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[ 代 | 年代学 | 化石 fossil | 大絶滅 |
国際年代層序表 ]
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(Minato 1953, Ijiri 1956) 古生物学 (paleontology)
→ 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)
個体古生態学 問題点
古植物学 (paleobotany)19 c: ヨーロッパ(ドイツ)で発展 → 後期にほぼ古植物学として確立20 c初期: 顕微鏡技術発達 + 薄層切片技術発達 → 日本に古植物学伝わる 目的: 古植物学 = 植物学 + 地質学
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主な課題
古生態学 (paleoecology)生物 ⇔ 環境: 生物が生きている時代の復元
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
物理的 physical / 化学的 chemical / 生物的 biological + 社会的 social
種数変化 / 個体数変化 / 種構成変化 |
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様々な年代区分法があるが、生態学で使うのにはこれでいいかな、という部分を書き抜く。-zoicの形でわかるよう動物進化を基準に区分。当然ながら、各地質時代期間は、研究者により算定は異なる 「代 era」は、さらに、「紀period」に、紀は「世 epoch (続 series)」に、そして「世」は「期」に区分される |
顕生代 Phanerozoic time = 古生代 + 中生代 + 新生代 ⇔ 隠生代* Cryptozoic time = 冥王代 + 始生代 + 原生代 = 先カンブリア代 (precambrian): 地球誕生(46億年前)-可視生物化石出現(5億4200万年前) 地質時代の北海道植生変遷史北海道の地史的特徴 = 石炭は第三紀形成 → 世界的には石炭紀が多い |
| 代 era | 時間 | 紀 | 土層 |
| 新生代 Cainozoic | 6500万年前- 現代 | 第四紀 Quaternary 第三紀 Tertiary |
第四紀沖積土
水に運ばれ堆積(水積)した母材(非固結堆積岩)が土壌化 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 第三紀層土壌 (第三紀堆積層)
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) |
|---|---|---|---|
| 中生代 Mesozoic | 2億5000万- 6500万年前 | 白亜紀 Cretaceous ジュラ紀 Jurassic 三畳紀 Triassic |
中生層土壌 (中生代堆積層)
母材: 礫・砂・泥岩の互層 (固結堆積岩, 地力保全基本調査分類) |
| 古生代 Paleozoic | 5億4400万- 2億5000万年前 | ペルム紀 石炭紀 デボン紀 シルル紀 オルドビス紀 カンブリア紀 |
古生層土壌 (古生代堆積層)
母材: 礫・砂・泥岩等、固結堆積岩の互層 |
| 原生代* Proterozoic | 25億- 5億4200万年前 | 最古無脊椎動物群・生痕 | |
| 始生代* Archaean (太古代 Arcaheozoic) | 38億- 25億年前 | Corycium (最古化石) | |
| 冥王代* Hadean | 地球誕生- 38億年前 | 岩石(殆ど)残っていない - 月による研究 |
第四紀 Quaternary180万(260万)年前-現在 (Homo出現が基準)多種現存。分布や群集の種構成が現在と異なる (花粉学) 第三紀要素の消滅・絶滅 第四紀初期 early Quaternary = 氷河期 → 赤道付近に植物集中各大陸で個別の種分化起こる 現在の地殻運動1. 活褶曲東北日本 → IS [この2つの境] → 西南日本東日本断層 – 現在の地形(山地、盆地、半島、海岸、平野)に良く対応 向斜(平地) – 背斜(山) 2. 造盆地運動関東造盆地運動: 第4紀 = 1200 m新第3紀 = 3000-4000 mの基盤堆積 上昇(隆起)・沈降が地形形成の基盤 
3. 傾動運動
4. 曲降(山地)盆地Ex. 中国山地
5. 地塊 block地塊山地/地塊盆地 Ex. 東海湖–古琵琶湖(第3紀) → 近畿に発達表. 第4紀編年: 時代区分 編年 (103, 気候) __ バルト海古地理 沖積世
亜アトラント期 (W) __ マイア海 ウルム氷期(Würm glacial stage)後期
新ドリアス期 (10, K) ___ ラ氷堆積
ウルム氷期最盛期 (17) __ 最寒冷期
リス亜氷期II (150, K)
ギュンツ氷期 (800, K)
ワール暖期 (W) __ シシリア海進 段丘の時代(中-後期洪積世) 武蔵野台地: 台地を斜めに削った台地 
ローム種分けにより堆積順序(= 海面変化の順序)分かる |
I. 屏風が浦層II. 陸化、火山灰降下 III. 下末吉層 – 海進 IV. 2と同様  下末吉海侵以来の海面変動と堆積物、地形面発達の説明モデル。年数と海面高度はEmilianiの水温変化曲線、その他日本の実例を考慮し考案 造盆地運動 (前期洪積世)海水準位置変化 – 気候変化原因。百万年–2百万年Ex. 大阪の層部 – ボーリングの結果層体が分かる
大阪地域: Ma = 海成粘土層 1-8, Tuff(火山灰層) → 陸成  _---------------------------------------------------------------------------
