講義補足メモ

2-2 星（恒星）の輪廻と元素の起源

野本憲一編「元素はいかにつくられたか」（岩波講座 物理の世界）

8-10 Msun の星

外層が失われる場合

O + Ne + Mg 白色矮星が残る

外層が失われない場合

H, He の燃焼が続き、O + Ne + Mg コアの質量が増えてゆくと、今度は Ne, Mg の電子捕獲反応が出てくる。 すると、急速に重力収縮が進む。そうして高密度になると、酸素が爆発的に燃焼する。 そのあとは、さらに重力崩壊が進んで超新星爆発を起こし中性子星が残るシナリオと、雲散霧消するシナリオが 考えられる。1054 年の「かに星雲」を作った超新星爆発は前者のシナリオでできたと考えられている。

10-40 Msun の星

C + O コアができて以降は、ニュートリノが星のエネルギーを急速に持ち去るようになる。 そのため、⁵⁶Fe ができた後も重力収縮が続く。そして、星の中心が非常に高温になると、 原子核の光分解が起こり、急速な重力崩壊が起こり、やがて超新星爆発が起こる。ただし、 爆発のメカニズムは理論的にはまだ十分には解明されていない。

8-20 Msun の星では、後に中性子星が残る。> 20 Msun の星では、後にブラックホールが残る。

>〜 30 Msun の星では、極超新星爆発が起こり、γ線バーストを伴うことが多い（伴わないものもある）。 γ線バーストは、一説では、ブラックホール降着円盤に伴うジェットで説明される。 〜20 Msun の星では、その小型版で、Ｘ線フラッシュを伴うことがある。

> 40 Msun の星

2-5 太陽系の構成と大きさ

2-5 太陽系の形成

参考：岩波講座地球惑星科学１２「比較惑星学」第３章「比較惑星系形成論」pp.223-226

原始惑星（暴走成長した微惑星の成長がいったん落ち着いた状態）の間隔は、 「軌道反発」効果により、だいたい Hill 半径の 10 倍くらいになる。 Hill 半径は、軌道長半径に比例するので、このことだけからも太陽から遠いほど 大きな原始惑星ができることが推測できる。もうちょっと定量的に考えてみよう。

林モデルでは、ダストの面密度は、

Σ_d = Σ_E (a/a₀)^-3/2（地球領域）
Σ_d = Σ_J (a/a₀)^-3/2（木星領域）

原始惑星の軌道間隔は f r_H になるものとする。ここで f は 10 程度の定数で、

r_H = (M/3Msun)^1/3 a

M = Σ_d (f r_H) (2 π a)

以上の３つの式から、Σ_d と r_H とを消去すると、

M/M_E = (2 π)^3/2 3^-1/2 f ^3/2 (a/a₀)^3/4 (M_E / Msun)^1/2 (Σ_E a₀² / M_E )^3/2 （地球領域）
M/M_E = (2 π)^3/2 3^-1/2 f ^3/2 (a/a₀)^3/4 (M_E / Msun)^1/2 (Σ_J a₀² / M_E )^3/2 （木星領域）

M/M_E = 0.09 (a/a₀)^3/4 （地球領域）
M/M_E = 2.9 (a/a_J)^3/4 （木星領域）

というわけで、木星は地球よりも太陽から遠いこと（a_J > a₀）と、 木星領域には氷成分が凝結していること（Σ_J > Σ_E）から、 地球領域よりも木星領域の方が原始惑星のサイズが数十倍大きくなることが分かる。

2-5 太陽系の形成, 5-3 生命の誕生

title/chapter	内容
title1	本編
chapter1	タイトル
chapter2	導入部：シリーズ全体の概観
chapter3	山崎努：進化カレンダー
chapter4	海に覆われた原始惑星（ミニ惑星） →地球型惑星の形成 [出演：小久保英一郎]
chapter5	giant impact と月の形成 →火星はミニ惑星の生き残り（荒涼とした星） →地球には海ができたことが生命を育んだ [出演：小久保英一郎]
chapter6	Greenland, Isua, 38 億年前の岩石 →生命の痕跡（炭素の粒子） →当時の生命の想像図 [出演：ミニック・ロージング]

