はλ₀ = cT₀
→ 観測者Oに達した時の波長λ = cT

→ z = v/c → λ/λ₀ = l/l₀, l = l₀ + Δl

R: 空間曲率, G: 定数, T: 物資エネルギー(運動量)
→ 物質(質量)が存在すると「空間歪む」 →

→ (1/2)mc² = GmM/r_g

→ この面の内側は光も物質も出られない = 事象の地平線

宇宙生物学 (astrobiology)

フェルミのパラドクス (Fermi paradox)

みんな､どこにいるのだろう ⇒ (フェルミ推定)
宇宙年齢と膨大な恒星数は宇宙人が広く存在することを示唆 → 数宇宙人は地球に到達しているはず
⇔ 矛盾 ⇔ 人類は一度も宇宙人に会っていない

ドレイク方程式 (Drake equation)

木星^(c) → 土星^(c) → 天王星^(d) → 海王星^{(d, e)} → 冥王星
jupiter       saturn      uranus         neptune          plute

^(a) 岩石惑星(地球型惑星): 質量小、密度大(4.0-5.5 g/cm³) – 相対的に金属元素多

ハビタブルゾーン habitable zone: 生命が生存可能な惑星

^(b) 1600以上の小天体。セレスceres最大 = 直径780 km
^(c) 巨大ガス惑星: 質量大、密度小(0.7-2.5 g/cm³) – H, He等軽元素多
^(d) 巨大氷惑星
^(e) Adams JC 1819-1892 (英), Le Verrier UJJ (1811-1877, 仏): 軌道計算から独立に海王星存在予言(1846)

→ Galle JG 1812-1910, 独: 1846.9.23 海王星発見

1. 太陽の周りを回る
2. 十分な質量を持ち、自己重力が固体に働く他の力を上回った重力平衡形状(≈ 球状形)となる
3. その軌道近くでは他の天体を掃き散らし、それだけが際だって目立つ → 従来太陽系第9番惑星とされていた冥王星が惑星から除外される(太陽系惑星は8個となる)

R_n = 0.4 + 0.3 × 2n (R_n: 太陽との距離 (地球1), n = –∞, 0, 1, ···, 8)

Ex. ガニメデ ganymede: 木星最大の衛星。半径2550 km (水星より大)

質量は地球の10万分の1-100万分の1

自形結晶が成長。石基 → 長時間かかり冷却
母惑星 → 破壊(惑星内部のものが隕石) → 破片

球粒隕石 (コンドライト chondrite) (85%)

普通球粒隕石 - 球粒の表面が滑らかでない (変成受けた)
炭素質球粒隕石 - 球粒の表面が滑らか (不変成)

非球粒隕石 (エコンドライト achondrite) - 変質 (9%)

(惑星)探査機 space probe

金星探査機

火星探査機

着陸させたローバー(探査車)で表面を移動し地表調査

→ 火星周回し火星大気・磁場等を観測

外惑星探査機

1983太陽系外に飛び出し初の太陽系外人工天体

1979土星に接近し環や衛星を観測 + 宇宙人宛メッセージ搭載

2号: 1986天王星探査 →
1989海王星最接近(海王星と衛星トリトン観測データを地球に送信)

太陽 the sun

1802 Wollaston WH (1766-1828, 英): 太陽光スペクトル中に複数の暗線の存在報告
1814 von Fraunhofer: Wollastonとは別に暗線発見 → 系統的研究 → 570を越える暗線
Kirchhoff GR (1824-1887, プロイセン) & Bunsen RW (1811-1899, 独)

各暗線 = 太陽上層に存在する様々な元素や地球大気中酸素等で吸収されたスペクトル

惑星

本影: 太陽エネルギーが全く得られない地球の陰の部分 → 衛星から太陽が全く見えない状態
半影: 太陽エネルギーが得られる地球の陰の部分 (金環食 annular eclipse)

火星

CO₂氷CO₂ ice: CO₂ガスが凝結した氷 = ドライアイス → 以前は火星極冠はCO₂氷と考えられた
CO₂雪CO₂ snow: CO₂ガスが大気中で凝結した雪 → H₂O雪: 水蒸気が大気中で凝結した雪
火星両極では、冬にCO2雪が降り積もるか、表面に着霜し極冠の白い部分の面積が増すと推定される