中位段丘: カラマツLarix針葉樹林帯であった → 寒冷 活構造運動 中-後期洪積世 海水面 沖積世 (前期沖積世 － 地殻の運動) 下末吉段丘 cf. 関東平野 現在の地殻運動: 過去と比較して劣らない程度の激しい運動 – 河岸段丘の出来方 新ドリアス期 younger Dryas time: 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 ウルム(ヴュルム)氷期 Wurm glacial period: アルプス第4紀の4(or 6)氷期のうちの最新氷期(7万年-1万年前)最新氷河極大期は2万年前だが4氷期のうち最も小さかったと考えられる 1) 最終氷期末期の急激な温暖化 → 北米ローレンタイド氷床から大量融水 → 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 2) 氷床後退に伴うアガシー湖東側の氷崖崩壊
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 ウィスコンシン氷期 Wisconsin glacial period: 北米第4紀の最新氷期(11万年前-1万年前) 最新氷河極大期(Last Glacial Maximum, LGM)は2.5-1.4万年前 亜間氷期存在を推定させる氷河縮小期認められる (ダンスガード・オシュガーサイクル) |
氷期サイクル氷期-間氷期 glacial-interglacial periods氷期: 極域中心に中緯度地域まで氷床発達した寒冷な時期 ↔ 間氷期: 氷床縮小した温暖な時期原因(予測): 天文学的要因(ミランコビッチサイクル)、CO2フィードバック、アルベドフィードバック等フィードバック機構 ダンスガード-オシュガー振動 Dansgaard-Oeschger cycle, D-O cycle数百-数千年周期気候変動: グリーンランド氷床コア酸素同位体比変動で見い出された氷期内の気候変動
↙ 亜間氷期 interstadial = 温暖: 数十年間で数度の急激な温暖化 ↖ ハインリッヒイベン トHeinrich events: 発生機構未解明
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 |
ミランコビッチ・サイクル Milankovitch cycle1930年代: ユーゴ天文学・数学者ミリューシャン・ミランコビッチ氷期サイクルを含む周期数万年以上の気候変動サイクル → 1960代以降: 氷床コア・海底コア酸素同位体比等から証拠 = 再評価 地球運動3要素[ = 軌道離心率(周期10万年, 40万年) + 地軸傾斜(周期4.1万年) + 地軸歳差運動(周期2.3万年,1.9万年)]変動に伴い地球が受ける太陽日射エネルギー変化に起因した気候変動サイクル 10万年周期問題(10万年周期の謎) 100 kyr problemミランコビッチ・サイクル中の地球公転軌道の離心率変化 = 10万年周期 → 氷期サイクル発現周期と一致離心率変化に起因した日射量変化 → 氷期サイクルのような大規模気候変動を起こす日射量変動生じない → 謎: 地球システムに日射量変動を増幅するフィードバック機構? (未解明) = 「10万年周期問題」 |
| 地質的分類 | 時代(年) | 気候 | 植生学的及び先史的分類 |
| 現在 | |||
| サブアトランチック期 (後温暖期) | BC600 | 現在の適湿-湿潤気候(海洋性) | ブナ、ナラ、トウヒ。鉄器時代-有史時代の開墾 |
| サブボレアル期 (晩温暖期) | BC2500 | 温暖、一部の乾燥期間(大陸的) | ブナ、トウヒを伴うナラ混合林。青銅時代 |
| アトランチック期 (中温暖期) | BC5500 | 温暖、湿潤(最適気候)(海洋性) | ナラ混合林。新石器時代の始め以来の開墾 |
| ボレアル期(早温暖期) | BC6800 | 温暖、乾燥 | ハシバミの最盛を伴うカバ-マツ林 |
| 古ボレアル期
完新世(沖積世) | ↑ BC8500 ↓ | 温暖化(冷涼、大陸的) | マツ-カバ-林。中石器時代の始まり |
| 若ドリアス期 | BC9000 | 寒冷 | カバを伴う公園ツンドラ。旧石器時代の終わり |
| アレレード期 | BC9800 | 一時的高温 | カバとマツを伴う比較的疎林 |
| 古ドリアス期 | BC10300 | 寒冷 | ツンドラ |
| ベーリング期 | BC10800 | わずかに温暖化 | カンバを伴うツンドラ |
| 最古のドリアス期 | BC14000 | 寒冷(極地的) | ツンドラ |
| ウルム氷期終わり | (ボンメル氷河進出) |
完新世 Holocene (≈ 沖積統 Allbium)1万年前-現在: 後氷期 postglacial = 最終氷期終焉後 (欧州大陸氷床消滅)Homo 縄文海進 Jomon marine transgression: 日本の海水面上昇(8/7-4千年前) 温暖湿潤 平均1-2°C(現在)↑ → 海面現在より0-3 (or 3-5 m)m↑ ⇒
貝塚(shell midden)分布 - 海岸線沿い(内陸)に多 → 海進説
|---- ヨシ泥炭層 |
北海道 やや暖かくなるにつれ山地広葉樹林は平野低山に広く繁栄 バルト海 Bulte Sea古地理 (BP200)I バルト氷河期 Baltic Ice Lake (> 1万-7000年)氷縞粘度 → 対比により編年を知る II ヨルジア海ヨルジア Yoldia = 2枚貝。現在北氷洋、南極海に生存(±0°C付近に生存)
海水準上昇 アンシルス = コザラ貝 → 海水準降下: -5000年には200 mm底。70 mの湖面 IV リットリナ海 Littnina Sea (リットニナ = タマキビ)プラント・オパール分析法プラント・オパール = 土中植物微小化石プラント・オパール法による栽培可能植物分布確認 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年前の住居跡から確認 更新世 Pleistocene (≈ 洪積世 Diluvium)180万(160)万-1万年前 (≈ 北半球氷河時代)Palaeoloxodon 人類発展[気候帯形成] 氷河更新世 glacial pleistocene: 10万年周期氷期サイクルが顕著に現れ始めた更新世後半90-100万年以降
