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"The Earth: 4.6Ga of Solitude"

Cat: SCI
Pub: 1989
#: 9604

Takafumi Matsui

The Earth: 4.6Ga of Solitude
Sub Title
Beyond the theory of 'Gaia' (=biosphere )
Takafumi Matsui
  1. Planet of Water & Limestone:
  2. The oldest rock on the earth:
  3. Lunar rock:
  4. Lunar crater:
  5. Genesis of solar system:
  6. Collision of planetesimals:
  7. The first rainfall on the earth:
  8. Where has gone carbon dioxide?:
  9. Circulation of carbon dioxide:
  10. The case of Venus:
  11. The case of Mars:
  12. Birth of Life (Procaryote):
  13. Formation of Ozone Layer:
  14. Function of Coral:
  15. Feedback Mechanism of Environment:
  16. Ozone Hole:
  17. Habitable Earth:
  1. 水と石灰岩の惑星:
  2. 地球最古の岩石:
  3. 月の岩石:
  4. 月のクレーター:
  5. 太陽系の創造:
  6. 微惑星の衝突:
  7. 地球最初の雨:
  8. 二酸化炭素は何処へ?:
  9. 二酸化炭素の循環:
  10. 金星の場合:
  11. 火星の場合:
  12. 生命の誕生(原核生物):
  13. オゾン層の形成:
  14. 1サンゴの役割:
  15. 環境フィードバック機構:
  16. オゾンホール:
  17. ハビタブルな地球:
  • This book outlines 4.6 billion years (4.6Ga) history of the earth. The author, a famous geophysicist in Japan, describes this theme in a simple and enlightening expression.
  • Now we are encountering Information Age, usually called as the third industrial revolution. From when we should trace the root of this new age?; computer has only half a century history, telephone only a century, printing machine by Gutenberg four centuries, even Egyptian papyrus several thousand years ......
  • But our history surely began much earlier on this planet. Let's us ponder our real origin.
  • この本は、46億年の地球の歴史を概説している。著者は日本の著名な地球物理学者であり、このテーマを簡潔かつ啓蒙的な表現で記述している。
  • 今日、第三次産業革命と言われる情報化時代を迎えた。一体いつからこの新しい時代のルーツを考えればいいのか?コンピュータの歴史はわずかに半世紀であり、電話も1世紀に過ぎず、グーテンベルグの印刷術も4世紀、エジプトのパピルスでも数千年に過ぎない.
  • 我々の歴史はこの惑星上に確かにずっと早くから始まったのだ。今こそ真の起源を思い起こしたい。

>Top 1. Planet of Water & Limestone:

  • Limestone (calcium carbonate) as well as water are featured on the earth. Egyptian Pyramid was built by limestone distributed along the valley of Nile river. All ancient civilization are developed along limestone belt.
  • How the atmosphere covering the ancient earth mostly composed of carbon dioxide evolved into the present composition of nitrogen and oxygen?


  • 地球は水の惑星であると同時に石灰岩の惑星でもある。エジプトのピラミッドはナイル川流域の石灰岩で作られている。世界の古代文明は石灰岩の帯に属している。
  • かつて地球を包んでいた二酸化炭素の大気がどのようなプロセスを経て、窒素と酸素の大気に進化していったのか?

>Top 2. The oldest rock on the earth:

  • The oldest rock formed (=crystallized) about 3.8 billion years ago was found at the edge of ice sheet in Greenland, which is sedimentary rock; proving there was a land and a sea at that time.
  • We have already obtained sources of information about the ancient earth, which is meteorite preserving information of the primitive solar system. The age of meteorite was 4.6 billion years without exception.


  • 38億年前の岩石がグリーンランドの氷床の縁から見つかった。それは堆積岩であり、その時点で地球には既に陸と海が存在していた。
  • 原始の地球に関する情報源は、すでに入手している。それは原始太陽系の情報を保存している隕石である。隕石の年齢はほとんど例外なく46億年である。

>Top 3. Lunar rock:

  • Rocks sampled from the moon during 1970s lunar mission were all igneous rocks. The rock of dark basin called 'sea' was basaltic rock, and that of bright 'land' area was plagioclase-rich rock of 4.5 billion years ago.
  • This means, planets of the solar system were formed simultaneously about 4.6 billion years ago.
  • And how land and sea were formed during 800 million years after creation of the earth?


  • 1970年代に採取した月の岩石はすべて火成岩であった。月面の暗い海呼ばれる盆地は玄武岩質で、明るい陸と呼ばれる部分は45億年前の斜長岩質の岩石であった。
  • それは、太陽系の惑星がある時(46億年前)に同時に出来上がったことを示している。
  • そして、地球の起源から8億年の間にどのようにして陸と海が誕生したのであろうか?

