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オゾンことはじめ10 太古の海中のオゾン
太古には対流圏のオゾンの濃度が生命にとって非常に有害なほど高かったという話をしました。では海中の生命にはその影響はなかったのでしょうか?
対流圏のオゾンは当然海中にも溶け込むでしょう。

まず現在の海で考えてみます。
現在の海ではオゾンは海中に溶かしても、オゾンのままでとどまらず、海水に溶解している臭素イオン(Br-)と化学反応を起こして、臭素酸(HBrO3)や次亜臭素酸(HBrO)などに変わってしまうことが知られています。
現在の海水中の臭素イオンは0.0065%で一見少ないようですが、これはたった水深2cmの臭素イオンが海面上の対流圏の全てのオゾンと等モル反応(臭素イオン数=オゾン分子数 で反応)するほどの濃度です。(補足説明参照)
無論対流圏のオゾンの全てが海水に溶けるはずはないのですが、少なくも海面より海中に溶け込んだオゾンはすべてが、臭素酸(HBrO3)や次亜臭素酸(HBrO)などに変化してします、と考えて良さそうです。

太古の海ではどうだったのでしょうか? 同じように対流圏の空気から海に溶け込んだオゾンは全て臭素酸(HBrO3)や次亜臭素酸(HBrO)などに変化してしたのでしょうか。

ここで問題となるのは太古の海の臭素酸の濃度です。
海には塩素イオンやナトリウムイオンをはじめ各種のイオンが溶け込んでいます(補足説明の表参照)。
それらの組成は地球の歴史の中で変遷してきたと考えられていますが、その変遷の仕方には諸説があるようです。
(1)海水中のイオン濃度は海洋が出来た時から現在まで大きな変化はない。 
(2)海水中のイオン濃度は海洋が出来た時からある組成があり、それが徐々に増大してきた。
(3)海水中のイオン濃度はある時(6億年前?)に突然大きく増大した。

上記で(1)(2)の説によれば、生命誕生の時から海水中へのイオンの溶け込みはあった、という事で、恐らく臭素もあった、と考えられます。(3)の説にしても「ある時大幅に増大した」という事でその前にはイオンがなかったと言っているわけではありません。
生命誕生の時から臭素イオンが海中に存在したことを推定させるものとして臭素が生命の28番目の必須元素だという事です。次はWIKIPEDIAからの引用です。

WIKIPEDIAより
「機能は確認されていないが、アメリカ合衆国ヴァンダービルト大学のビリー・ハドソン博士らは、ミバエへの給餌実験で臭素を除いた餌を食べ続けたグループは死滅したが、通常通り臭素を含む餌を食べた対照グループは生き残ったことから、臭素が動物にとって28番目の必須元素であることを確認し、2014年に発表した」

上述のように現在の海に関して言えば海水中の臭素は溶け込んだオゾンの全てを臭素酸(HBrO3)や次亜臭素酸(HBrO)などに変化させるのに十分な量が存在します。太古の海では臭素イオンの濃度が小さく、海水中でオゾンと臭素酸、次亜臭素酸等が共存した時代があったかも知れません。

ところで海水中のそして臭素酸や次亜臭素酸は魚毒性があります。このことは「魚の養殖用の海水に殺菌の目的でオゾンガスを加えた結果、魚が死ぬことがある」という経験からわかってきたことのようです。現在では海水魚の養殖にオゾン殺菌を利用する場合には海水の殺菌の後に活性炭の層を通過させる場合が多いようです。それは海水中の臭素酸が、活性炭を通過することで臭素イオンに戻って無害になるためです。 
(なお、海老は臭素酸に比較的強いようで、海老の養殖用の海水を養殖池に引き込む前ににオゾンガスをバブリングし、そのまま活性炭も通過させずに養殖池に引き込んでいる例もあります。)

太古の海では対流圏のオゾン濃度が高く、したがって海の表面付近では臭素酸や次亜臭素酸の濃度も高く、魚たちにとっては嫌な場所だったかも知れません。

一方、魚介類が海水表面付近の臭素酸や次亜臭素酸の濃度の変化を季節の変化を知るためのシグナルとして認識していた(そして現在もしている)可能性があります。
これは地上の生命がオゾンの濃度の変化を季節のシグナルとして認識していた(そして現在もしている)可能性があるのと、同様です。