3-5 [2004,2005,2009 年版] 火星

Suppl 3-5-1. 火星の極冠が主に water ice であることについて

• 初めは極冠は water 氷だと思われていた
• 1969 年の Mariner 7 の観測で、seasonal caps は CO₂ 氷 であることがわかった。
• 1970 年代後半の Viking の観測で、北極 perennial cap は water 氷、 南極 perennial cap の表面は CO₂ 氷であることがわかった。 そこでこれ以降、南極冠の water ice と CO₂ ice の割合が 問題になる。
• Mars Global Surveyor の高度計から得られた地形の解析から、 CO₂ 氷では極冠の形状を支えられないことがわかった。 [J.F. Nye et al. (2000) Icarus, 144, 449-455]
• Mars Odyssey Gamma Ray Spectrometer (GRS) から極冠の表面 1 メートル 以内にかなりの水素原子があることがわかった。それはおそらく water ice である。[W.V. Boynton et al. (2002) Science, 297, 81-85]
• Mars Odyssey Thermal Emission Imaging (THEMIS) から、南極冠の 縁辺部には water ice が露出している。計算機モデリングからも 南 perennial ice cap の大部分は water ice で、薄く CO₂ ice で覆われていると考えないといけないことがわかった。 [T.N. Titus et al. (2003) Science, 299, 1048-1051; S. Byrne and A. Ingersoll (2003) Science, 299, 1051-1053]
• GRS 中性子スペクトルから、CO₂ と水の量比にある程度制約が かけられる。[T.H. Prettyman et al. (2004) JGR, in press]
• Mars Express の OMEGA 観測機器の赤外反射スペクトルから、南極冠 およびその周辺領域で water ice を見つける。clathrates もあるかも しれない。[J.-P. Bibring et al. (2004) Nature, 428, 627-630]

Suppl 3-5-2. 火星の岩石や表面を覆う soil について

岩石や soil

内容のまとめ：

• 火星の表面の岩石や soil はほとんど tholeiitic basalt である。 というわけで、これまでのところマグマ生成に水が関与したというはっきりした証拠はなさそう。
• 以前は andesite が見つかったとされ、水を伴う火星活動の証拠とされたこともあったが、 表面付近の風化のせいという線が濃厚。
  • Pathfinder の rover が調べた石は andesite に見えたが、 他のデータと一致しないので、むしろ表面の風化のせいでそうみえただけかもしれない。
  • Mars Global Surveyor の thermal emission spectrometer だと、 安山岩質で calc-alkaline ということになっていたが、他のデータと一致しないことから、 表面の変質を見ている可能性が高い。
• 火星隕石の組成は典型的な地殻とは異なる。Gusev crater で rover が調べた石の方が 典型的だと考えられるが、それは地球の玄武岩の組成と変わらない。 火星隕石は結晶化年代が新しい（14億年前より新しい）ので、多くの地殻とは異なる状況で できたのではないだろうか。

Bertelsen, P. et al. (2004)
Magnetic properties experiments on the Mars exploration rover Spirit at Gusev crater [report]
Science, 305, 827-829, doi:10.1126/science.1100112 (2009, 8 May)

内容のまとめ：
火星の dust 粒子や岩石がどのくらい磁石にくっつくかを調べた。すると、 a few % 程度のフェリ磁性の粒子（magnetite か maghemite）を含んでいそうで あることがわかった。逆に磁性の小さい粒子はあまり存在しないようだ。

soil

Suppl 5-2-1. 二酸化炭素やメタンの生成エネルギーのデータ源

一酸化炭素：C + (1/2) O2 → CO + 110.5 kJ/mol (ΔH at 10^5Pa, 25℃)
                                 137.2 kJ/mol (ΔG at 10^5Pa, 25℃)
                         S0(標準エントロピー) = 197.56 J/K/mol
二酸化炭素：C + O2 → CO2 + 393.5 kJ/mol (ΔH at 10^5Pa, 25℃)
                            394.4 kJ/mol (ΔG at 10^5Pa, 25℃)
                         S0(標準エントロピー) = 213.6 J/K/mol
メタン：C + 2 H2 → CH4 + 74.85 kJ/mol (ΔH at 10^5Pa, 25℃)
                          50.84 kJ/mol (ΔG at 10^5Pa, 25℃)
                         S0(標準エントロピー) = 186.3 J/K/mol
エタン：2 C + 3 H2 → C2H6 + 84.68 kJ/mol (ΔH at 10^5Pa, 25℃)
                             32.93 kJ/mol (ΔG at 10^5Pa, 25℃)
                         S0(標準エントロピー) = 229.5 J/K/mol
水：H2 + 1/2 O2 → H2O(l) + 285.83 kJ/mol（ΔH at 10^5Pa, 25℃)
                          + 237.2 kJ/mol  (ΔG at 10^5Pa, 25℃)
                         S0(標準エントロピー) = 69.9 J/K/mol

酸素がたくさんある環境では、炭素は二酸化炭素になりやすく、
水素がたくさんある環境では、炭素はメタンになりやすい。
単体は H, O などがあると安定ではない（H2O, CO2 or CH4 を作って、 なお C が余る状況が必要だが普通は起こらない）。

