地球の過去の温度

質問

地球温暖化が問題となっています。南極の氷床をボーリングして、氷の中に閉じこめられた泡の空気成分を分析して過去のCO2成分が判明すると聞きました。他方過去の温度は酸素の同位元素の存在比で判明するとの事です。何故酸素の同位元素存在比から温度が判明するのでしょうか。ご承知の方よろしくご教示をお願いします。

回答No.5

kagakusuki · ベストアンサー

今回調べてみて初めて知ったのですが、言われる通り酸素の同位体比によって、過去の全地球的な温度を推定する方法がありました。
　酸素18の原子は酸素16よりも原子核中の中性子の数が多く(陽子数は同じ)質量が大きいため、酸素18を含む水分子酸素16を含むものよりもは熱運動の速度が遅く、分子間引力により受ける力も強いので、蒸発速度がやや遅くなります。
　このため、海洋から蒸発した水蒸気に含まれる酸素18の割合は、海水中と比べて少なくなる傾向があります。
　大気中の水蒸気は海洋からの蒸発が主な供給源ですから、大気中の水蒸気が凝結して出来る雨や雪も酸素18の割合が少なく、雪が降り積もって産まれる大陸氷河もまた酸素18の割合が海水中と比べて少なくなります。
　気候が寒冷な時代には氷が溶け難くなり、氷河が発達して氷中に酸素16を多く蓄えると、海水中の酸素16が減り、結果として酸素18の割合割合が増えます。
　気候が温暖な時代には、氷河が融けて酸素18が少ない水が海に流れ込み、海水中の酸素18の濃度を希釈します。
　ですから、当時の海水中の酸素同位体比が判れば、当時の全地球的な気温の指標になります。
　又、jamf0421様が回答番号：No.1で記されている様に、分子中の原子は必ずしも同じ原子同士で結合し続けるわけではなく、分子間で原子の入れ替えも起きていますので、海水中の炭酸イオンの酸素同位体比は水分子の酸素同位体比によって変化します。
　海棲生物の中には、化石として残りやすい炭酸カルシウムの殻を作るものがいますから、その以外の殻の炭酸カルシウム中の酸素同位体比を調べれば、海水中の酸素18の濃度を推測できる事になります。
　炭酸カルシウム中の酸素同位体比は、海水中の酸素同位体比の影響の他に、生物が殻を作った時の周囲の温度(局所的な環境)によっても変動します。
　そこで、水温の安定している深海に棲む有孔虫の一種等の遺骸の殻を、深海底の泥層のコアから取り出して、それに含まれる酸素18の濃度を調べるという方法も執られる様です。
　　【参考ＵＲＬ】
　　　地球温暖化をどう考えるか　http://www.asahi-net.or.jp/~gf7m-isi/earth_warming.html

お礼

ご回答有り難うございます。すると酸素の同位元素効果はCO2の酸素ではなく、H2Oの酸素を通して、影響すると考えてよろしいでしょうか。

補足

ゴア元米副大統領（ノーベル賞2006年）のビデオから講演内容を原文で引用します。
"When the snow falls, it traps little bubbles of atmosphere and they can go in and measure how much CO2 was in the atmosphere the year that that snow fell. What's even more interesting, I think is, they can measure the different isotopes of oxygen and figure out a very precise thermometer and tell you what the temperature was the year that the bubble was trapped in the snow as it fell."
ここでyearは南極での氷床の融解と凍結の繰り返し年輪から推定します。
なおビデオはソース****社から市販されています。

回答No.8

jamf0421

>しかし私には化学反応における酸素の同位元素効果と温度との関係がま
>だよく理解できません。

本件に口は出しましたものの私は同位体効果と地球環境の温度推定の問題は素人なので、水素の同位元素分布と温度の関係だけについて申します。
例えば
H2+D2→2HD...(1)
という反応があります。同位体効果がないのでしたら、平衡分布はH2:HD:D2=1:2:1になることは直感的に自明です。つまり平衡定数Kは
K=[HD]^2/[H2][D2]=2^2/1*1=4...(2)
になるはずです。普通の化学熱力学でこの反応のDriving ForceがEntropyの増加である、ということだけですとK=4にしかなりません。
しかし実験してみればわかりますが、室温程度では4にはなりません。温度が高くなると4に近づいて行きます。Kの温度依存性は分配関数でもきちんと調べないと説明できません。同じように
HDO+H2→H2O+HD...(3)
でも平衡定数Kは１になりません。温度が低いとDは水に多くてKは１より小さくなります。温度が上がると逆に相対的に水素の方に行きます。これも平衡定数が温度によって変わる例です。同位体は完全に化学的に同一物ともいえないのです。

