技術文明は大気中の酸素に依存しているのか？

ほぼ 200 万年前、ホモ・エレクトスとして知られる直立した類人猿の種が火を利用し始めました。 それは、自然の火を利用する日和見的なユーザーから、火打ち石と石で炎を作り出すことができる達人になるまで、段階的なプロセスでした。 私たちは彼らの子孫です。 私たちは鍛冶場と窯、炉と家の生き物です。 火は私たちにとって非常に中心的な存在となっているため、ホモ・サピエンスの代わりに、私たちは自分たちを火を操る猿、ホモ・イグナスと呼ぶことができます。 火は私たちの文明の発展の中心です。 それは私たちの食べ物を調理し、私たちを暖かく保ち、そして私たちの夜を照らします。 これは興味深い疑問を引き起こします。 私たちは火のない文明を築くことができたでしょうか?

火災は酸素含有量が高い雰囲気でのみ発生します。 酸素濃度が約 18% 未満の雰囲気では、裸火を使用することはできません。 確実に点火するには、20% もの高いレベルが必要になる場合があります。 地球の大気中の酸素濃度は現在 21% ですが、ここ 2 億年ほどの間、酸素濃度は着実に 18% を超えています。 地球の歴史の大部分において、裸火は不可能でした。 そして地球は、太陽系の中で酸素濃度が高い唯一の惑星です。 したがって、惑星は宇宙によくあるものですが、火が存在する可能性のある惑星は稀である可能性があります。 文明が火を起こす必要がある場合、大気中の酸素がボトルネックになる可能性があります。

このボトルネックは、arxiv で発表された最近の研究の焦点です。 惑星が酸素の豊富な大気を持つための要件を調べたところ、その制約がかなり厳しいことが判明しました。 大気中に遊離酸素を生成する主な方法は 2 つだけです。 1 つ目は生物の起源であり、生物は光合成によって酸素を生成します。 2 つ目は、上層大気中の水蒸気が紫外線によって水素と酸素に分解される非生物的なプロセスです。

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この研究は、支配的なメカニズムが惑星の大きさと温度に依存することを示しています。 地球の温度では、遊離酸素を得るには生物が必要です。 しかし、惑星が小さすぎると、生命が生息できる十分な大気を保持できなくなり、大きすぎると、その大気は水素とヘリウムによって支配され、生物は18％の閾値を突破するのに十分な酸素を生成できなくなります。 したがって、地球温度の超地球の住人はおそらく裸火を持つことができないでしょう。

より高温の惑星では、非生物的メカニズムが優勢ですが、それは惑星が地球よりも大きい場合に限られます。 小さな熱い惑星には、大量の酸素を生成するのに十分なほど厚い水蒸気がありません。 金星はその良い例です。金星は生物的酸素にとっては暖かすぎますが、非生物的酸素にとっては十分な大きさではありません。 これは、酸素が豊富な大気を持つスーパーアースが見つかった場合、それは非生物的手段によって生じた可能性が高いことを意味します。 火を使って文明を築くなど、生物がその酸素を利用することはまだ可能だろう。

大気中の酸素の問題は複雑なので、この論文では実際の詳細には触れません。 その目的は、潜在的に居住可能な世界に火を起こす能力に対する制約を概説することです。 私たちが天上の生命を探すとき、居住可能な世界と文明化された世界を区別する必要があるかもしれません。

後者は、私たちがかつて期待していたよりもはるかにまれである可能性があります。

参照：バルビ、アメデオ、アダム・フランク。 「テクノスフィアの酸素ボトルネック」 arXiv プレプリント arXiv:2308.01160 (2023)。