マグマオーシャンは水素をどのように水に変えたのか

巨大衝突のあとの若い地球を思い浮かべてほしい。溶けた岩石の地球規模の海、すなわちマグマオーシャンが、主に水素からなる濃い大気の下に広がっている。余分な酸素をもつ酸化鉄に水素を接触させると、水素は酸素を奪って水になる。こうしたことが惑星規模で起こりえたのか、そしてどれほどの速さで起こったのか。東京科学大学 地球生命研究所のTatsuya Yoshidaと、北海道大学、東北大学、情報通信研究機構の共同研究者たちは、それを確かめるためのモデルをつくった。

深部で2つに分かれる鉄

深いマグマオーシャンの中、下部マントルの圧力のもとでは、二価鉄（FeO、鉄原子1つあたり酸素原子1つ）が不均化を起こしうる。3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe という反応にしたがって、金属鉄と三価鉄（FeO₁.₅、鉄原子1つあたり酸素原子1.5個）に分かれるのだ。金属は沈んで核に加わり、対流が三価鉄を広げる。これまでの研究によれば、その結果、融解物は現在のマントルと同じくらい酸化された状態になる。では、それは上空の水素とどれほど速く反応するのか。そして逆に、大気はマグマに何をもたらすのか。これまでの多くのモデルは、マントルとマグマを底なしの酸素の供給源として扱っていた。

沈み続ける表皮

このモデルは、融解物への水素のしみ込み、三価鉄との反応（H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO）、大気・マグマ・その下で結晶化していく固体マントルのあいだでの水と酸化物の分配、そして惑星の冷却を結びつけている。大気は最初、水分子1つあたり約10個の水素分子を含んでいる。量はN_TOという単位で数える。1 N_TOは、現在の海にある水分子と同じ数の水素分子である。マグマと固体マントルがどれほどよく混ざるかはわかっていないので、チームは2つの極端な場合を計算した。自由に物質を交換する場合（ケース1）と、固化していくマントルに融解物が閉じ込められる場合（ケース2）である。

ボトルネックとなるのはマグマの最上部だ。水素は溶けた岩石の中をごくゆっくりとしか拡散しないので、表面にある薄い境界層を通り抜けなければならない。この層はその場にとどまってはいない。上から冷やされて密度が増し、やがて沈み、新しい融解物がその場所を占める。表面温度2,400ケルビン、底の圧力50ギガパスカル、1平方メートルあたり400ワットの熱が逃げていく、高温で深いマグマオーシャンの場合、これはおよそ70秒ごとに起こる。

その時間のあいだに、水素は厚さ19ミリメートルの層の中へ1ミリメートル足らずしか到達しない。しかし、絶え間ない更新によって水素の濃度勾配は急なまま保たれるので、流入量は高いままとなる。1000年あたり0.1 N_TOを上回り、平均で0.35だ。

モデルの概要。水素は大気から薄い境界層へ拡散し、三価鉄と反応して水をつくる。そして層はひっくり返ってマグマオーシャンの中へ入る。さらに深いところでは、鉄が三価鉄と金属に分かれる。ケース1とケース2は、マグマが固体マントルと物質をどう交換するかが異なる。— 図1、Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

およそ1万年

主な例では、水素と水が合計10 N_TOあり、マグマは50ギガパスカルの深さまで達している。三価鉄は消費されるが、マグマオーシャンの底で鉄が分かれ続けてそれを補うので、融解物はほぼ同じ程度に酸化されたままとなる。大気が水素と同じくらいの量の水蒸気を含むようになると、表面は大気と化学平衡に達する。それは約0.01百万年後、つまり1万年後だ。そのころには、水素は大気中とマグマ中を合わせて約5 N_TOから1未満にまで減り、水はほぼ2倍になっている。その水の大部分は融解物に溶けている。著者らがこの速さを得るのは、マグマオーシャンが下部マントルまで達するほど深く、高温である場合だ。

その後マグマオーシャンは、ケース1では、毛布のように働く大気の下で、約200万年かけて固まっていく。融解物が結晶化するにつれて、水はそこから抜け出していく。ケース1では、その80%以上が最終的に大気中に移る。

上：大気中の水素（緑）と水蒸気（青）の圧力。下：総量（単位はN_TO）。左がケース1、右がケース2。10⁻²百万年付近で、水素は激減し、水は増える。— 図6（パネルa〜d）、Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.

大気が押し返す

結晶ができるとき、結晶は三価鉄を不均等に取り込む。ケース1では、三価鉄は固体マントルに入りやすく、融解物は還元的な方向へ傾いていくはずだ。するとマグマから出ていく水が二価鉄と反応し、大気がマグマを酸化する。ケース2では、マントルの最も浅い部分である上部マントルが固まると、三価鉄が融解物の中にたまっていく。すると水素がそれを還元する。大気は緩衝材（バッファー）として働き、どちらのケースも大筋では似た大気に落ち着く。これまでのモデルのようにこの酸素の収支計算を切ると、2つのケースは大きく食い違ってしまう。

深い海ほど、多くの水

すべての計算を通じて、マグマオーシャンが深いほど、できる水は多くなる。圧力が高いほど、鉄の不均化が起こりやすくなるからだ。鉄と親和性の高い元素が金属と岩石のあいだにどう分配されたかから推定される深さ、つまり底の圧力が28〜53ギガパスカルの範囲では、水素の70%以上が最終的に水になる。核の外側にある地球全体が現在保持している水と同じ量、つまり1〜10 N_TOの水素を若い地球が集めていたなら、この化学反応で地球の水の量を説明できるかもしれないと著者らは書いている。

火星もこの傾向に当てはまる。火星のマグマオーシャンが存在したとしても、その深さは惑星の核、つまり18〜19ギガパスカルより深くはなりえない。その場合モデルは、地球よりはるかに酸化されていないマントルを与える。これは火星隕石と矛盾しない。火星隕石の化学組成は、金属鉄と酸化鉄が共存する点の近くにある。

描像を変えうるもの

このモデルは、鉄の液滴がすぐに核へ落ちると仮定している。対流によって浮遊し続けるなら、液滴は表面を還元的に保ち、水の生成を制限するかもしれない。高圧実験では、三価鉄がどれだけできるかについて結果が一致していない。拡散のデータは1,700ケルビン付近までしかなく、反応速度は固体の酸化鉄から得られたものなので、水素の取り込みはおそらく過小評価されている。さらに、このモデルではマントルの三価鉄と二価鉄の比が0.06〜0.15となり、現在の0.02〜0.06を上回る。金属に富んだ物質が遅れて到来したことなど、その後の過程がこの比を下げたと考えなければならない。

水素に富んだままの空

マグマオーシャンが凍りつくと、水蒸気は凝結して地表の海になったはずだ。残った水素は、炭素や窒素の気体とともに大気中にとどまっただろう。著者らは、それがメタンやアンモニア、さらには有機化合物の生成を助け、それらがその最初の海に集まったかもしれないと示唆している。この描像では、その海の水の大部分は、もともと空にあった水素だった。それが、1分ほどごとに沈んでは新しくなる表皮を通して、マグマの中に引き込まれたのである。