地球は、最長で38億年前から「青い惑星」だった。古代の堆積岩の堆積物や、特徴的な枕状に冷え固まった溶岩は、地球表面に液体の水が存在していたことを疑う余地なく示している。少なくともこれほど長い間。しかし、銀河には不毛な岩石が数多く存在することを考えると、地球に豊かな海があることから、その水がどこから来たのかという疑問が生じる。
地球科学者たちは、二つの対立する説について今も議論を続けている。一つは、地球に衝突した小惑星や彗星から水が取り込まれた可能性を示す説だ。しかし近年の研究により、もう一つの説、すなわち水はもともと地球のマントルの岩石に含まれており、火山を通じて徐々に地表へ放出されたという説が有力になっている。どちらの仕組みがより重要だったのかを解明すれば、地球の歴史への理解が深まるだけでなく、生命を支えうる他の惑星を探す助けにもなる。
1974年、科学者たちは発見した。地球のマントルには、予想以上に多くの白金などの貴金属が含まれていたのだ。こうした元素は自然に鉄と結びつきやすく、その大部分は地球の歴史の初期に、惑星の鉄の核へと引き込まれた。
これをきっかけに生まれたのが、激動の初期段階を経た地球に衝突した小惑星が、物質の層をもう一つもたらしたという考えだ。この「後期付加層」には、貴金属だけでなく、炭素や水などの「揮発性」物質も含まれていた可能性がある。そうした物質は、炭素質コンドライトと呼ばれる種類の小惑星に存在することが知られている。
しかし近年の研究により、水が取り込まれたという説の可能性は大きく低下している。2017年1月に、ある研究が示したのは、地球のマントルに含まれるルテニウム（鉄と結びつきやすい金属の一つ）の原子の特徴が、太陽系外縁部にある一般的な小惑星のものとは異なるということだ。このことは、後期付加層が揮発性物質の少ない太陽系内縁部からもたらされたことを示唆しており、したがって、こうした小惑星は地球の水の主な供給源ではなかったと考えられる。
この結果は、後期付加層が到来したと考えられる時期より前から、地球には豊富な水があったとする他の研究とも一致する。たとえば、さまざまな証拠がある。最古の地球鉱物であるジルコンは、液体の水と相互作用するマグマ源から結晶化したことを示す証拠だ。これらの鉱物は41億〜43億年前のものだが、最後の後期付加層がもたらされた時期は、一般に最も有力とされる説では約39億年前とされている。
さらに、小惑星が水を運んでいたからといって、その水を地球に届けられたとは限らない。実際、科学者たちは現在、初期の激しい小惑星衝突では、地球は質量を得るどころか失った可能性があると考えている。これは衝突侵食、または衝突による侵食と呼ばれる過程だ。まだ証明されていない説だが、カナダのサドベリー衝突クレーターを対象とした最近の研究では、衝突によって揮発性金属である鉛の大半が蒸発したことを示す証拠が見つかった。これは、水のようにさらに揮発性の高い物質も、衝突時に宇宙空間へ失われたことを示唆している。
惑星の海が非常に早い時期に形成された可能性を示す最後の手がかりは、地球に予想以上の塩素が存在することだ。地球に液体の水が早くから存在していれば、塩素が溶け込む先ができ、宇宙空間へ失われるのを防ぐ助けになっただろう。最後に、惑星科学者とは異なり、地球化学者たちは長年、地球の海は氷を含む彗星から取り込まれたものではないと主張してきた。海に含まれる「重水素」の量が異なるためだ。
内部からの脱ガス
これらの証拠は、地球表面の水、つまり「液体の水圏」が、実際には惑星内部からの脱ガスによって蓄積したことを示唆している。水は地球のマントル内で、水素原子一つと酸素原子一つからなる水酸基の形で、鉱物の中に閉じ込められている。リングウッダイトなどの鉱物。
マントルの岩石が溶けると、水はマグマに溶け込む。マグマが地表に向かって上昇し、冷えるにつれて圧力が低下し、結晶が形成されると、水は放出され、火山を通じて水蒸気として噴出する。この仕組みによって、深部の水が地表へ脱ガスすることがある。
先駆的な実験研究は、深さ150〜200kmにある鉱物に水が含まれうることを示した。しかし近年では、実験、モデリング、地震データから、水は地表下400〜660kmの深さにも存在する可能性が示された。最近のデータによると、地下深くでダイヤモンド結晶がどのように形成されるかを研究する科学者たちは、水がさらに深い場所に蓄えられている可能性を示唆している。実際の深部マントル鉱物から得られたこの新たな証拠により、地球表面の水が深部に由来するという考えは、いっそう有力になった。
ただし、水がマントルへ戻って循環することも理解しておく必要がある。つまり、海洋の水とマントルに蓄えられた水との間には均衡がある。こうした深部にどれほどの水が今も閉じ込められているのかは、推測することしかできない。
分かっているのは、大陸の陸地に対する海面の平均水位が、約40億年にわたり比較的一定に保たれてきたということだ。水がマントルから出てきて、再び吸収される循環が続いてきたことで、この惑星の歴史を通じて生命が存続するうえで大きな役割を果たしてきたことがうかがえる。