Abies, Picea最も多く、Tsuga, Pinus, Larix, Juglans, Salix, Alnus, Tilia, Fraxinus, Pterocarya, Fagus, Ilex, Acer, Zelkoba出る 例: 関東江古田: 現在より6-8°C低く、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、カキツバタ等が出る 最寒冷期 → 垂直分布は現在より1000-1500 m低 (針広混交林だが、寒暖の反復に対応しつつ現在の森林相に近づく) |
第三紀 Tertiary6430万年前-260万年前大陸移動に伴うフローラの地域差起こる → 北半球中部以北では熱帯(亜熱帯)性植物減少。落葉広葉樹が主構成要素 (現在) 共通種 |
北半球三大陸間: ブナ、ナラ、シナノキ、カエデ 北米-東亜: ユリノキ、スズカケノキ、カヤ、イヌガヤ、ツガザクラ 東亜: メタセコイア、イチョウ |
新第三紀 Neogene (Neo-tertiary)2500万-200万年前 (K-Ar, Rb-Sr)北半球における第三紀植物相の遷移
種レベルで分類可。分布は現在とかなり近い
特に氷河のため1-2-5-6は移動困難となり絶滅に近い状況となる
Segarites, Lepidocylina, Bunolophodon 寒冷化 - 日本は朝鮮半島とつながる 中新世 Miocene 2300万-500万年前 哺乳類発達。シナノムカシイルカ(長野県) 1500万年前 北海道 ヤナギ, ポプラ, サワグルミ, クルミ, ハンノキ, カンバ, クマシデ, ハシバミ, アサダ, ブナ, ニレ, ケヤキ, カツラ, トチノキ, ナナカマド, サンザシ, カエデ, ウリノキ, メタセコイヤ, スイショウ, モミ, ハリモミ, ツガ, アスナロ属 [温帯落葉広葉樹林主体。高山に針葉樹。現日本自生種より中国中部や北米東部自生種の近縁種多] [中期] (2000万年前) |
やや温暖: ノグルミ, サワグルミ, ハンノキ, クマシデ, ナラ, クリ, ケヤキ, シンジュノキ(× シンジュ), Acer, ウバメガシ, ツバキ, ナツメ, メタセコイヤ, スイショウ, コウヨザン, タイワンスギ, イヌカラマツ, クロマツ, モミ, ハリモミ, ツガ, トガサワラ属 [落葉広葉樹林] 後期(1500万年前) Salix, ドロノキ, クルミ, サワグルミ, ミヤマハンノキ, ダケカンバ, ウダイカンバ, シラカンバ, ブナ, カツラ, ニレ, イタヤカエデ, ハリギリ, シナノキ, マメ科, バラ科, ホウノキ科, フウ, シンジュノキ, ナツメ, タイワンスギ, メタセコイヤ, Picea, Abies (A. firmaとは同定できない), Tsuga [メタセコイヤ絶滅。落葉広葉樹林とともに針葉樹増加。現在の森林に似ており, ほとんど出来あがった] 
松石3-5千万年前の植物が、水底に運ばれ埋没された後、珪酸質の液が滲み込んだものを珪化木 (silicified wood) という。北九州の炭田では、炭層中に珪化木が含まれ、これを松石または松炭と呼ぶ。昭和初期、福岡市外亀山炭坑の地下300 mの所から長い木のままで発見されたものの一部。 |
古第三紀 Palaeogene (Paleo-tertiary)6500(7000)万年前-2500(2000)万年前 (K-Ar)属レベル分類可 → 分布は現在と比較的異なる
Nummulites, Amynodon, Unitatherium 漸新世 Oligocene 3370万-2380万年前 北海道: クルミ科、カンバ科、ニレ科、カツラ科、マンサク科、カエデ科、バショウ、コモチシダ、イヌワラビ、コウヤワラビ、ゼンマイ、メタセコイヤ、スイショウ、ラクウショウ [落葉広葉樹主としたメタセコイヤ交える針広混交林] |
始新世 Eocene 5500万-3800万年前 北海道: ノグルミ、ハンノキ、サワシバ、ハシバミ、クリ、プラネラ、ケヤキ、カツラ、カエデ、ウリノキ、カシ、ビロウ、バショウ、メタセコイヤ、スイショウ、ラクウショウ、イヌガヤ、マツ(Abies, Picea, Tsuga 亜高山地帯の花粉) [常緑広葉樹主体。若干針葉樹。現在の南九州以南林相に似る] 晩新世 Palaeocene 6550万-5580万年前 |
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1億4000万年前-6500万年前 多くの"失われた輪 missing ring"があるが、少なくとも中期は植物進化の中心 以降第三紀Tertiaryまで変化(進化)はゆっくり進む 白亜紀後期late Cretaceous: 隆起により陸上増加 → 気候変化(砂漠増加) → 植物分布変化 = 被子植物多様化と繁栄 (Alps-Pacific orogeny) [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] 新白亜紀 Neo CretaceousDanian Senonian Turonian 9350万年-8930万年前 |
Cenomanian 9960万年-9350万年前
Inoceramus, Nipponites, Gaudryceras, Tyranosaurus 古白亜紀 Palaeo-CretaceousAlbian 1億1200万年-9960万年前Aptian 1億2500万年-1億1200万年前 Zeocomian
Trigonia, Plicatounio, Hibolites, Manchurichtys |
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1億9500万年前-1億3500万年前 (化石豊富 → 石狩炭田) 白ジュラ Malm
