火星の海洋説

火星の海理論によれば、火星の地質学的歴史の初期には、火星の表面のほぼ3分の1が液体の水の海で覆われていたとされている。^{[2] [3] [4]}この原始の海は、古海洋^[1]またはオケアヌス・ボレアリス（/ oʊ ˈ s iː ə n ə s ˌ b ɒ r i ˈ æ l ɪ s / oh- SEE -ə -nəs BORR -ee- AL -iss）^{[5]と呼ばれ、およそ41億～38億年前に、北半球の}ヴァスティタス・ボレアリス盆地（惑星の平均高度より4～5km（2.5～3マイル）低い領域）を満たしていたとされる。この海の証拠には、古代の海岸線に似た地理的特徴や、火星の土壌と大気の化学的性質などがある。^{[6] [7] [8]}初期の火星では、表面に液体の水が残るためには、より濃い大気とより温暖な気候が必要だっただろう。^{[9] [10] [11] [12]}

1976年にバイキング探査機が示した地形から、極地近くにアラビアとデウテロニラスという、それぞれ数千キロメートルに及ぶ古代の海岸線が2つある可能性があることが明らかになった。^[13]現在の火星の地形におけるいくつかの物理的特徴は、太古の海が存在したことを示唆している。より大きな水路に合流する峡谷のネットワークは液体による浸食を意味し、地球の古代の川床に似ている。幅25km、深さ数百メートルの巨大な水路は、南部高地の地下帯水層から北部低地へと水の流れを導いていると思われる。 ^{[9] [4]}火星の北半球の大部分は、火星の他の部分よりもかなり低い標高に位置しており（火星の二分法）、異常に平坦である。

これらの観察により、多くの研究者がより古い海岸線の残骸を探すようになり、そのような海がかつて存在していた可能性がさらに高まりました。^[14] 1987年、ジョン・E・ブランデンバーグは、彼が古海洋と名付けた原始的な火星の海の仮説を発表しました。^[1]この海洋仮説が重要なのは、過去に大規模な液体の水が存在していたことが、火星の古代の気候、居住可能性、そして火星の過去の生命の証拠の探索に大きな影響を与えたと考えられるためです。

1998年から、科学者のマイケル・マリンとケネス・エジェットは、バイキング宇宙船の5～10倍の解像度を誇るマーズ・グローバル・サーベイヤーに搭載された高解像度カメラを使って、科学文献で他の研究者が提唱する海岸線を検証する場所の調査に着手した。 ^[14]彼らの分析はせいぜい決定的なものではなく、海岸線の標高は数キロメートル変化し、数千キロメートルにわたってある山頂から次の山頂へと上がったり下がったりしていると報告した。^[15]これらの傾向は、その特徴が本当にはるか昔に消滅した海岸を示すものなのかどうか疑問を投げかけ、火星の海岸線（および海洋）仮説に反する議論として受け止められている。

1999年に火星のすべての部分の高度を正確に測定した火星探査機レーザー高度計（MOLA）は、火星の海の境界が惑星の4分の3を覆うことを発見しました。[ 16 ^]ヴァスティタス・ボレアリスの標高2400メートル以下のクレーターの種類のユニークな分布は、 2005年に研究されました。研究者は、浸食には大量の昇華が関与しており、その場所の古代の海は6 x 10 ⁷ km ³の体積を占めていたと示唆しています。^[17]

2007年、テイラー・ペロンとマイケル・マンガは、火山活動による質量の再分配によって生じた真の極移動を調整した後、1987年にジョン・E・ブランデンバーグによって最初に提唱された火星の古海岸線^[1]がこの基準を満たすという地球物理学的モデルを提唱した。^{[18]このモデルは、これらの波打つ火星の海岸線は}火星の自転軸の動きによって説明できることを示している。遠心力により、回転する物体や大きな回転物体は赤道で膨らむ（赤道隆起）ため、極移動によって、観測されたものと同様の方法で海岸線の標高がシフトした可能性がある。^{[13] [19] [20]}彼らのモデルは、火星の自転軸が地殻に対して移動した原因を説明しようとはしていない。