>Top 4. Lunar crater:

  • The origin of craters on the moon was solved; it was collisions by meteorites. Because metamorphic rocks produced by high temperature and pressure are distributed around craters. Further, craters are randomly distributed quite unlikely of continuous distribution of volcanoes. The age of formation ranges between 4.0 - 4.6 billion years ago, which corresponds to the period of formation of primitive solar system.
  • On the earth, 126 craters are discovered as of 1988.


  • 月面のクレーターの成因にも終止符が打たれた。隕石衝突説である。理由は、クレーターの周辺に高温高圧の衝撃による変成岩が分布していること。またクレーターの分布もランダムで火山分布のような連続性が見られないという理由による。またその生成年代も40〜46億年前が多く、原始太陽系の形成時期に集中している。
  • 地球上にも126個(1988年現在)のクレーターが発見されている。

>Top 5. Genesis of solar system:

  • Supernova:
    4.6 billion years ago, a supernova with several time heavier mass than the sun exploded, leading interstellar material to compress by burst of its shock waves.
  • Compression process (lasts 1M yr):
    The primitive solar system quickened its compression, then producing opaque high temperature core which finally became the primitive sun.
  • Equilibrium process:
    The protosun reached dynamic equilibrium of inner pressure by high temperature gas and gravity, and halted further compression of gas, forming a spinning disk around it.
  • Condensation process (10K yr):
    First Ca and Al appeared, then Fe, Mg and silicate condensed, thereafter crystals of water, methane, ammonia precipitated, forming clumps of matter.
  • Birth of Planetesimals (10 yr):
    Deposited tiny particles aggregated and grew into planetesimals.
  • Evolution to planets (10-100M yr)
    Hundreds of planetesimals evolved into terrestrial planets by collision and accretion.


  • 超新星爆発:
  • 収斂過程(百万年):
  • 平衡過程:
  • 凝縮過程(1万年):
  • 沈殿過程(数千年):
  • 微惑星誕生(十年):
  • 惑星への成長(0.1〜1億年):

>Top 6. Collision of planetesimals:

  • More than a thousand planetesimals collided per year on the protoearth which grew half size of the present earth.
  • Such collision means not only merge of solid materials, but also emission process of volatile matter like water and carbon dioxide. Planetesimals contained about 1% of water in average.
  • Atmosphere of the protoearth contained 80% of water vapor and 20% of carbon dioxide, with more than 100 atm pressure in total.
  • Water vapor is much effective than carbon dioxide as green house effect.
  • Surface temperature on the protoearth was between start of melting of rocks (1,500 K) and completion of melting of rocks (1,700 K).
  • (The critical temperature of water under 200 atm was 650 K. If the temperature is below this, water vapor liquefies.)


  • 地球が現在の半分の頃の原始地球には年千個以上の微惑星が衝突した。
  • 衝突は、固体の合体だけでなく、揮発成分(水と二酸化炭素)の放出プロセスでもある。微惑星には平均1%程度の水を含んでいた。
  • 原始地球の大気は80%の水蒸気と20%の二酸化炭素などであり、大気圧は100気圧以上あった。
  • 温室効果としては、二酸化炭素よりも水蒸気の方が強力である。
  • 原始地球の地表温度は、岩石の溶け始め(1,500度K)と完全融解(1,700度K)の間であった。

>Top 7. The first rainfall on the earth:

  • The first rainfall hotter than 300 C poured on the earth, cooling the surface temperature, then causing more downpour, and finally making a sea on the earth.
  • Temperature of the first sea was hot about 150 C, showing strong acid, which was later neutralized by Ca, Mg and Na ions. Pressure of the atmosphere was 60 atm mainly composed of carbon dioxide.
  • Carbon dioxide partially dissolves in a sea, but the atmosphere remains several aim.
    (Carbon dioxide exists only 0.03% in the present atmosphere.)


  • 地球最初の雨は300度C以上の高温の雨が滝のように降り注ぎ、地表温度を下げ、更なる豪雨となり、かくして地球に海が誕生した。
  • 最初の海は150度C位の高温。最初は強い酸性だったが、まもなくCa, Mg, Naイオンによって中和された。大気は、60気圧もの二酸化炭素中心の組成となる。
  • 二酸化炭素はある程度海に溶け込む。それでも数気圧もある。(現在、二酸化炭素はわずかに0.03%)

>Top 8. Where has gone carbon dioxide?:

  • Part of carbon dioxide dissolved in a sea, and the other part moved as sedimentary rocks on the ocean floor, which drifted with the mantle convection current (much quicker than now), eventually erupted again as volcanic gas.
  • There is another function of a continent composed of granite (silica rich rock about 60-70%). Such granite rock is not discovered in other planets yet. (The origin of granite is still a lively topic.)
  • Basalt rock (40% silica) containing water remelted by volcanism triggered by a big crater and solidified as subterrain mass, eventually becoming core of continent about 2.5 billion years ago.
  • Carbon dioxide dissolved in a sea was deposited as calcium carbonate (limestone) bonded by Ca ion, which was later delivered to the edge of a continent by the ocean plate current, finally being submerged into mantle, leaving partial limestone attached to the continent.


