地球史を通じた大気酸素濃度上昇と気候安定性に関する理論的研究

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本年度はまず、全球炭素循環の調節作用が働く長期的な系の変化に伴う海洋の栄養塩循環および大気の応答を取り扱う理論モデルを開発し検討を行った。その結果、大気中の二酸化炭素およびメタンの混合比の変化に対して河川からのリン供給速度が異なる応答を示すこと、初期地球における大陸地殻成長は非酸素発生型光合成生物の活動次第で大酸化イベントもしくは炭化水素ヘイズ層の形成を引き起こしうることなどを明らかにした。この成果は投稿論文として出版済みである。次に、前年度に開発を進めた地球システムボックスモデルの海洋部を改良し、酸化還元敏感微量元素である鉄と海洋物質循環、気候や大気組成の応答の時間発展的挙動を取り扱うことを可能にした。海洋化学循環系の挙動について多くの新たな知見が得られる見込みが立ったため、前年度進めた大気光化学ボックスモデルを用いる代わりに大気光化学反応系についてのパラメタリゼーションを用いる手法を採用し、鉄と酸素発生型光合成生物の活動の関係性の検討に注力した。その結果、海洋鉄循環系の大気酸素濃度上昇への応答は大酸化イベント発生後に鋭敏となること、それに伴い溶存鉄の海洋からの除去プロセスが海洋表層水における非酸素発生型光合成生物の活動から深層水における酸化反応へと遷移するなどの新たな知見を得た。これは太古代に多量に埋没した鉄を多量に含む堆積物である縞状鉄鉱床の埋没量が、大酸化イベント後に激減した一因であると考えられる。さらに、前年度に開発を進めた酸素発生型光合成生物登場後の条件に適応可能な大気光化学-海洋微生物生態系結合モデルを用いて大酸化イベントの発生条件を調べたほか、大酸化イベント発生前に大気への酸素供給速度がメタン供給速度を上回ると、大気メタン混合比の低下に伴い、水素、一酸化炭素の混合比が低下し、それらを電子供与体として用いる生物活動が低下することなどを定量的に明らかにした。