Perisphinctes, Lycoptera, Archaeoptelyx, Triconodon Portlandian (Portland Group) Kimmeridgian 152.1 - 157.3 Ma Oxfordian 157.3 - 163.5 Ma Callovian 163.5 - 166.1 Ma 褐ジュラ Dogger
Trigonia, Oppelia, Stegozaurus Bathonian Bajocian 黒ジュラ Lias
Hildoceras, Ichthyosaurus Toarcian Pliensbachian Sinemurian Hettangian |
 図. 500 fm等深線による食い違いの少ない三畳紀ゴンドワナ大陸(Gondwana Continent)の復元 (Smith et al. 1994) 斜線部: 中生代粗粒玄武岩, A: 先カンブリア斜長石, L: 下部ジュラ系海成層南限, M&U: 中部・上部ジュラ系海成層南限
不整合のすぐ上に礫層 = 氷成層(タルキール層) – 大陸氷層 カルーKaroo超層群石炭紀-ジュラ紀。南アフリカの2/3の分布面積南アフリカの2/3の分布面積 地層: 緩い盆状構造 + 中心部最上位に洪水玄武岩溶岩乗る
+ 溶岩(ゴンドワナ分裂時に活動) = ドラケンスバ－グ山脈 中部 = 温暖な浅海性 → 石炭を伴う(南ア火力発電主燃料) 上部 = さらに温暖 → 両生類(ゴンドワナの特徴)・一部哺乳類要素 |
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2億5100万年前-1億9,500万年前 フローラ = デボン紀に似る
ヤブレガサウラボシ科Dipteridaceaeの分布: 中部ヨーロッパ-北アメリカ Norian Carnian Ladinian (殻灰統 Muschelkalk) Anisian Skytian (斑砂統 Buntsandstein)
Ceratites, Entomonotis, Halobia |
太平洋2億年前 = 超大陸パンゲアと対をなす超海洋パンサラッサとして存在過去に存在が推定されているプレート (磁気模様等から推定)
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 |
二畳紀 (ペルム紀) Permian2億9000万年前-2億5100万年前 Yabeina, Eryops, Seymouria, Gigantopteris稜角石類・紡錘虫類発展。三葉虫理・四射サンゴ等古生代生物衰退 [気候激変] 氷河発達(南半球) Tartarian 苦灰統 Zechstein: 新赤砂岩 New Red Sandstone KazanianKungurian 赤底統 Rotliegendes ArtinskianSakamarian |
図. 下部二畳紀植物分布。□ アンガラ植物群 Angara flora, [●ヨーロッパ Europe, △ 北米 North America] = 欧米植物群 Euramerica flora, ▲ カタイシア植物群 Cathaysia flora (東部アメリカを含む), ○ ゴンドワナ植物群 Gondwana flora 石炭紀上部からTriassic下部にかけては化石が、時間的にも空間的にも連続し産出する |
石炭紀 Carboniferous3億6700万年前-2億8900万年前Ularian: Stenodictya, 昆虫類・爬虫類出現, 主要石炭生成 Stephanian Pennsylvanian: Moscovian: Desmatodon, [陸地高温多湿]Mississippian Namurian: Lepidodendron, 造山運動Dinantian Westphalian Visean: Zaphrenis, 紡錘虫類・サンゴ類Tournaisian: Productus Etroeungian: Posidonia |
デボン紀 Devonian4億1600万年前-3億6700万年前Halysites, Leptanea, Megalodon, Phacops, Cephalaspis, Ichtyostega 魚の時代 サンゴ類カブトウオ出現 堅頭類出現最古の森林[温暖 → 寒冷化] 造山運動 Famennian: 旧赤砂岩 old red sandstone Frasnian Givetian Eiferian Coblenzian Gedinnian |
デボン紀フローラ= 陸上植物繁栄 デボン紀堆積物海成層 s.l. ⇔ 陸成層: 古生代赤色岩中に化石出現 デボン紀化石分布: デボン紀上部と下部では大きな違い Psyilophyton出現は速い → Lycopsida, Pteridospermsシダ状種子植物, およびArticulatae繁栄 デボン紀下部 Lower Devonian: Psylophyton
1859 カナダ東部デボン紀下部
Rhynia, Psilophyton: シーゲニアン |
シルリア紀 Silurian= ゴトランド紀 Gotlandian + オルドビス紀 Ordovicianゴトランド紀 Gotlandian4億4000万年前-4億1000万年前
Monograptus, Psilophyton Wenlockian Salopian Llandoverian Valentian |
オルドビス紀 Ordovician5億900万年前-4億4600万年前
Orthoceras, Didymograptus Caradocian Llandeilian Arenigian Tremadocian |
カンブリア紀 Cambrian5億4500万年前-5億500万年前
Archaeocyathus, Redlichia, Paradoxides Paradoxidian Olenellian |
25億年前-5.42億年前
全球凍結仮説 (hypothesis of snowball Earth)赤道を含む全表面が凍結した状態の地球原生代: 複数回(少なくとも3回)あった
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⇒ 大規模火山活動があると全球凍結解除