お礼

ご回答有り難うございます。しばらく考えてみます。

回答No.7

kagakusuki

>炭素の同位元素の存在比も有力な情報になると考えられますが、実際への適用はどうなっているのでしょうか。

　一例ですが、以下の参考ＵＲＬをご覧下さい。
　　【参考ＵＲＬ】
　　　CAOS-TGR - CO2の炭素同位体　　　　http://tgr.geophys.tohoku.ac.jp/index.php?option=com_content&task=view&id=22&Itemid=40
　　　CAOS-TGR - CH4の炭素・水素同位体　http://tgr.geophys.tohoku.ac.jp/index.php?option=com_content&task=view&id=23&Itemid=41

お礼

ご回答有り難うございます。炭素のCO2での同位元素の存在比も重要な環境破壊に対する情報源であることが紹介されたHPから判りました。また炭素と水素の同位元素効果をCH4を通して研究する方法についても知ることができ、感謝です。

回答No.6

kagakusuki

>生物は炭素の同位元素12を優先して使用するとの事ですが、同様に酸素の場合も同位元素16,17,18のどれかを優先して、植物が炭酸ガスから酸素を変換放出した結果として大気組成中での特定酸素同位元素が増大するということは考えられないでしょうか。

　植物が放出する酸素は水を分解して水素を取り出した後の廃棄物で、二酸化炭素分子中の酸素は生体内に取り込まれるため、元々酸素18の割合が少ない淡水を利用している陸棲植物の放出する酸素に関しては、同位体ごとの吸収率の差の影響は考え難いと推測致します。
　又、大気中の酸素の殆どは植物が放出したもので、植物のものとは同位体比が異なる酸素の供給源は事実上ありませんから、植物の放出する酸素に酸素18が少ない事それ自体による、大気中の酸素同位対比への影響は、考えなくとも良いのではないかと思います。
　それよりは、大気中の酸素濃度データーの方が、植物の活動による影響が大きいため、二酸化炭素の濃度データーと組み合わせる事で、海洋生物の有機物生産量や植物による二酸化炭素の吸収量の、見積もりに使用されている様です。
　　【参考ＵＲＬ】
　　　CAOS-TGR - 酸素（O2）http://tgr.geophys.tohoku.ac.jp/index.php?option=com_content&task=view&id=44&Itemid=63

　勿論、光合成も一種の化学反応で、同位体ごとの反応し易さの差は温度によって変化しますから、海洋の温度によって海棲植物の放出する酸素の同位体比が変化する可能性もありますが、先述の通り海水中の酸素18の濃度もまた温度によって変化するため、海水温と酸素18濃度という２つの要因が絡み合った結果、大気中の酸素ガスの酸素同位体比がどの様に変化するのかは複雑な問題で、私には判りません。
　それから、先述の様に二酸化炭素と水の間で酸素の交換が行われる事で、二酸化炭素は海水の酸素同位体比の影響を反映するため、酸素ガスではなく二酸化炭素分子中の酸素同位体比を調べる事で、過去の気候を推測する可能性も検討されている様ですが、あまり盛んに研究されてはいないようです。
　研究か盛んでない理由は定かではありませんが、二酸化炭素と水の間で酸素の交換が行われる事で、二酸化炭素の酸素同位体比はサンプル中の湿度(＝海水とは同位対比の異なる水の存在)によって変化するため、サンプルの保存が難しいらしいという情報もありました。
　　【参考ＵＲＬ】
　　　平成13年度国立環境研究所年報 (2)同位体比測定を用いた対流圏温暖化気体の動態解明に関する基礎研究　https://www.nies.go.jp/kanko/nenpo/h13/4-1-1-2.html

　もしかすると、海洋と雲という酸素同位対比の異なる２種類の水と酸素を交換する、大気中の二酸化炭素は酸素同位体比のデーターとして取り扱い難いのかもしれません。

お礼

詳細なご回答有り難うございます。しかしゴア氏が述べた酸素の同位元素効果による精密な温度測定の方法がまだよく判りません。泡の中の酸素ガスなのか、CO2なのか、H2Oなのか、それ以外の気体酸化物なのかまだ判然としません。

回答No.4

jamf0421

>回答者#2の方が生物は炭素の同位元素12を優先して使用するとの事です
>が、同様に酸素の場合も同位元素16,17,18のどれかを優先して、植物が
>炭酸ガスから酸素を変換放出した結果として大気組成中での特定酸素同
>位元素が増大するということは考えられないでしょうか。

生物がどの程度炭素12を取り込みやすいか残念ながら存じませんが、それも勿論化学反応の同位体効果です。その平衡定数は温度、圧力で決まります。その推定事象から過去の温度を知りたいなら、同位体分布を温度目盛になおさなければなりません。しかし植物の例ですとCO2のCの同位体量は植物の量に影響を受けるでしょうが、つまりCO2にC12が少ないなら植物が盛んに繁茂したとわかりますが、そのままでは当時の気温とはダイレクトに結びつけられませんね。