それを推定させる事実の一つは「アコヤガイ(真珠貝)の放卵促進に海水中へのオゾン曝露が有効である」という事です。 アコヤガイを養殖する海水中にオゾンをバブリングすると放卵が促進される、という事です。これは海水中に吹き込まれたオゾンから生成する臭素酸や次亜臭素酸が近々春が到来することをアコヤガイに告げるシグナル=環境ホルモンとして働いているという事です。無論これは仮説ですが、そのような可能性は十分あると思います。

(補足説明:海水の水深2cmまでの臭素イオンが海面上の対流圏全体のオゾンと等モルであることの説明
現在の海水のイオンと化学種の組成はWIKIPEDIAによれば次の表のようです。
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臭素イオンは質量で0.0065%です。これは1m3(約1トン)に65gの臭素イオンがあるという事です。
臭素の原子量は約80gですので65gは0.81モル(65÷80)に相当します。

一方対流圏の空気中のオゾン濃度は現状では0.03ppm程度でこれは1m3の空気中に0.03ccのオゾンという事です。1ccのオゾンは約2mgなので空気1m3中に0.06mgのオゾンがあります。オゾンの分子量は48gなので0.06mgは1.25×10のマイナス6乗モルです。

海中の臭素イオンと空気中のオゾンが等モルで反応すると、1m3の海水は650000m3の空気中のオゾンと反応することになります。ところで対流圏の最高部は11km上空と言われています。 それで海面の1平方メートルの面積の上方にある対流圏の空気の体積は11000m3となります。
650000m3の空気中のオゾンは1m3の海水中の臭素イオンと等モルですから、11000m3の空気中のオゾンは0.017m3(11000m3/650000)の海水中の臭素イオンと等モルです。
即ち水深0.017m≒2cmの深さの海水中の臭素イオンだけで海面上の対流圏のすべてのオゾンと等モルという事になります。)
by masaaki.nagakura | 2015-03-11 21:22 | オゾンことはじめ
オゾンことはじめ9 太古の海中での紫外線
地球の対流圏の酸素が20%近くに上昇するまでは地上のオゾンと紫外線が強くて、生命が陸に上がれなかった、という話をしました。では対流圏の酸素濃度が低かった太古の時代に、海中では生命へのオゾンと紫外線の影響はなかったのでしょうか?
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まず紫外線について考えてみます。普通に考えて、海には海水があるので紫外線がさえぎられるのではないかと思うでしょう。ではどの程度の深さで紫外線がどの程度弱まるかを検討してみます。

次の二つの図は水の光吸収スペクトルを示します。吸収スペクトルは横軸に光の波長を、縦軸に吸収係数をとったものです。この吸収係数が大きいほど光は吸収されやすくて、透過しにくくなります。