隕石と月

鉄質隕石 Fe, Ni (6%)
→ かつて溶けた

a) 隕石 meteorite

球粒: 橄欖岩、斜方輝石 – 塩基性岩石、高温
石基: 含水珪酸塩鉱物 – 炭化水素、有機化合物(生命?)、低温

→ 球粒・石基は生成段階異なる

地殻対応性隕石はまだ発見されていない

1500°C – 1100 (γ型結晶) – 740 (α型結晶) – 380
_____→ → → → → → → → → → → → →
______________→ → → → → → → → →
→ 結晶の大きさ ∝^-1 冷却速度
░░▒░░▒ ウイットアンテッテン構造 → 100万年に2-4°C冷却
░░▒░░▒
░░▒░░▒
Fe, Ni → 溶けてから固結まで2-3億年: 母惑星は6-7と推定(今後増える)
¹²⁹Xe年齢: ¹²⁹I → ¹²⁹Xe: 半減期1720万年 = 地球と隕石より発見
元素(¹²⁹I) → 始原惑星(129Ne) → 母惑星のできるまで1.4-2.9億年

*: 石質 45億年
→ 炭水化合物
(生命?)

元素 - 始原惑星

b) 月

地球

海 black stone – 玄武岩 = 30-35億年
陸 white stone – 斜長岩 = 40-45億年 + 山脈・谷

月

月質学

├─────→┤ 隕石
├──────┼────→┤ 月
├──────┼─────┼──────→ 地球
│  隕石段階  │  月段階  │   地球段階

1. 兄弟説: 地球の周囲でほぼ同時に出来た (否定的)
2. 親子説: 地球から分裂して出来た
   (証拠) アポロ11号が採取した月の石の成分は、地球とほぼ同じ
3. 捕獲説: 太陽系の他の場所で誕生し地球に捕獲された (否定的)
4. ジャイアント・インパクト説 giant-impact hypothesis (有力): 地球マントルとコアが分離直後(地球形成から1000万-1億年)に、火星程度の天体が衝突し地球マントルの一部を蒸発 → 放出蒸発物質は月軌道周辺で再び凝固し集積

   1946 Daly RA: 仮説提唱
   1975 Hartmann W & Davis DR: 再提唱

最古の岩石 = 45億年 = 地球・太陽系年齢と一致
橄欖岩、トロクトライト = 地球の岩石と同じ
月の海(黒っぽい部分) = 玄武岩質(地球とほとんど同じ、38-30億年)
月の高地(白っぽい部分) = 斜長岩、斑糲岩(> 41億年、KとPが無い) 花崗岩未発見

→ 軽い斜長岩が表層に浮かび上がる + 重い橄欖石や輝石が沈降・集積し地殻形成
→ 質量小さいため急速冷却 → 25億年程前に火山活動終息

  月                   年数(109年) 地球
                       の対数      (太陽系の始まり)
  インプリウム代       60
  アルキメデス紀
  アペニン紀
  プロセラルム代                    最古の陸地: 46億年
  エラトステネス代     40          先カンブリア紀
  コペルニクス代始まり 20          海洋代(海地形確定):
                                   30億年
  現世代 クレーター
    テオフィルス
    クレーター成生      0
                       -0.20       カンブリア紀
                       -0.40       シルル-デボン紀
                       -0.60       二畳紀
                       -0.80       三畳紀
                                   ジュラ紀
                       -1.00       白亜紀
      アリスタルクス
      クレーター生成               第三紀始まり

月地震 M2-3 → 月の地震と地球の地震の性質は異なる?
人工地震: 何十億年前かの割目、内部ずたずた?

  隕石段階  始源地球の形成        始源月
            ↓→母惑星(鉄質隕石)  月地殻形成
  月段階    層状構造の形成
            始源地殻 ⇔ 大気・海水
  原生代
  始源大地  大陸地殻
                                         ↑ 大地向斜
  古生代                                 ↓ 地殻安定期
  中生代
  新生代                                  ↕ 大陸地殻崩壊

1. 惑星・小惑星公転軌道 ≈ 円
   
2. 惑星・小惑星公転面殆ど一致
   
3. 太陽・惑星・衛星自転面も公転面に近い
   
4. 太陽・惑星・衛星の公転・自転方向は、殆ど全てが西→東 (若干例外)
   
5. 太陽系質量の99.9%は太陽に集中 ↔ 角運動量の96.6%は惑星占める
   
6. 惑星・小惑星軌道半径 → ボーデの法則成立
   
7. 9惑星は地球型惑星と木製型惑星の違い明瞭 - 境に小惑星群存在

= 低温起源説: 冷たい星雲が回転凝集し熱を持つ
→ 太陽周囲を回る星間物質が固まり惑星形成
渦乱流説 (Weizsäcker)

