地球の自然の空気洗浄システムは、湿度が高いほどよく機能する

超巨大火山が二酸化炭素の窒息するほどの雲を噴出すれば、たとえその影響が致命的で壊滅的なものであったとしても、地球の大気は最終的に正常に戻るだろう。では、その温室効果ガスは結局どこへ行くのだろうか？

実は、地球の表面には天然の空気フィルターが隠れているのです。

確かに、植物は光合成のために二酸化炭素を取り込む役割を果たしています。しかし、それよりも大きな制御メカニズムがあります。それは、地球そのものです。空気中の二酸化炭素は、地中の特定の鉱物を風化させます。その過程で、これらの鉱物は二酸化炭素と反応し、大気から二酸化炭素を引き出します。

地質学者たちはこの空気フィルターについて昔から知っていたが、その仕組みはまだ解明されていない。現在、科学者たちは地球規模で何がこのプロセスを制御するのかの証拠を持っている。つまり、これらの鉱物は、気候が暖かくて雨が多いと、より早く風化するのだ。

「地球の仕組みを誰もが理解したいのです」とペンシルベニア州立大学の地質学者スーザン・ブラントリー氏は言う。ブラントリー氏と彼女の同僚は本日、サイエンス誌にその証拠を発表した。

風化とは、水、熱、微生物、植物など、自然の要素にさらされて岩石や鉱物が劣化することです。（風化は、風が吹いたり、水が流れたりして岩のかけらが巻き上げられて別の場所に落ちるなど、動きを伴う浸食とは異なります。）著者らは、二酸化炭素が関与する化学反応によって引き起こされる特定のタイプの風化に焦点を当てました。

それでも、このガスはすべての鉱物を同じように風化させるわけではありません。化学組成によっては、二酸化炭素を大気中に放出してしまうものもあります。ブラントリー氏と同僚は、代わりにケイ酸塩鉱物と呼ばれる鉱物群を研究しました。この鉱物の分子にはケイ素と酸素の原子が含まれています。ケイ酸塩鉱物は二酸化炭素と反応して地中や、時には水中に二酸化炭素を蓄えます。幸い、これらの化合物は豊富にあります。酸素とケイ素は、地球の地殻で最も一般的な 2 つの元素です。

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著者らは、1 つの疑問に答えたかった。それは、「ケイ酸塩鉱物はどのくらいの速さで風化するのか、そして周囲の環境が変化すると、その特性はどのように変化するのか」という疑問である。

答えは単純ではありません。化学反応が世界のすべての風化を引き起こすわけではありません。地質学者にとって、化学的風化を生物活動や地下水の浸透から切り離すのは困難です。

この複雑さのため、地質学者は、管理された実験室よりも屋外の土壌での化学的風化がはるかにゆっくりと進行するようだ、ということを発見した。これは問題のある矛盾だ。ブラントリー氏の言葉を借りれば、「ビーカーから実験室外の小川まで外挿することすらできないのに、どうして地球まで外挿できるというのか？」

幸いなことに、この問題に関心を持つ研究者はブラントリー氏とその同僚だけではなかった。彼らには、地方や地域規模で行われた何十年にもわたる研究をじっくりと調べる余裕があった。研究室で行われた実験を見ることもできたし、視野を広げて土壌の区画における風化の観察を見ることもできた。さらに視野を広げて、河川システム全体で風化がどのように起こるかを調べる研究を見つけることができた。

そのデータを分析することで、さらに範囲を広げて世界的な傾向を推定できる可能性がある。

ブラントリー氏のグループは、気温が上昇すると風化も進むことを発見した。同様に、寒さの中では風化は遅くなる。しかし、彼らが発見した要因は暖かさだけではない。地面が動いていない場合、つまり岩石を動かす浸食が少なかったり、流水を生み出す降雨量が少なかったりすると、風化は遅くなる。

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「非常に詳細な分析だ」と、論文の著者ではないテキサスA&M大学の環境エンジニア、サルバトーレ・カラブレゼ氏は言う。

「この論文は、現場での研究と実験室での研究を整合させ、首尾一貫したメッセージを伝えることができる」と、論文の共著者ではないオックスフォード大学の地質学者ボブ・ヒルトン氏は言う。

ブラントリー氏によると、この発見は、火山の噴火とその後の正常化の長い歴史をさかのぼり、地球の過去を研究しようとしている地質学者にとって間違いなく役立つという。彼らのモデルが正確だと仮定すると、地質学者は実に遠い過去を研究することができる。例えば、数十億年前の土壌を調査すれば、その大気について根拠のある推測ができるだろう。

さらに現在に即して言えば、火山から噴出する温室効果ガスの量は、化石燃料を燃やす人間からの排出量に比べればほんのわずかだ。そうなると、別の疑問が湧いてくる。風化によって大気中の炭素を除去できることがわかっているのなら、なぜそのプロセスを加速できないのか？

実際のところ、科学者や技術者たちはすでにその研究に取り組んでいる。彼らはこれを「強化風化」と呼んでいる。彼らが思い描いているこのプロセスは、海や広大な土地に岩石の破片を撒くことを伴うかもしれない。世界中の農地の大部分に撒けば、岩石に含まれるミネラルが世界の二酸化炭素排出量に少なからず影響を与えるだろうと期待されている。（もちろん、これを行うにはどこかから岩石を採掘する必要があり、人々が岩石の粉塵にさらされる可能性がある。）

これは新しいアイデアであり、今のところは主に研究室の枠内で行われている。いくつかの実験では、土壌や植物が存在する状況でこの技術がどのように機能するかを評価している。たとえば、カラブレーズ氏と彼の同僚は熱帯林の小さな区画でテストを行った。「いくつかの測定はできるが、森林全体で何が起こるかを実際に調べることはできない」と彼は言う。

つまり、強化風化の支持者たちは、ブラントリーのような地質学者たちと同じ多くの未知の問題に直面している。研究室で何が起きるかは分かっているが、このプロセスが現実世界の土壌とどう相互作用するかは分からない。また、自分たちの観察結果が地域の大きさによって変化するかどうかも分からない。

つまり、ブラントリーの研究結果は、将来の強化風化研究に情報を提供できる可能性があるということだ。例えば、研究者に水資源が豊富な場所を指摘できる。強化風化をより効率的にするために、「同様のことをできるかもしれない」と示唆する良い参考になるかもしれない、とカラブレーズ氏は言う。

一方、ブラントリー氏は、風化促進作用よりも、風化の背後にいる他の要因、つまり生物に興味を持っている。生物は風化を促進することができる。微生物は周囲の鉱物を操作することができる。同時に、生物は風化を遅らせることもできる。たとえば、木は岩に根を張り、岩を安定させることができる。

ヒルトン氏は、地質学者は今こそ微生物が何をしているのかを研究すべきだと同意している。

「おそらく、この温度反応の一部を担っているのは彼らです」とヒルトン氏は言う。「ですから、彼らがどのように働き、機能しているかを理解することは非常に重要です。」