  • 二酸化炭素の一部は海に融解し、別の一部は、原始地球のマントル対流(今よりも早いスピードでの)で、堆積岩となって海底を移動した。但し、再び火山ガスとして大気中に戻る。
  • そこで大陸の役割がある。大陸は花崗岩(ケイ酸分60-70%)から成る。この花崗岩は他の惑星には存在しない。(花崗岩の起源は論争中のテーマである。)
  • 水を含む玄武岩が、巨大クレーターに誘発された火山活動により、再び融け、それが地下で固化して花崗岩が作られた。そして25億年位前に浮き上がり、大陸の芯となった。
  • 海に溶け込んだ二酸化炭素は海中のCaイオンと結合して炭酸カルシウムとなり堆積した。それが海洋プレートの移動で大陸の縁まで運ばれ、マントル対流で地球内部に沈み込み、また一部の石灰岩は削りとられて大陸に付加した。

>Top 9. Circulation of carbon dioxide:

  • Carbon dioxide circulates among atmosphere, ocean, ocean floor and continent, leaving definite volume of carbon dioxide in the atmosphere, which controls surface temperature.
  • According to reverse calculation from the present earth, about 70% of limestone is left in a continent, while 30% is submerged into mantle, retuning again as volcanic gas.
  • From birth of the earth until 3.9 billion years ago, external effect like meteorite falls prevails, and until 3 billion years ago is transitional, thereafter inner effect like mantle convection current prevails.
  • Ecological factor has played as only micro adjustment factors during whole history.


  • 大気、海、海洋底、大陸の間で二酸化炭素が循環し、大気中の二酸化炭素量が決まり、地表温度がコントロールされる。
  • 現在の地球から逆算すると、石灰岩の70%位が大陸に付加し、30%位がマントル内に潜り込み再び火山ガスとして戻ってくる計算となる。
  • 地球誕生後39億年前頃までは隕石爆撃という外的要因が優勢だたが、その後30億年前頃までは競合的となり、30億年前以降は、マントル対流など内的要因が優勢となる。
  • 生態系の役割は、歴史的には地球環境のミクロなアジャストメントでしかない。

>Top 10. The case of Venus:

  • Venus (6,100 km in diameter) is similar size of the earth (6,400 km), but circulates nearer to the sun. Incoming ray from the sun is 1.9 times stronger than the earth. Though the protosun was 30% dimmer than now, the soaking ray was 34% stronger than the present earth.
  • If there were a sea on the Venus, water vapor would have been decomposed by ultraviolet rays and emitted to the space, finally causing to evaporate all waters in the sea.
  • We can calculate if the earth goes into only 5% inner orbit, which encounters the same fate of the Venus.
  • Conversely, it is possible to take 1.5 time exterior orbit apart from the sun to sustain the earth environment.


  • 金星(直径6,100km)はサイズ的には地球(6,400km)と近似しているが、太陽に近く、入射する太陽光は地球の1.9倍も強い。原始太陽は現在より30%光度は低かったが、それでも太陽光は、現在の地球より34%高かった。
  • 当初、金星にも海があったとしても、水蒸気は上空で紫外線に分解されて宇宙空間に飛び去り、ついには海は全部蒸発してしまう。
  • 計算によれば、地球の現在の距離の5%内側の軌道に入り込むと金星の運命となる。
  • 反面、外側には1.5倍程度太陽から離れても地球として存続可能である。

>Top 11. The case of Mars:

  • Mars (3,400 km) has only 11% of mass of the earth, which could not form water vapor rich atmosphere like the protoearth. Pressure of the atmosphere of the Mars is less than a thousandth of the the earth, allowing to remain limited ice on the polar regions.
  • Nevertheless the Mars will be the only planet for human beings to shift for alternative habitation in the space.


  • 火星(3,400km)の質量は地球の11%しかなく、地球のような原始水蒸気大気は形成されなかった。大気圧は地球の100分の1弱しかなく、水は極地に氷として存在するだけとなる。
  • それでも人類が宇宙へ移住するとすれば火星しかないだろう。

12. Birth of Life (Procaryote):

  • There appeared blue-green algae (cyanophyta) with the ability of photosynthesis about 3.5 billion years ago. Emitted oxygen was used to oxidize Fe ion in a sea. (Most of worldwide iron ore deposits were formed 2.5 - 2 billion years ago.) Then the sea was saturated by oxygen, accumulating in the atmosphere; the total volume of oxygen in the atmosphere became about 1% of the present level.