太陽とすれ違った恒星の潮汐力により太陽の物質が空間に飛散し凝集し惑星系となる

太陽近くを恒星通過 → 引力で太陽と恒星からガス離され戻れず中間に残ったガスが固まり惑星形成
地球: 高温 → 冷却 ⇒ ガス → 液体 → 固体

原始太陽が宇宙塵雲に遭遇し粒子を捕獲し、粒子が回転・凝集し惑星・衛星・隕石に成長
地球: 冷えた個体粒子の集まり → 崩壊熱 → 共融融解物 = 様々な岩石

地球年齢測定

冷え固まった溶岩は放射性元素について閉じたシステム
岩石が含む親元素-子元素比率 ⇒ 時間推定(K-Ar法、Rb-Sr法等)
半減期により求められる年齢

太陽      地球      地球最古の岩石*  地球生命の起源
50億年  45億年  39.62億年             31-35億年

*カナダ北西部アキャスタ川 片麻岩

ジオイド geoid

Ex. アルプス、ヒマラヤ等大山脈では40-50 cmの膨れ

表. 地球の定数
赤道半径, a = 6378.388 km vs 極半径, b = 6356.912 km

平均半径, r = 6371.221 km → 扁平率, f = (a – b)/a = 1/297

体積, V = 1.083·10¹² km³ vs 質量, M = 5.9761·10²⁷ g ⇒

平均密度, ρ = 5.517 g·cm^-3

重力 極, gP = 983.221 g·cm^-2 vs 赤道, gE = 978.049 ·cm^-2

×10³                                     6
█                                          4
██            陸地の平均高度  2
████████████████ 
████                                 -2
██████  海の平均深度    -4
████████████████  -6
██                                      -8
                                         -10
図. 地殻表面の高度分布。高さ
の頻度の極大は、大陸と大洋
に相当 - 2地域は質的に異なる
(Sverdrup et al. 1942)

2山型 →
陸地 = 0-1000 m ↔
海底 = 4000-5000 m
→ 陸地-海底で地殻の性質異なる

g(φ) = α(1 + β·sin²φ – γ·sin²2φ),

α = 978.049 gal (赤道での重力),
β = 0.0052884,
γ = 0.0000059 (定数)

重力は赤道最小、両極最大
差 5 gal [1 gal = 1 cm/s², 1 mgal = 10^-3 gal]

1. 地形補正: 測定点周囲地形が平坦でない効果を補正
2. フリーエア補正: 0高度面 - 測定点間質量 := 0 → Δg (m/s²) = 3.1·10^-6 h (m)
3. ブーゲ補正Bouguer correction: 0高度面-測定点間質量も除去補正 → ジオイド面より下の物質分布推定
   陸地: Δg (m/s²) = 1.13·10^-6 h (m), 代表岩石密度 2.67 g/cm³から
   海上: Δg (m/s²) = 0.42·10^-6 h (m), 岩石を海底面までの海水で置換
   高度補正 g₀、地形補正 g₀'、ブーゲ補正 g₀'': g = g₀ + g₀' + g₀''

→ ブーゲ補正 = ブーゲ異常
→ フリーエア補正 = フリーエア異常
ブーゲ異常 Bouguer anomaly, Δg_B: > 0 ↔ 正の異常, < 0 → 負
ジオイド面より下にある物質の密度分布状態反映
Ex. 花崗岩質層 = 密度小 ↔ 玄武岩質層 = 大
Ex. 負の重力異常: アルプス-ヒマラヤ山系、コージエラ山系 → 花崗岩質

Pratt: 密度差が高さの差に現れる
Airy: 高い所は深くに根を降ろす
→ Airy説支持される
大規模(大山脈レベル以上)で成り立つ [日本列島は概ね成り立つ]

地球の質量・密度

M: 地球質量   R: 半径   K: 万有引力定数 (6.670·10^-8 dyne cm²/g²)

古地磁気学 palaeomagnetism

ダイナモ理論(効果・作用) (geo)dynamo theory

地磁気の起源は地球内部 = 地球全体が本質的に磁石

地球の流体外核の中で誘導される電流により地磁気形成

双極子dipole磁場: Fe, Ni等電気伝導度高い物質存在
熱対流等により流動 → 自己励起発電機系となる → 磁場発生

地球磁場中で磁化 → 岩石磁化方向は地球磁場と一致(= 平行)

各地点の相対位置に変化なければ磁極位置は同一地点に集中 → そうならない!
→ 大陸間の相対位置変化 = 大陸移動

N-S逆転: 縞模様(長さ不規則) = 特定時期示す目印

地温勾配 geothermal gradient

熱流量: 単位時間あたりに単位断面積を通過する熱量 Hs = k·dT/dh, k: 熱伝導率

世界平均(ほぼ均一) 1.4 × 10^-6 cal/cm²/sec → 日本: 変化大 – 平均の1/2-2倍の範囲 [熱源分布関与]

