絶妙なバランス

 小学校課中学校の理科で習うと思うのだけど。
地球の空気の組成は、窒素が８割弱、酸素が２割、アルゴンが１％弱、二酸化炭素が0.03％ほど、となっているのだ。
地球温暖化とかで着目されている二酸化炭素だけど、実は４番手だし、10倍に増えたところでアルゴンにはかなわないのだ・・・。
で、子の組成はなかなかよくできていて、というか、むしろ子の組成に合わせて今の生物が進化したからなんだけど、人間の場合は酸素濃度が18％を切ると酸欠になって危ないというので、かなり絶妙なバランスで保たれているんだよね。
でも、実は地球の歴史上、いろいろなことがあってここのところ数千万年はこの組成に落ち着いているのだ。

太陽のまわりの星間物質が集まって地球が個体惑星としてでき上がったころ。鉄やニッケルのようなものが核のほうに、水素やヘリウムなどの軽いものが外側にいたのだ。
その外側の部分が原始大気とyとばれているもので、まだ中心部に熱があって冷めきっていないので、超高温高圧だったんだって。
そのうち、水素やヘリウムのような軽すぎる期待は太陽風により吹き飛ばされ、ガス成分のうち比較的重量のあるものだけが大気として残ることになったのだ。
それが一酸化炭素や水、アンモニアなどなど、
一酸化炭素は自ら酸素を奪って二酸化炭素になり、アンモニアも高温で分解されて窒素と水素に分かれたそうなのだ。
ここで重要なのは、酸素がほとんど存在していないので、アンモニアが燃焼ではなく、熱分解されているところ。
燃焼の場合は硝酸化合物になってしまうけど、このときは酸素がほぼないので窒素が出てくるのだ。
ちなみに、酸素はさまざまな反応の過程で出てくることはあったようだけど、中心部近くにいる鉄などの金属が還元状態で非常に酸化されやすかったので、そっちに取られていたみたいなのだ。

で、ここで出てきた水素はやっぱり飛ばされてしまって、窒素や二酸化炭素と水が残るんだよね。
このときでも100気圧くらいというからすごいものだ。
地球はだんだんと冷えてくると、火山噴火の時にまき散らされている微粒子が核となって水蒸気が雨として地上に落ちるのだ。
これで最初の海ができるのだ。
43～40億年くらい前というから、液体の水が惑星表面を覆うまで冷えるのに３～５億年くらいかかっているわけだ。
この時の海は空中にあった硝酸化合物や硫酸化合物を溶かしながら降った超強力な酸性雨でできたもので、かなりの賛成だったらしい。
それが地上の金属などと反応して不溶性の円として沈殿していくことで賛成が徐々に弱まったらしい。
で、水溶性の高いナトリウムやカリウムの塩化物を中心とした塩が溶け込んで今の海に近いものができたのだそうだよ。

地上にはけっこうな量のカルシウム（火山由来の消石灰＝酸化カルシウム）があってそれも海の中に溶けもむのだけど、そうすると、大気中の二酸化炭素を吸収しだすのだ。
まさに自然の石灰水状態になって、超高圧で二酸化炭素が大量に存在しているので、海中のカルシウムイオンは炭酸カルシウムとなって水にほとんど溶けない石灰岩に変わっていくのだ。
その結果、地球の大気は気圧も下がり、大量の窒素と量が減った二酸化炭素から構成されるものになるよ。
このくらいのタイミングで生命の兆しが現れ、さらに、そこからしばらくして光合成を行う生物が誕生すると、大気中の二酸化炭素はさらに消費され、かわりに酸素が出てくるのだ。
で徐々に酸素濃度が上がっていくわけ。

でもでも、巨大な生物が闊歩していた時代は今とは酸素濃度が違うのだ。
超巨大なシダ植物が繁茂していた古生代や、恐竜が世界を支配していた中生代の前半くらい（ジュラ紀）は酸素濃度は今の半分くらい。
白亜紀に入ると気候が温暖になり、植物が大繁殖した結果、酸素濃度は逆に今より高い25～30％まで上がったらしいよ。
このくらいの時期がティラノサウルスなんかが闊歩していた時代。
でも、新生代に入るまでは高い濃度が維持されるんだけど、おそらくジャイアントインパクトの影響で生物が大量絶滅して生物相が大きく変わると、今度はだいたい20～21％になって以降は落ち着いて今に至るみたい。
植物による酸素放出と呼吸による酸素消費のバランスで変わるので、どういう動植物が反映しているかで変わってくるのだ。

窒素と酸素はそんな感じだけど、アルゴンってどこから来たの？、となるよね。
これは花崗岩などに含まれている放射性のカリウム（Ｋ⁴⁰）が電子捕獲（用紙が電子と結合して中性子になることで原子番号が一つ減る）によってできるAr⁴⁰。
このＫ⁴⁰は大量にあるので、Ar⁴⁰も多くできるのだけど、Ｋ⁴⁰の半減期は12.48億年と非常に長いのでバンバン生まれるわけではなく、Ar⁴⁰の量もじわじわと増えていくくらいだよ。
なので、新生代になって以降だけで考えても、構成比率に影響が出るほどは増えないのだ。

それにしても、この地球の空気は8割以上が窒素とアルゴンでできていて、どちらも常温常圧化ではほとんど化学反応しないので、非常に安定的。
これは安定的な環境を保つという点で重要だよね。
反応性が高いと気温や気圧に影響が出てきてしまうから。
よくできているものだと思うよ。