生物は火山活動の盛んな地熱の高い地域で生き延びた(仮説)
1回目: 24-22億年前 → 凍結解除後に真核生物出現 エディアカラ生物群 the Ediacara (or Ediacaran) biota |
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≈ 天文学 astronomy 宇宙観察 – 光学的方法: 屈折・反射望遠鏡、スペクトル写真分析 1931 Jansky, 米: 空からくる電波を発見 1944 Reber: 白馬座方向等、定まった箇所から強い電波来ることを確認 電波望遠鏡発達 1957 ソ 人工衛星スプートニク1, 2号1958 米 人工衛星エクスプローラー 1959 ソ 月ロケット(ルナ2号月面到着, 3号月裏面撮影) 1961 ソ 有人宇宙船ボストーク(地球を一周) 1962 米 マリナー2号金星観測, テルスター1号欧米間TV宇宙中継 1965 米 マリナー4号火星接近、写真電送 1966 ソ ルナ9号月面軟着陸 1969 米 アポロ11号月面着陸、月面歩行 1972 米 パイオニア10号木星接近後に人工天体 1975 ソ 金星9号金星軟着陸 1976 米 バイキング8, 9号火星軟着陸 Hertzsprung, E. (1873-1967), Russell, H.N. (1877-1957): 独立に発見
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
パルサー pulsar 宇宙の起源宇宙年齢 = 137.7億年(推定誤差1%, WMAP衛星測定)ビッグバン理論 big bang theory, BB theory大爆発説: 最初の1点が突然膨張始める仮定: 宇宙膨張中 → 過去の宇宙は現在より小 → 究極的に1点になる時存在 BB理論より導かれる予測
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 インフレ(ーション)宇宙論 inflationary universe theory (1981 佐藤)
初期宇宙進化モデル 宇宙150億光年(認識できる範囲) → 銀河1011個星団 star cluster散開星団(銀河星団) open clusters (galactic clusters)球状星団 globular clusters 宇宙線 cosmic rays 宇宙速度 astronomical velocity天文単位 astronomical unit第1宇宙速度 first astronomical velocity, v1
物体が惑星周囲の公転に必要な最低速度(地球 ca 8 km/s) 惑星引力を振り切り宇宙空間脱出に必要な速度, v2
地表面(r = re)と無限遠(r = ∞)における力学的エネルギー保存の法則から求まる
(1/2)mv22 – GmM/re = (1/2)mV∞2 ≥ 0 (V∞ ≥ 0) mg = GmM/re2 → g = GM/re2 (re = 惑星半径 [m], M = 惑星質量 [kg], G = 万有引力定数) 各惑星の脱出速度
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 ∝ T1/2 + 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 第3宇宙速度 third astronomical velocity: 太陽重力振り切り、太陽系外宇宙へ飛び出せる最低速度 星雲(銀河系外星雲) nebula (pl. nebulae)= 小宇宙, 島宇宙 island universe: 各種の天体の1大集団
楕円状星雲 ------------------> 渦状星雲spiral nebula > 銀河(系) (天の川) the Galaxy (galactic system), the Milky Way (system), the Milky Way Galaxy = 銀河系星雲 galactic nebula: アンドロメダ星雲など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
準恒星状天体 |
(宇宙 the cosmos, the universe): 星の進化 宇宙論 cosmology1924 Eddington AS1937 Gamov, G. (1904-1968): 星の進化に関する仮説 1937 Weizsäcker (1912-), Bethe, H.A. (1906-): 水素原子核融合 → 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 1942 Schönberg & Chandrasckher S: Gamov説の修正1948 Alpher RA, Bethe H & Gamov G: Phys. Rev. 73: 803, αβγ論文
原子宇宙: 極度高温、高密度状態 = 全物質が中性子
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
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]
→ 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
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 → 反応が中心から外側へ移行 → 核反応激しくなる = 星の明るさが増す[巨星]
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 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) 1) 定常説: 宇宙には始めもなければ終わりもない