2009年に発表された研究では、これまで考えられていたよりもはるかに高い水路密度が示されています。火星で谷が最も多い地域は、地球で見られるものと匹敵します。この研究では、チームは地形データでU字型構造を検索して谷を特定するコンピュータープログラムを開発しました。^[21]大量の谷ネットワークは、過去に火星に雨が降ったことを強く裏付けています。火星の谷の世界的なパターンは、北の大きな海で説明できます。北半球に大きな海があることで、谷ネットワークに南限があることが説明できます。火星の貯水池から最も遠い南端の地域では、降雨量が少なく、谷は発達しません。同様に、降雨量の少なさは、火星の谷が北から南に向かって浅くなる理由を説明します。^[22]

2010年に行われた火星のデルタに関する研究では、そのうち17が火星の海の海岸線とされる高度で発見されたことが明らかになった。^[23]デルタがすべて大きな水域に隣接していた場合、このような高さになると考えられる。^[24] テキサスの惑星会議で発表された研究によると、ヒパニス・ヴァレス扇状地複合体は、複数の水路とローブを持つデルタであり、大きな水域の縁に形成されたと示唆されている。その水域は北の海であった。このデルタは、クリセ平原付近の北部低地と南部高地の二分境界にある。^[25]

2012年に発表された研究は、火星探査機マーズ・エクスプレスに搭載されたレーダーMARSISのデータを使用しており、北半球に巨大な海洋が存在しなくなったという仮説を裏付けている。この機器は、表面の誘電率が低密度堆積物、大規模な地表氷床、あるいはその両方の組み合わせに似ていることを明らかにした。測定値は溶岩の多い表面のものと似ていなかった。^[26]

2015年3月、科学者らは、おそらく火星の北半球に、地球の北極海と同程度の量の海を形成していた可能性のある古代の水の証拠が存在すると発表した。 [ ^{27] [28]}この発見は、現代の火星大気中の水と重水素の比率を、地球で発見され望遠鏡による観測から得られた比率と比較したものである。火星の極地堆積物には地球上の8倍の重水素が存在すると推定され（VSMOW）、古代の火星にははるかに高いレベルの水があったことを示唆している。地図から得られた代表的な大気の値（7 VSMOW）は、局所的な探査車によって測定されたものほど気候学的影響を受けないが、望遠鏡による測定値は、ゲイルクレーターでキュリオシティ探査車によって測定された5～7 VSMOWの濃縮度の範囲内である。^[29] 2001年にNASAの遠紫外線分光探査機が行った火星上層大気中の 水素分子と重水素の比率の調査では、原始火星には豊富な水源があったことが示唆された。^[30] 火星の大気がかつてより厚く、海があった可能性が高いことを示すさらなる証拠は、火星軌道から測定を行っているMAVEN探査機から得られた。サイエンス誌に掲載された論文の筆頭著者であるブルース・ジャコスキー氏は、「火星の大気中にかつて存在していたガスのほとんどが宇宙に失われたと判明した」と述べた。^[31] この研究は、アルゴンガスの2つの異なる同位体に基づいていた。^{[32] [33]}

火星の太陽中心から 1.4～1.7 AU の距離で水を液体にするには、高い温室効果が必要であることを考えると、この水がどのくらいの期間液体であったかは未だ不明です。現在では、峡谷は水で満たされ、ノアキアン期の終わりには火星の海は消滅し、表面は約 4 億 5000 万年間凍っていたと考えられています。その後、約 32 億年前に、峡谷の下の溶岩が土壌を加熱し、氷の物質を溶かし、数百キロメートルに及ぶ地下河川の広大なシステムを形成しました。この水は、現在では乾燥した表面に大洪水となって噴出しました。^[4]