はじめの図は水(蒸留水)の吸収スペクトルで2番目には海水と蒸留水の比較示してあります。
2番目の図にみるように海水は蒸留水に比して吸収係数が大きいので透過されにくいという事です。ただしこれは現在の海について言えることです。太古の海はもっと澄んでいて、蒸留水に近かったかも知れません。
そこで太古の海の吸収係数を蒸留水と同じと仮定してみます。
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紫外線は波長が400nm以下の電磁波ですが生命に特に有害なのは350nm程度以下と考えられます。
上の1番目の図を見ると350nmでの吸収係数は0.0038(1/cm)程度です。
そしてそれより波長の短い紫外線の吸収係数はそれよりも大きいのです。したがって吸収係数を0.0038として海中での深さと、紫外線の透過率の関係を計算すると次の図のようになります。
(透過率=EXP(-αL)×100 ここにα(1/cm):透過係数 L(cm):透過距離=水深 )
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この図で見るように海中では10mも潜れば紫外線量は2%(50分の1)程度に減少してしまいます。
ですから海中では40億年も前の海でも10mより深い所では紫外線の害をこうむらないでいられたと考えられます。350nmより短い波長の紫外線は10mより浅い所で殆どなくなってしまいます。
紫外線は弱い(波長の長い)方から順にA波(UV-A)、B波(UV-B)、C波(UV-C)と分類されていますが、最も有害とされるC波は波長が200nm~280nmの領域の電磁波です。 この領域では吸収係数は上の1番目の図より0.01(1/cm)程度です。吸収係数を0.1(1/cm)として海中での深さと紫外線の透過率を計算すると、下の図のようになります。
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計算結果によると推進4mで2%(50分の1)となります。
太古の海の魚は浅い所に居続けない限り、強力な紫外線の影響をあまり受けないでいられたと考えられます。
by masaaki.nagakura | 2015-03-10 22:45 | オゾンことはじめ
私の旅15 房総の旅
去る2015年2月26日私が幹事となり、小川町飯田神社の総代7名で内房総に一泊の旅をしました。
宿泊先は内房線沿いの安房勝山の民宿「おしなや」。 宿に着く前に雨の中で河津桜を鑑賞です。
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「おしなや」は海の前です。
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夕飯は伊勢海老とアワビ他、海鮮料理、海を眺めながらの風呂も良かったです。
次は民宿のおかみさんにとってもらった朝食の風景。
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翌日は安房勝山から内房線で二つ千葉よりの駅の浜金谷へ。
ロープウェイで鋸山の山頂へ向かいます。
ロープウェイに向かう途中でわかめを干しているのに出会いました。私はわかめが大好きなので「こんなふうにしてわかめができているんだー」と感動です。
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ロープウェイで鋸山の山頂に登ると絶景の眺め。まず浜金谷の街を見下ろします。
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山と海と雲の壮大な眺めです。
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なにより雲の雄大さに見惚れました。
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また浜金谷の港を見下ろすと向こうに浜金谷から久里浜に向かうフェリーが見えます。
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私たちは先ほど山頂で話し合って、フェリーで帰ろうと決めばかりでしたので、そのフェリーの眺めにちょっとときめく思いがしました。
ロープウェイを降りて浜金谷の港に向かう途中でまたわかめにであい、今度は近接で撮影しました。
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さてフェリーは平日とあってがら空き。最前列で海を眺めながら、浜金谷の酒と蒲鉾、たこ焼きに舌鼓を打ちながら、しばし海の男のロマン(幻想)に浸りました。
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(上の写真の左の煙突は久里浜にある横須賀火力発電所とのこと)
by masaaki.nagakura | 2015-03-09 18:50 | 私の旅
小川町の人と自然71 鳥居の撤去作業
私の住んでいる小川町飯田には飯田神社と言う小高い山の上の神社があります。
私はその神社の総代(計9名)というのをおおせつかっています。
参道にある3つの鳥居の内の一つの根元が腐ってきていて、危険という事で、今日(3月8日)総代が撤去作業を行いました。
神主に祝詞をあげてもらってから撤去作業です。
安全に倒すために鳥居に綱をかけます。
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鳥居の根元をチェンソウで切ります。
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そして倒します。
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腐っていた方の柱の根っこです。思っていたより長い(90cm位ありそう)。
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もう片一方は見かけでは腐っていなかったのですが、根っこはこんな風。
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鳥居は柱と屋根と横棒(?)に解体できます。
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柱は玉切りにします。これはお祭りで燃やす予定。
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屋根は再利用も考慮して保管です。
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今後の鳥居の建て替えに関しては総代の間で意見がいろいろあります。
なお、過去の飯田神社の鳥居を調べてみると、20年に1回位の割で、建て替えをしてきたようです。
20年といえば伊勢神宮の建て替えの周期でもあり、この辺で建て替えよう、という神の意思かも知れない、などと話しました。
by masaaki.nagakura | 2015-03-08 12:24 | 小川町の人と自然
オゾンことはじめ8 対流圏のオゾン(7)生命の歴史との深い係わり.
対流圏のオゾンは地球上の生命の歴史と深い係わりを持っております。海に生命が誕生したのは40億年前と言われてますが、生命が海から陸に上がったのは数億年前です。
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なぜ生命はそんなに永い間陸に上がれなかったのでしょうか? 動物は酸素がないと生きられないので、空気中に酸素が増えて、ようやく陸に上がれたのだ、という理屈は一応成り立つかも知れません。
では、植物はどうなのでしょうか?
特に光合成をする植物は光と二酸化炭素と水蒸気が在れば生きて行けるので、もっと早くから地上に進出してもよかった筈です。
それを妨げていたのがオゾンとそれから紫外線と考えられるのです。次の図は対流圏の酸素濃度と地上でのオゾン濃度、および紫外線の関係を示したものです。それぞれ現状を1としてそれに対する比率で表しています。
例えば酸素濃度1%の時は地上でのオゾン濃度は現在の5倍位、紫外線強度は6倍位ありました。
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対流圏の酸素濃度が現在の20%くらいに上昇したのが、数億年前で、そのときにオゾン層が現在くらいに高くなり、地上の紫外線が少なくなり、オゾン濃度も下がって生命はようやく地上に上がれたというわけです。
ちなみにオゾンと紫外線の共存した環境は非常に酸化力が強く、その原理は半導体製造や水の浄化に応用させ始めています。


by masaaki.nagakura | 2015-03-04 23:18