→ 問題: 放射性元素存在し続けることは説明できない 赤方偏移 red shift: 光波のドップラー効果 → 長波長にずれる Ex. 重力による赤方偏位 gravitational red shift Law. ハッブルの法則 Hubble's law (1929, Hubble EP 1889-1953, 米)v = H0r ⇒ 赤方変位は星間距離に比例
r: 天体までの距離 NASA人工衛星WMAP観測: H0 = 71 ± 4 km/s/Mpc tuniverse (宇宙年齢, ハッブル時間, 特性膨張時間) =
r/v = 1/H0 ≈ 137億年 (物質密度や宇宙定数により変化) → 100億年前、宇宙の物質は1点に集まっていた → 宇宙膨張 → 宇宙原理: 宇宙の等方性(全方向で関係成立)と一様性(いずれの位置でも関係成立)は常に成立する Def. 赤方偏移, z ≡ λ/λ0 – 1 = v/c = H0r/c Ex. 2つの銀河間の距離(l0)とその間を伝わる光の波(波長λ0)
v = H0l0 (Hubble's law), 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 → z = v/c → λ/λ0 = l/l0, l = l0 + Δl Eq. アインシュタインの重力場方程式: R = -8πGT
R: 空間曲率, G: 定数, T: 物資エネルギー(運動量) → (1/2)mc2 = GmM/rg Def. シュワルツシルド面: 半径rgの球面→ 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)1950 同僚との昼食時の会話
みんな､どこにいるのだろう ⇒ (フェルミ推定) ドレイク方程式 (Drake equation) |
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45億6千7百万年 (恒星 = 太陽 the sun) 惑星 planet
↓ 水星(a) mercury (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 → Galle JG 1812-1910, 独: 1846.9.23 海王星発見 Def. (2006.8.24 国際天文学連合総会策定定義) 惑星
Rn = 0.4 + 0.3 × 2n (Rn: 太陽からの距離 (地球を1), n = –∞, 0, 1, ···, 8) Def. 衛星 satellite: 惑星周囲を公転している星Ex. ガニメデ ganymede: 木星最大の衛星。半径2550 km (水星より大) Def. 彗星 comets: 太陽の周囲を公転するが軌道は長楕円 (周期彗星)、放物線・双曲線となる (非周期彗星)質量は地球の10万分の1-100万分の1 Def. 流星 meteors, shooting stars: 微塵が地球の大気に入り大気摩擦で発光したものDef. 隕石 meteorites: 流星中で地上に達する = 概ね火成岩。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) 非球粒隕石 (エコンドライトachondrite) - 変質 (9%)
b) 石鉄(質)隕石 siderolites, stony iron (惑星)探査機 space probe惑星や衛星の観測・調査を目的金星探査機1962 マリナー2号(米): 金星から35000 km通過 → 磁場や放射線帯がない1970 ベネラ7号(ソ連): 金星着陸に初成功 1978 パイオニアビーナス(米) 1989 マゼラン(米): 開口合成レーダーによって金星表面の詳細な地図作成 火星探査機1965-73 マリナー4/5/7/9/10号 (米): 火星衛星となり7329画像を地球に送信1971-73 Mars2-7号(ソ連) 1975 Viking1, 2号(米): 火星着陸初成功 → 生物存在する兆候を調査 1988 フォボス1, 2号(ソ連): 火星衛星フォボス探査 1996 マーズグローバルサーベイヤー(米) 1996 マーズパスファインダー(米) 着陸させたローバー(探査車)で表面を移動し地表調査 1998 のぞみ(日, 宇宙科学研究所): 2004に火星軌道投入(失敗)→ 火星周回し火星大気・磁場等を観測 外惑星探査機1972- Pioneer 10: 1973木星接近観測 →1983太陽系外に飛び出し初の太陽系外人工天体 1973- Pioneer 11: 1974木星接近 →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 1977- ボイジャー1, 2号: 1979木星接近 → 1980,8.1土星接近
2号: 1986天王星探査 → 2009 Kepler (NASA) 太陽 the sunコロナ: 太陽の大気 (ジオコロナ: 地球の大気で輝いている部分)フラウンホーファ線 Fraunhofer lines (von Fraunhofer J, 1787-1826, 独光学機器製作者)
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 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 惑星食 eclipse: 太陽-地球-衛星が一直線上に並ぶ位置関係で、地球の陰になる部分 = 衛星が食に入った状態食期間: 食に入っている期間
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 火星火星氷床 Martian ice cap: 火星の北極と南極に存在するグリーンランドと同程度の大きさの氷床氷床の厚さは両極とも3000 ｍ程度(最近の観測) 両氷床ともH2O氷でできている説が有力 |
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 南極氷床: 表面はデブリで覆われており複雑な地形 隕石と月地殻・大気・海水: 全てマントルから = 地球と同起源 → 地球内部構造と関連