  • 約35億年前に光合成をおこなう藍藻が登場した。放出された酸素は、まず海中の鉄イオンなどを酸化する。(世界の鉄鉱床は25-20億年前に生成)やがて海から酸素があふれ出て大気中に蓄積し、現在の酸素量の1%位となる。

>Top 13. Formation of Ozone Layer:

  • Oxygen molecule in the atmosphere was decomposed into two oxygen atoms by ultraviolet rays, and became ozone composed of three oxygen atoms.
  • The ozone layer was made after 600 million years ago from when lots of organic fossils appeared, thereafter living creatures proceeded into land from 400 million years ago.


  • 大気中の酸素分子は紫外線で2個の酸素原子に分解され、再結合によって酸素原子3個のオゾンとなる。
  • 生物化石が多く現れる6億年前からオゾン層は形成され、4億年前には生物は陸上にも進出する。


14. Function of Coral:

  • Creatures making calcarious shells like coral and foraminifer propagated and their bodies became limestone which eventually consumed carbon dioxide.


  • サンゴや有孔虫など石灰質の殻を作る生物が繁殖し、その死骸は石灰岩となり二酸化炭素を消費した。

>Top 15. Feedback Mechanism of Environment:

  • When temperature of the surface raises, evaporation from sea increases, causing more rainfall and more reduction of carbon dioxide from the atmosphere. This decreases the green house effect, dropping ground temperature furthermore.
  • However, this environment maintenance mechanism functions in the time scale of several ten thousands to millions years.


  • 地表温度が上昇すると、海からの蒸発が増え、降雨量が増加し、大気中の二酸化炭素の除去量が増える。その結果、温室効果が小さくなり、地表温度が低下する。
  • 但し、これらの環境修復機構は数十〜数百万年のタイムスケールで機能する。

>Top 16. Ozone Hole:

  • Ozone hole above the south pole may give us much more serious problem than increase of carbon dioxide in the atmosphere. It is said only 1% decrease of ozone results 5 - 6% increase of skin cancer ratio. As ultraviolet rays reach until 10m beneath the sea level, ecological food chain may be destructed.
  • Destruction of ozone layer could pick a pinhole on a balloon of human civilization.


  • 南極上空のオゾンホールの問題は、大気中の二酸化炭素の増加よりも深刻な問題を引き起こす。オゾンの1%の減少は皮膚ガンの発生率を5〜6%増加させると言われる。紫外線は海面下10m位まで届くので、生態系の食物連鎖が崩れる可能性がある。
  • オゾン層の破壊は人間の文明に針の穴を開けたのかも知れない。

>Top 17. Habitable Earth:

  • Though it is a tiny scratch for the earth, it might be vital wound for the creatures living on it.


  • 地球にとってはささいな傷であってもそこに住む生物にとっては致命的なこともある。
  • >Top Agricultural Age necessarily promoted more desertification, while Industrial Age promoted increase of carbon dioxide in the air and disruption of ozone layer.
  • We are previewing the next Information Age now, however, can human civilization postpone the time of destruction?
  • <From 'Cosmos' by Carl Sagan>
  • The themes of space and time are intertwined. Worlds and stars, like people, are born, live and die. The lifetime of a human being is measured in decades; the lifetime of the Sun is a hundred million times longer.
  • Compare to a star, we are like mayflies, fleeting ephemeral creature who live our their whole lives in the course of a single day.
  • From the point of view of a mayfly, human beings are stolid, boring, almost entirely immovable, offering hardly a hint that they ever do anything.
  • From the point of view of a star, a human being is a tiny flash, one of billions of brief lives flickering tenuously on the surface of a strangely cold, anomalously solid, exotically remote sphere of silicate and iron.
  • 農耕時代が必然的に砂漠化をもたらし、工業化時代が大気中の二酸化炭素の増加とオゾン層の破壊をもたらした。
  • 我々は、次の情報化時代への移行を展望しているが、人類の文明は亡びの時を延期できるのだろうか?
  • <カール・セーガン著のコスモスより>
  • 空間と時間のテーマは織りなしている。世界も星々も我々も同様に生まれ、生き、そして死ぬ。人間の一生は数十年の単位であるが、太陽の一生はその1億倍も長い。
  • 星に比べれば、我々は蜻蛉のようなもので、全生涯をたった一日で過ごしてしまうようなはかない命である。
  • 蜻蛉の視点から見ると、人間は鈍感で退屈で、ほとんど動かず、およそ何かを行う気配すら見せないように見える。
  • 星の視点から見ると、人間は、妙に冷たく異常に固い遠くの離れたケイ酸と鉄の表面の上で、ちっぽけな閃光のような短い期間をちらちらと弱々しく生きている命に見える。

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