質問者さんが補足で可能性を聞かれていることが、数字として具体的にきいてくるかどうかは知識はありません。

大昔の空気の中のCO2のOの同位体量比を調べて過去の気温を知る、としたらCO2が絡む自然界のもっともありそうな反応の同位体分布の平衡定数を知って温度に読み替える、ということ以上のことは残念ながら専門家でないので存じません。

お礼

ご回答有り難うございます。#5の回答への補足で記しましたが、ゴア氏は酸素の同位元素分布の相違による地球温度測定は"a very precise thermometer"であると述べています。酸素として泡の中のO2自体を対象としたのか、それともCO2の酸素を対象として測定したのか、それも判然としないのです。

回答No.3

jamf0421

No.1です。下記のサイトを見つけました。URLのあとの方のword/の後は長ったらしくなっていますが日本語で”炭酸塩-水同位体温度目盛”となっています。
http://kotobank.jp/word/%E7%82%AD%E9%85%B8%E5%A1%A9%E2%80%90%
E6%B0%B4%E5%90%8C%E4%BD%8D%E4%BD%93%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E7%9B%
AE%E7%9B%9B
（サイトをペーストするとき字がはみ出るので改行しています。）
ただし、これは炭酸塩の中に固定されたO(18)の濃度δ‰と、その時の水のO(18)の濃度A‰の差から水に対しての相対的温度差が推定されるもので
t(℃)＝16.5-4.3(δ-A)+0.14(δ-A)^2
となっています。

あと二枚貝の生きていた当時の水温を酸素同位体量から推定する例が下に書いたサイトにあります。
http://homepage3.nifty.com/a-kitamura/isotope.htm
いずれも質問者さんのご質問とはちょっとずれているのですが...

お礼

#5の回答の補足に記しましたが、ゴア氏は気泡自体の分析から簡単に温度を推定していると考えられますが如何でしょうか。

補足

ご回答有り難うございます。少し難しいので考えさせて下さい。もっと簡単に考えて、回答者#2の方が生物は炭素の同位元素12を優先して使用するとの事ですが、同様に酸素の場合も同位元素16,17,18のどれかを優先して、植物が炭酸ガスから酸素を変換放出した結果として大気組成中での特定酸素同位元素が増大するということは考えられないでしょうか。

回答No.2

kagakusuki

酸素ではなく炭素ではなかったでしょうか。
　二酸化炭素は生物起源のものの他に、火山から噴出されるものもあります。
　生物は炭素12を主に使用し、炭素13はあまり吸収しません。
　従って生物の呼吸や、死骸の腐敗等で、発生する二酸化炭素は炭素12を含むものが多く、炭素13を含むものは少なくなります。
　火山起源の二酸化炭素にはこの様な傾向はあまり見られません。
　火山の噴火する頻度は気温の影響をあまり受けませんが、植物の量は気温の影響を受けます。
　気温が高ければ、植物が増え、炭素12を含む二酸化炭素を吸収する量が増えるため、大気中から炭素12を含む二酸化炭素が取り除かれ、相対的に炭素13を含む二酸化炭素の割合が増えます。
　気温が低ければ、植物による炭素12を含む二酸化炭素を吸収する量が減り、相対的に大気中における炭素13を含む二酸化炭素の割合が減ります。
　氷床の気泡中のガスは過去の大気組成を反映していますから、二酸化炭素の全量に対する、炭素13を含む二酸化炭素の割合を調べる事で、過去の気温の目安を立てることが出来るのです。

お礼

ご回答有り難うございます。ゴア元大統領の発言は#5の回答補足で示しましたように、明確に酸素と述べています。

補足

ゴア元米大統領の”不都合な真実”ビデオでは酸素の同位元素の比から温度を推定すると記されています。おしゃるように炭素の同位元素の存在比も有力な情報になると考えられますが、実際への適用はどうなっているのでしょうか。

回答No.1

jamf0421

同位体分布の平衡定数といえども温度に依存するからです。
私は質問者さんの言われている系についてはずぶの素人です。以下は、”たとえば、こう考えられます”という話とご理解下さい。
CO2+H2O⇔H2CO3
という反応について原子量16と原子量18の酸素を使って（本当はO17もあるはずですが、）
CO(16)2+H2O(18)
を混ぜてやったら、
H2CO(16x2,18)3
の方向に行きますが、いずれO(16)とO(18)はその時の温度の定める平衡定数に従ってCO2、H2O、H2CO3に分布するはずです。そしてその後気相が液相から離されたときOの同位体量は離されたときの温度による値にFixされています。

お礼

ご回答有り難うございます。しかし私には化学反応における酸素の同位元素効果と温度との関係がまだよく理解できません。