a) 隕石 meteorite年齢: 45億年に集中 → 地球生成年代と一致
球粒: 橄欖岩、斜方輝石 – 塩基性岩石、高温 → 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 鉄質隕石(隕鉄): 母惑星、層状構造 – Fe/Ni合金
1500°C – 1100 (γ型結晶) – 740 (α型結晶) – 380
元素 - 始原惑星元素__________________2-3億年隕鉄、鉄質固体地殻の形成__3億年 隕石(岩石として)_________45億年 → 45億年前地殻はなかった b) 月地形は海・生物に覆われていない: 観察容易 + 表面変化少岩石、鉱物研究
海 black stone – 玄武岩 = 30-35億年
月質学├─────→┤ 隕石 ├──────┼────→┤ 月 ├──────┼─────┼──────→ 地球 │ 隕石段階 │ 月段階 │ 地球段階起源: 地球との関係から見た
最古の岩石 = 45億年 = 地球・太陽系年齢と一致
→ 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
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?
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
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地球誕生
星雲説 nebular hypothesis (Kant, Laplace 1749-1827): 低温起源説 – 冷たい星雲が回転凝集し熱を持つ
渦乱流理論 (Weizsäcker) 潮汐説 tide theory (Jeans JH 1877-1946, Jeffreys 1891): 高温起源説 地球年齢測定放射性元素半減期利用 – 所々の溶岩が表面で固まってから現在までの時間の経過を調べる
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
太陽 = 50億年 ジオイド geoid地球をとりまく重力等のポテンシャル面のうちで、大洋地域ではその平均海水面と一致するもの→ 大洋平均海水面を陸地内部に延長した基準面 – 地表付近の起伏、物質分布に応じ僅かな起伏 Ex. アルプス、ヒマラヤ等大山脈では40-50 cmの膨れ 地球楕円体 terrestrial ellipsoid: ジオイドの形に最も近い(=近似面を持つ)楕円体表. 地球の定数
赤道半径 a km 6378.388
極半径 b km 6356.912
平均半径 r km 6371.221
扁平率 f = (a – b)/a 1/297
体積 V km3 1.083·1012
質量 M g 5.9761·1027
平均密度 ρ g·cm-3 5.517
重力 極 gP g·cm-2 983.221
赤道 gE g·cm-2 978.049
2山型 → g(φ) = α(1 + β·sin2φ – γ·sin22φ),
α = 978.049 gal (赤道における重力),
→ 重力は赤道最小、両極最大
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Def. 重力異常 gravity anomaly, Δg = g – g(j)
→ ブーゲ補正 = ブーゲ異常
Ex. 花崗岩質層 = 密度小 ↔ 玄武岩質層 = 大
地球の質量・密度F = kM/R2
F: 単位質量に働く引力 地球体積 = 1.083·1027 cm3 → 平均密度 = 5.52 g/cm3 地殻構成岩石密度 ≈ 2.8 g/cm3 → 地球内部に著しく密度の大きな物質存在 古地磁気 palaeomagnetism岩石に記録される過去の地磁気地磁気の発達により地表への放射線到達量が減少 → 生物が浅海でも生息(光合成)可能となる ダイナモ理論地磁気成因を説明: 双極子dipole磁場: Fe・Ni等電気伝導度の高い物質存在→ 熱対流等により流動 → 自己励起発電機系となる → 磁場発生 岩石磁気: 岩石全体として帯びた磁性(主に磁鉄鉱) 火山岩(溶岩): 高温のため磁性失った後、冷却過程(キューリー点575°Cで磁化)で強磁性体となる磁化は地球磁場中で起こる → 岩石磁化方向は地球磁場と一致(= 平行) 堆積岩: 堆積過程で地球磁場方向に整列 – 岩石全体が一定方向磁性 (沈殿残留磁気 residual magnetism)→ 磁場変化しても岩石磁気は長期間もとのまま保たれる → 岩石冷却か沈殿堆積時の地球磁場が分かる Ex. 中生代-古生代: 磁北は現在の赤道付近 
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! Ex. 東北日本と西南日本が相対的に回転 – 元々は弓状ではない 磁気層位学: 海洋底は陸上より単純構造で複雑さはないN-S逆転: 縞模様出現(長さ不規則) = 特定時期示す目印 地温勾配 geothermal gradient太陽輻射: 地中深くに及ばず、地表面から数10 m下で一定となる太陽輻射が及ばない深さ → 温度は深さと共に増 = 地温勾配, dT/dh (°C/100 m) ≈ 3 (5を越える場合ある) 熱源: 地表下方に存在するため地温勾配生じる = 熱流 heat flow 量を決める 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 |
構成物質による区分: 地殻earth crust → マントルmantle → 核core研究方法: 地球トモグラフィー人工(昔は自然)地震: 地震波速度変化 → 不連続面存在 = 組成変化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 人工衛星・宇宙探査機1) 地殻: 隕石より推測 → 石質隕石 ≈ マントル(鉄質隕石成分 ≈ 地殻成分)