熱: 放射性元素(U, Th, K)崩壊による – 詳細不明

研究方法: 地球トモグラフィー

本来は資源探査目的で研究進む(深さ100 km程度限界) Ex. 油田探査

層形成説

元素批准の違いにより相分離 - 層形成

折衷的な説も作られている

44億年前: 地殻形成始まる
41億年前: 海陸ができる
27億年前: (始生代) 大陸ができる

地殻構造

→ 不連続面存在 = モホ面

上部 V_p < 7 km/s
直下部 V_p = 8.2 km/s

大陸で地表から30-40 km (若い造山帯50-70 km)、海洋で海底面から5-6 km

→ 大陸地域の玄武岩質層はまだ問題 + マントル上層部は榴輝岩質だという説もある

→ プレート移動はこの位置から起こる: A層変化の要因はB層以下からくる

→ 地震はこれより上部で発生

Fe, Ni主成分?: 隕石はマントル成分に近い。橄欖岩等は地球特有

P-S差 = 圧力・温度差により鉱物が転移 (P波変化等により判明)

橄欖岩 (MgFe)₂SiO₄ 斜方晶形 → (ρ = 3.22) 尖晶岩 (ρ = 3.5) MgAl₂O₄ 立方晶形
輝石 MgSiO₄ → 2MgO + SiO₂
B Si, O₂ → C → D Fe, Mg, Na, etc.

外核(半径3480 km): S波のみ伝播

温度: [仮定] 地球内部温度は断熱圧縮による温度上昇のみで決定
Ex. 苦土橄欖岩融点 1900°C at 1 atm → 4.7°C/atm上昇 → 中心部温度 = 6000°C (2500°C)

内核 (1222 km)

水と大気の起源

R: 気体定数, T: 絶対温度, μ: 分子量

惑星表面温度高 → 分子速度大 → 太陽に近い惑星ほど大気消失
軽い分子(特に水素) → 惑星から脱出しやすい

海水(大気)の生成・存在条件

海の起源 origin of sea

惑星形成段階でH₂O取り込まれる(温度制限あり) – 太陽との距離
惑星で火山活動活発: 一定規模、大きいほど活発
惑星が生成物(特にガス)引き止める引力持つ
温室効果
大気 ⇔ (平衡) 海水

                                 正イオン  負イオン, H₂O
マントル → マグマ → 火成岩 + 揮発成分(火山ガス)
                    ↓             ↓                   ↓
       -----→ 海水 +            堆積分 + 大気(N₂)

Na, Mg, Caは火成岩、Cl^-, CO₃^2-, SO₄^2-は火山ガス(揮発成分)由来
マントルの水(海水、海深度 3800 km

蛇紋岩: 深部マントルが構造的弱線に沿って上昇 → MgSiO₅(OH)₄, MgSi₄O₁₀(OH)₂

(海水: マントル厚30-70 km部分含む水に相当 = マントル含水量の10%)
マントル → 地殻 → 水・大気: 地殻構成と大気・海水生成は平行に進む
造山運動に伴い海水もマントルより形成 → 海水は段階的増加(今後も?)
火成岩 + ガス → 海水 + 堆積物 + 大気

惑星と比較 → 内惑星: 水金地火 = N₂, CO₂, H₂O ↔ 外惑星: 木土 = H₂, H₂O, NH₃, CH₄

始生代: 生物により地球独特大気生成 N₂, O₂, H₂O

沈積 CaCO₃ ⇔ 海水中CO₂ ⇔ 大気中CO₂
海水存在: 大気中CO₂一定に保つ → 初期の海水・大気CO₂は微量 → 数億年で数%増加。地球の脈動に従ってある時期に段階的に増加

温室効果 greenhouse effect: 太陽エネルギー保つ(0-100°C)

1. 火山ガス中H₂OにUV照射し作られたO₂は0.2 mbだがO₂はUVを吸収しユーレー効果(O₂制限)によりH₂Oの分解制限が起こる
2. 藻類 10 m水深が生存限界。2.0 mb
3. 発酵・呼吸: ≥ 2.0 mb → O₂からO₃(オゾン)形成され、UVより吸収される
4. O₂分圧20 mbに高まる。陸上生活でもUV強度安全(鱗・甲羅等必要)
5. O₃による酸化: デボン紀 = 赤色砂岩 + O₂増加
   → 地表付近でO₂生成不可能 → O₃の存在する高さ上昇
6. CO₂減少: 温室効果下がる。大森林滅亡
   地球上生物は地球で誕生: 受動的なだけではなく地球に作用し、地球を他の惑星と比べ独特なものとする