講義ノート本文中の反応熱はこれから計算した。

5-3 生命の誕生, 5-4 光合成と酸素の発生

title/chapter	内容
title1	本編
chapter1	画像とタイトル
chapter2	導入部：酸素のある大気
chapter3	オーストラリアのストロマトライト 5-16分：ハメリンプールのストロマトライト 16-22分：ノースポールの世界最古の化石とストロマトライト [世界最古の化石のそばにストロマトライトがあることから、 かなり古くから光合成があったと主張している。 あやしいので講義では使わない。]
chapter4	生命誕生の場 22-23分：導入 23-26分：イエローストーン。スルフォロバスなどのバクテリア 26-27分：アルビン号による海底探査。熱水噴出孔の生命 27-30分：細胞状構造をつくる実験
chapter5	生命進化のシナリオ 30-32分：生命進化のシナリオの解説 32-36分：グレートスレーブ湖の大量のストロマトライト化石
chapter6	BIF の形成 39-47分：ハマースレーの巨大鉄鉱床 47分-：エピローグ

5-4 光合成と酸素の発生

Suppl 5-4-1. 酸素急増の年代

• 25-20 億年前に大規模に縞状鉄鉱床ができた
• 22 億年前以降、赤色土壌ができるようになった
• 19 億年前の地層から真核生物「グリパニア・スピラリス」の化石が発見された。 酸素呼吸を行っていたとすると、酸素濃度は現在の少なくとも１００分の１以上だったはず。
• 22.2-20.6 億年前の地層に炭素同位体比の大きな正異常がある。 (1996 年の発見。その後、正異常は何回か繰り返されたらしいという証拠もでてきた。）

5-5 大量絶滅と生命の進化

title/chapter	内容
title1	本編
chapter1	画像とタイトル
chapter2	恐竜の世界 2-4分：カナダのバッドランド―恐竜の谷 4-6分：恐竜のいろいろ
chapter3	6-8分：恐竜絶滅事変の導入
chapter4	恐竜の生きていた環境を現在から想像する 8-14分：ガラパゴス諸島のイグアナの世界 14-16分：バッドランド（カナダ）の植物化石から当時が温暖だったことが分かる 16-17分：オーキフェノーキー（アメリカ）の温暖な環境は中生代に似ている
chapter5	K/T境界の黒い地層とイリジウム 17-19分：恐竜絶滅説のいろいろ 19-21分：スチーブンス・クリント（デンマーク）の K/T 境界の地層 [ここでは、K/T クレータが未発見ということになっている。 講義の時は Chicxulub クレータの話をする] 21-23分：浦幌町（北海道）：日本にも K/T 層がある 23-26分：UC Berkeley におけるイリジウムの発見 26-28分：Ir の説明、Ir が K/T にあることの意味
chapter6	隕石衝突による絶滅のシナリオ 28-30分：隕石衝突の説明― 10km の隕石が落ちてきた 30-32分：カラバカ（スペイン）で、玄武岩起源のマイクロテクタイトが見つかったことから、隕石が海に落ちたと考えられる 32-33分：K/T 層の石から火災による煤が見つかる 22-40分：大量絶滅のシナリオのイメージ映像： 火災→粉塵発生→衝突の冬 →水蒸気による超温暖化
chapter7	隕石衝突はいつでも起きうる 40-42分：衝突による絶滅のまとめ 42-45分：パロマ山天文台、小惑星監視（Shoemaker 先生登場） 45-46分：隕石が地球をかすめて飛んでいったことが目撃された映像 46-47分：月のクレーターが衝突痕であることについて 47分-：エピローグ

6-2 二酸化炭素と温室効果

Suppl 6-5-1. 二酸化炭素以外の温室効果ガス

CO₂ : CH₄ : N₂O : フロン = 1 : 10¹ : 10² : 10⁴

Suppl 7-3-1. 中学校理科教材ビデオ「地震と災害」内容

時間	内容
0:00-2:00	根尾谷断層館
2:00-2:30	濃尾地震
2:30-3:00	タイトルとイントロ
3:00-7:30	プレートテクトニクスと地震
7:30-9:00	震度と地面の揺れ方
9:00-12:00	P 波と S 波
12:00-15:40	津波（岩手県田老町の例）
15:40-19:00	火山（伊豆大島の例）
19:00-20:00	エピローグ

7-5 日本の内陸地震と活断層

Suppl 7-5-1. 日本の内陸地震のマグニチュード

Suppl 7-6-1. 東海テレビ「巨大地震！これだけの危険 東海地震被害予測」内容

時間	内容	内容内訳
0:00-4:00	はじめに
4:00-22:00	建物倒壊	4:00-11:00 木造家屋倒壊実験＋α 11:00-14:00 鉄筋建の場合 14:00-22:00 福和先生の解説
24:30-34:30	火災
36:30-50:30	液状化
50:30-70:40	津波	50:30-54:30 スマトラ地震津波（現在の映像と当時の映像） 56:00-58:30 東南海地震のときの津波 58:30-63:00 津波の実験と解説 65:00-70:40 福和先生の解説
70:40-83:00	最新の耐震建築技術
85:00-	おわりに