44億年前: 地殻形成始まる ↓ コンラッド不連続面(C面) Conrad discontinuity ↓ __大陸地域の地殻中で認められる ↓ 大陸地殻 continental crust: 50 km程度 ↓ ____→ 高い山地 = 厚 ↔ 低地 = 薄 ↓ __上部 Vp = 5.5-6.5 km/s ↓ ____→ 花崗岩質 = 花崗岩質層 granitic layer ↓ __下部 Vp = 7 km/s ↓ ____→ ρ = 3 gr/cm3 → 玄武岩質 = 玄武岩質層 basaltic layer ↓ 海洋地殻 oceanic crust: 10 km程度 ↓ 海洋では即座に Vp = 7 → 花崗岩質層が薄いか欠ける モホロビッチ不連続面(モホ面, M面) Mohorovitch discontinuity: 地殻-マントル境界面
→ 不連続面存在 = モホ面
上部 Vp < 7 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  図. 地殻の構造モデル 大陸地域の岩質層と大洋地域の玄武岩質層には疑問の余地ない → 大陸地域の減眼疾層はまだ問題 + マントル上層部は榴輝岩質だという説もある 2) マントル (earth's) mantle
地殻の下。厚さ2900 km (地球の82%の体積、68%の重さ)低速度層: 地表から100 km前後にvP低くなる部分(B層上部) → 部分的溶融(= 液体) → マグマ(火成岩) → 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 高速度境界: 深さ660 kmあたりにある急に地震波の速度が早くなる境界 = マントルは固体→ 地震はこれより上部で発生 → マグマの起原: 玄武岩: 橄欖岩、輝石。エクロジマイト: 輝石、ざくろ石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 玄武岩質(3.2) ⇔ エクロジマイト (3.4) [高温であると玄武岩のままでエクロジマイトにならない]P-Sの違い = 圧力・温度の違いにより鉱物が転移する。P波変化等により判明 石英 SiO2 → (高圧、ρ = 2.7) coes 石 → (ρ = 3.2) Stishov 石→ → → → → → → → → → → → → → → → → → → → → Si:O = 1:0.4__SiとOの結合が変化_______Si:O = 1:0.6 マントルで起こる変化
橄欖岩 (MgFe)2SiO4 斜方晶形 → (ρ = 3.22) 尖晶岩 (ρ = 3.5) MgAl2O4 立方晶形 |
3) 核 core: 密度大きな液体(10-13 g/cm3)。体積16%、質量31%を占める
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 内核 (1222 km) 水と大気の起源太陽系の起源と密接な関係気体の平均分子運動速度, Vm = √(3RT/μ) 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 海水(大気)の生成・存在条件→ [地球] 窒素・酸素は大気に残る。窒素は大気中に残らない
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
正イオン 負イオン, H2O
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-, CO32-, SO42-は揮発成分である火山ガスから来る 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
(海水はマントルの30-70 kmの厚さに含まれる水に相当する。マントル含水量の10%) 元素の存在度: H, He, O (圧倒的に多い), Ne, C, Si, Mg, Fe: 8大元素 惑星と比較 → 内惑星: 水金地火 = N2, CO2, H2O ↔ 外惑星: 木土 = H2, H2O, NH3, CH4
酸化生成物: 35億年前にバクテリア 大気変化火山ガス → (冷却) pH 0.3 (CO2)沈積 CaCO3 ⇔ 海水中CO2 ⇔ 大気中CO2 海水存在: 大気中CO2を一定に保つ → 初期の海水・大気CO2は微量で、その後、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した 大気・海水の存在大気↑↓ CO2, H2O 海水 – 温室効果 greenhouse effect: 太陽エネルギーを保つ(0-100°C) 大気中O2現大気中 200 mb分圧(今は遥かに多い)火山ガス → O2はない
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普通は、相対年代relative ageと絶対年代abosolute ageをうまく結合し年代判定
→ 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数字で表わされる年代
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 暦年較正: δ13Cにより同位体分別を行った後のBP年代で較正必要
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堆積年代推定法泥炭層堆積に要した年数を推定 → 湿原の歴史わかる
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Fig. Kaulangiophyton akantha. A. Restoration showing creeping axes with erect branches, two of them fertile. B. Restoration of part of fertile axis. (Gensel, Kasper & Andrews 1975).
地球
月
Pratt: 密度の違いが高さの違いに現れる