広大な北の海があったことを示す新たな証拠が2016年5月に発表された。大規模な科学者チームが、イスメニウス湖四角形の表面の一部が2回の津波によってどのように変化したかを説明した。津波は小惑星が海に衝突したことによって引き起こされた。どちらも直径30kmのクレーターを作るほどの強さだったと考えられている。最初の津波は車や小さな家ほどの大きさの岩を持ち上げて運び去った。波の引き波が岩を再配置して水路を形成した。2回目は海面が300m下がったときに到来した。2回目は谷に落ちた大量の氷を運び去った。計算によると、波の平均高さは50mだったが、高さは10mから120mまで変化した。数値シミュレーションは、この特定の海域では3000万年ごとに直径30kmの衝突クレーターが2つ形成されることを示している。ここで示唆されているのは、北の大海が何百万年も前から存在していた可能性があるということだ。海が存在しなかったとする議論の1つは、海岸線の特徴が欠けているということである。これらの特徴は、これらの津波によって洗い流された可能性がある。この研究で調査された火星の部分は、クリセ平原とアラビア大陸北西部である。これらの津波は、イスメニウス湖四角形とアキダリウム海四角形の一部の表面に影響を与えた。^{[34] [35] [36]}ロモノソフクレーターを形成した衝突は、津波の波源である可能性が高いことが確認されている。^{[37] [38] [39]}

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  HiRISEが捉えた津波の引き波によってできた溝。津波はおそらく小惑星が海に衝突したことによって引き起こされた。
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  HiRISE が捉えた、津波によって持ち上げられ、運ばれ、落下した岩。岩の大きさは車と家屋の中間くらいです。
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  HiRISEが捉えた、津波によって浸食された流線型の岬。

2017年に報告された研究では、火星の谷網、流出路、デルタ堆積物の発達に必要な水の量は、火星の海の体積よりも多かったことが判明しました。火星の海の推定体積は、3メートルから約2キロメートルGEL（全球等価層）の範囲です。これは、火星に大量の水があったことを示唆しています。^[40]

2018年、科学者チームは火星の海はタルシスの成長以前かそれと同時に、非常に早い時期に出現したと提唱した。このため、海の深さはこれまで考えられていた深さの半分しかない。タルシスの全重量で深い盆地ができたはずだが、タルシスの質量が深い盆地を形成する前に海ができたとしたら、必要な水ははるかに少なくて済むだろう。また、タルシスはまだ成長を続けており、その結果、海盆の深さが変化するため、海岸線は規則的ではないだろう。タルシスの火山が噴火すると、大気中に大量のガスが放出され、地球温暖化を引き起こし、液体の水が存在するようになった。^{[41] [42] [43]}

2019年7月、火星に古代の海が存在したという説が支持され、その海はロモノソフクレーターを形成した隕石の衝突によって生じた巨大津波によって形成された可能性があると報告された。^{[44] [45]}

2022年1月、火星の30億年前の気候に関する研究では、海洋は安定しており、水循環は閉じていることが示されています。^[46] 彼らは、氷河の氷の形で氷に覆われた高地から海洋への水の戻りの流れは、最終氷期極大期の地球よりも小さいと推定しています。このシミュレーションには、初めて海洋の循環が含まれています。彼らは、海洋の循環が海洋の凍結を防ぐことを実証しています。これらはまた、シミュレーションが古代の氷河谷として特定された観測された地形学的特徴と一致していることも示しています。^[要出典]

2022年に地球物理学研究ジャーナル「惑星」に発表された論文の中で、ベンジャミン・T・カルデナスとマイケル・P・ラムは、堆積物の蓄積の証拠は火星が遠い昔に広大な北の海を持っていたことを示唆していると主張した。^[47]

火星の表面に液体の水が存在するには、より暖かく厚い大気が必要である。現在の火星表面の大気圧は、最も低い高度でのみ水の三重点（6.11 hPa）を超える。より高い高度では、純粋な水は固体または蒸気としてのみ存在できる。表面の年間平均気温は現在 210 K（-63 °C/-82 °F）未満であり、液体の水を維持するために必要な温度より大幅に低い。しかし、火星の歴史の初期には、表面に液体の水を保持するのにもっと適した条件があった可能性がある。

