地球の核が大気を飲み込んだとき

地球の大気は、岩石惑星のなかでは風変わりだ。金星と火星は、気圧こそ大きく違うものの、どちらも大気の約95%が二酸化炭素で、数%が窒素である。地球の大気は二酸化炭素に乏しく、酸素に富んでいる。この違いの一部は、何十億年にもわたる地質活動と生命によるものだ。しかし、惑星たちはそもそも、大気や生物をつくる元素、すなわち水素、炭素、窒素の供給量が異なる状態から出発したのかもしれない。

コペンハーゲン大学のヴェラ・スパルマン（Vera Sparrman）と、コペンハーゲン大学およびスウェーデンのルンド大学のアンデシュ・ヨハンセン（Anders Johansen）は、まさに始まりのときにさかのぼった。地球がまだ、若い太陽を取り巻くガスと塵の円盤の中で成長していた時代だ。

マグマの海を降る鉄の雨

その段階では、降り積もる物質が放出する熱によって、惑星のマントルは溶けたままだった。成長中の地球は、全球を覆うマグマオーシャンに包まれていた。新しい物質が届くたびに岩石がもたらされてマグマに加わり、鉄ニッケル合金の金属はしずくとなって、毎秒約1メートルの速さでその中を沈み、核をつくっていった。大気の気体はマグマに溶け込み、その一部がさらに落下する金属に溶け込んだ。こうして鉄の雨は、気体を一番下まで運んでいくことができた。

著者らは、大気、マグマオーシャン、核の間のこのやりとりを、層を一つずつ積み重ねる形でモデル化した。地球質量の2%の種から始めて、**64%**まで成長させた。これはおおよそ、月をつくった巨大衝突の前の原始地球にあたる。水素、炭素、窒素の総量は、核に隠れていると考えられる分も含めて、現在の地球についての推定値に合うよう設定された。

惑星をつくる2つの方法

2人は2つの成長の仕方を比べた。

• ペブル集積：地球がミリメートルからセンチメートルほどの大きさのペブル（小石）を掃き集める。惑星の周囲が熱くなるにつれ、こうした小さな粒は到着する前に揮発性の成分を失ってしまう。水素はほぼすぐに届かなくなり、炭素と窒素は火星ほどの質量になったころに届かなくなる。揮発性物質は早い段階で届く。
• 微惑星集積：地球は直径数百メートル以上の天体から成長する。こうした天体は揮発性物質を内部に守っている。供給は途切れることなく続く。

早く届けば、深く埋もれる

タイミングがきわめて重要であることがわかった。早い段階で届く場合、その後に降り注ぐ金属のひとつひとつが、マグマから気体をこすり取り続ける。ペブルのシナリオでは、水素の約70%と炭素の69%が核に行き着く。供給が続く場合、核が取り込むのは多くても約半分で、マントルと大気にはおよそ2倍の量が残る。これらの割合は、著者らが基準としている実験室測定のデータセットから得られたものだ。のちに見るように、別のデータセットではまったく違う数字になる。

ペブルでつくられる原始地球が地球質量の0.02倍から0.64倍へと成長するとき、水素、炭素、窒素の行き先：核（暗い赤）、マグマオーシャン（オレンジ）、大気（青）。— 図4（上段）、Sparrman and Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

どの元素が逃れるかを決めるのは溶解度、つまりある圧力のもとでマグマがどれだけの気体を溶かし込めるかだ。マグマに溶け込んだ分だけが、その中を落ちていく金属のしずくに拾われる。水は溶けやすいので、水素は鉄の雨にさらされ、効率よく沈んでいく。一酸化炭素ははるかに溶けにくいので、どの瞬間をとっても炭素の大部分は上の大気にとどまっている。しかし、あとから届く金属が溶け込んだ分をたえず空にし、大気がすぐにそれを補充するため、最終的には炭素の69%がやはり下へ降りてしまう。窒素は逆の例だ。金属との親和性は水素より高いのに、核に届くのは**4%にすぎない。あまりに溶けにくいので、鉄の雨が通る場所にほとんど居合わせないのだ。そして93%**が大気にとどまる。溶けにくさが身を守る。

一酸化炭素の重い空

ペブルのシナリオの最後に残るのは、約760気圧の分厚い原始大気だ。私たちが呼吸する空気は海面で1気圧、金星の空気は92気圧である。そこでは炭素が大部分を占め、そのほとんどは一酸化炭素（約710気圧）の形をとる。そこに約39気圧の水素と1.7気圧の窒素が加わる。核を免れてこの大気に行き着いた炭素は、現在の金星大気に含まれる二酸化炭素のおよそ15倍にあたり、窒素は金星の窒素とほぼ同じくらいの量になる。微惑星のシナリオでは、組成は似ているものの、さらに重い約1,350気圧の空になる。

成長していくペブル型原始地球の大気：供給が止まると、鉄の雨が水素と炭素を引き抜き続け、一酸化炭素（赤い破線）が大気の主成分になる。— 図7（上）、Sparrman and Johansen (2026), arXiv:2610.27788.

集積が終わったあと、マントルは酸化し、大気は水と二酸化炭素の方向へと変わり、海が凝結すると著者らは予想している。このモデルを金星の質量に当てはめると、約500気圧の一酸化炭素という似たような出発点が得られる。著者らは、2つの惑星が別々の道をたどった理由は、生まれの違いではなく、炭素を地下に埋め込む地球のプレートテクトニクスで説明できるかもしれないと示唆している。

地球はどちらの方法で成長したのか？

原理的には、残された量から地球のでき方がわかるはずだ。基準となるデータを用いたペブルのモデルは、現在のマントル中の3元素すべてについて、公表されている推定値と一致する唯一のモデルである。しかし、そうした推定値どうしの食い違いは、モデルどうしの食い違いと同じくらい大きい。さらに、これらの元素が金属と岩石の間でどう分配されるかの実験室での測定値は、数桁も異なっている。別のデータセットを使うと、水素はすべて核に行き着いてしまう。マグマへの一酸化炭素の溶解度は、最も影響力が大きいのに最もよくわかっていない入力値だ。より優れた実験があれば、地球内部の組成を、この惑星がどのようにつくられたかの記録に変えられるだろう、と著者らは結論づけている。