初期の火星には、現在の地球（1000 hPa）と同程度の厚さの二酸化炭素大気があった。^[48]初期の太陽は弱かったが、厚い二酸化炭素大気による温室効果は、少量のメタン^[49]や二酸化炭素氷雲の断熱効果^[50]によって強化されていれば、平均表面温度を水の凝固点以上に温めるのに十分であっただろう。大気はその後、風化による炭酸塩の形で地中に隔離されたこと^[48]や、スパッタリング（火星の強力な磁気圏の欠如による太陽風との相互作用）による宇宙への損失によって減少した。^{[51] [52]}マーズ・リコネッサンス・オービター による砂塵嵐の研究では、火星から失われた水の10パーセントは砂塵嵐によって引き起こされた可能性があることが示唆された。砂塵嵐は水蒸気を非常に高い高度まで運ぶことが観察された。太陽からの紫外線は光解離と呼ばれるプロセスで水を分解します。その後、水分子から水素が宇宙に逃げていきます。^{[53] [54] [55]}

火星の黄道傾斜角（軸の傾き）は地質学的時間スケールで大きく変化し、惑星の気候条件に大きな影響を与えます。^[56] 2022年のシュミットらの研究では、海洋の循環が黄道傾斜角の影響を最小限に抑える傾向があることが示されています。^[57]言い換えれば、循環する海洋は、黄道傾斜角の影響を打ち消すために、最も暑い地域から最も寒い地域（通常は中緯度から極）に熱を輸送します。

化学を考慮すると、北大洋の特性についてさらに詳しく知ることができます。火星の大気は主に二酸化炭素で構成されているため、海洋堆積物の残余物として表面に炭酸塩鉱物の証拠が多数見つかると予想されます。炭酸塩の豊富さは、火星宇宙探査ではまだ検出されていません。しかし、初期の海洋が酸性であった場合、炭酸塩は形成されなかったでしょう。^[58] 2つの着陸地点の土壌中のリン、硫黄、塩素の正の相関関係は、大規模な酸性貯留層で混合されたことを示唆しています。^[59] TESによって検出されたヘマタイトの堆積物も、過去に液体の水があった証拠であると主張されています。^[60]

火星に広大な原始の海があったとする説を考えると、その水の運命には説明が必要である。火星の気候が寒冷化すると、海の表面は凍ったはずである。ある仮説では、海の一部は、平坦な北部平原であるヴァスティタス・ボレアリスの岩、瓦礫、塵の薄い層の下に埋もれて凍ったままであるとされている。^[61] また、水は地下の氷圏に吸収された可能性もある^[3]し、昇華によって大気圏に失われ、最終的には大気圏のスパッタリングによって宇宙に放出された可能性もある。^[51]

火星に原始的な海が存在したかどうかは、科学者の間で議論の的となっている。火星探査機「マーズ・リコネッサンス・オービター」の高解像度画像科学実験（HiRISE）は、古代の海底の場所で大きな岩を発見したが、そこには細かい堆積物しか含まれていないはずである。^[62]しかし、この岩は地球上では一般的なプロセスである氷山によって落下した可能性がある。 ^{[63] [64]}いくつかの特徴を古代の海岸線と解釈することは、疑問視されてきた。^{[65] [66] [67]}

2021年9月に発表された、さまざまな天体の岩石に含まれるカリウム同位体を比較した研究では、火星の表面重力は低すぎて、大きな海を形成するのに十分な水を保持できなかったと提案されています。^[68]

地表の溝や水路の形成に関する他の理論としては、風食、^[69]、液体二酸化炭素、^[9]、液体メタノールなどがあります。^[60]

火星の海仮説の確認または反証は、将来の火星探査ミッションによる追加の観測証拠を待つことになる。

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