高校地学基礎 太陽系と地球の誕生—惑星の形成と内部の分化を順序立てる｜武蔵野個別指導塾

微惑星の集積から地球内部の分化、海の形成まで、順を追って学ぶのが太陽系の誕生です。

よくあるのは、惑星を比べる表を前に、高校生が大きさの列だけを見て種類を決めようとする場面です。惑星の特徴は大きさだけではありません。主な物質や密度、太陽からの位置も合わせて見ると、分類の理由を言葉にできます。まず学校の範囲表と授業ノート、ワークや小テストの該当箇所で、授業で使った用語と扱う惑星を確認しましょう。ここでは惑星の材料が集まる過程から、地球の内部と海ができる条件までをたどります。

問いの形を先に読む

定期テストでは、第一に、材料が集まり惑星ができるまでの出来事を並べる問題が考えられます。ガスやちりを含む円盤、微惑星、惑星という言葉を知っていても、先後を逆にすると過程を説明できません。小さな粒が集まる段階と、できた微惑星どうしが衝突して成長する段階を分けて読みます。

第二に、惑星の性質を表で比較し、地球型か木星型かを選ぶ問題があります。太陽に近いか遠いか、主に岩石や金属からなるか、気体成分を多く含むか、密度はどうかを一緒に見ます。与えられた特徴が足りなければ、その表だけでは分類を決められないこともあります。

第三に、地球内部の分化や海の形成を記述する問題があります。重い物質が中心側へ移ったことと、地表が冷えて水蒸気が液体になったことは別の出来事です。どの物質がどこへ移るのか、冷却が何を可能にするのかを、原因と結果をつないで書きます。

粒から惑星へ、内部から海へ

太陽系のもとになったガスやちりが集まり、中心に原始太陽、その周囲に円盤ができたと考えられています。円盤内のちりは衝突などを通じて集まり、しだいに大きな固体の微惑星になります。微惑星はさらに衝突や合体を重ねて成長し、惑星のもとになる天体をつくります。微惑星が最初から完成した惑星だったわけではありません。

図1のように、惑星の形成と、できつつある地球の内部の変化はつながっています。図は順序を整理する模式図で、距離や大きさの縮尺を示していません。各段階は実際には重なり合うこともあり、区切り線を厳密な時刻と考える必要はありません。

図1の微惑星から惑星への矢印は、材料が集まり成長する向きです。地球は集積時の衝突などによって高温になり、内部の物質が移動しやすい状態になりました。鉄など密度の大きい物質が中心側に集まり、比較的密度の小さい物質が外側に分かれることを分化といいます。中心側に核、その外側にマントルができ、さらに外側に地殻が形成されました。密度による分かれ方を示すのであって、マントル全体が現在も液体という意味ではありません。

地球の内部から出た水蒸気などは大気の材料になりました。その後、地表が冷えて液体の水が存在できる条件になると、水蒸気が凝結して雨となり、水が地表の低い場所に集まって海が形成されました。水蒸気が存在することと、液体の水が地表にたまることは同じではありません。大気中の水と地表の温度という条件の両方を見ます。

惑星の分類を読むとき、分類名は共通する傾向をまとめたものだと考えます。表の1列に当てはまるだけで残りの列まで自動的に決まるのではありません。問題が示した性質を一つずつ照らし合わせ、どの情報を根拠にしたかを答えに残します。判断材料が書かれていない場合は、その不足を明示することも資料読解の答えになります。

惑星には、比較的小さく密度が大きく、岩石や金属を主成分とする地球型惑星と、大きく密度が小さく、気体や氷の成分を多く含む木星型惑星があります。地球型は太陽に近い側、木星型は遠い側に分布します。ここでいう密度は、物質がどれほど詰まっているかを比べる量です。大きい天体ほど必ず密度が大きいわけではないため、大きさと密度を別の列として読みましょう。

基本例題：形成の矢印を埋める

次の出来事を、最も早いものから順に記号で並べてください。また、ウの中で金属が移動する向きと、エに必要な地表の変化をそれぞれ短い文で答えてください。学習用に過程を単純化した条件です。

• ア：微惑星が衝突や合体を重ね、地球のもとになる天体が成長する。
• イ：円盤内のちりが集まり、微惑星ができる。
• ウ：高温になった地球の内部で、鉄などが分かれて移動する。
• エ：大気中の水蒸気が凝結し、水が地表に集まる。

まず、円盤の中で初めから存在する材料を探します。イには「ちりが集まり」とあるので、微惑星ができる段階です。アにはその微惑星が衝突するとあるため、アの前にイを置きます。材料が先にあり、それが集まって次の天体をつくるという関係です。

次に、ウで分かれる場所を確認します。地球の内部で起こる変化なので、地球のもとになる天体が成長するアの後に置きます。密度の大きい鉄などは中心側へ移り、核の材料になります。外側へ集まると書くと、中心側に核ができる説明と合いません。

最後に、エは水蒸気が凝結して液体の水が地表にたまる段階です。地表が冷えて液体の水が存在できる条件になる必要があります。この問題では形成と冷却を順に整理するため、ウの後にエを置きます。分化と冷却の進み方を、実際の地球で完全に重ならない別々の期間だったと断定するものではありません。

答えはイ、ア、ウ、エです。金属は中心側へ移動し、地表は液体の水が存在できる程度に冷えます。図2のように、各箱の出口が次の箱の材料や条件につながることを確かめると、記号だけを暗記せずに済みます。

図2を逆向きにたどって検算します。エの水は水蒸気の凝結によって生じ、ウの中心側には鉄などが集まります。ウの舞台となる地球はアの成長を経ており、アで衝突する微惑星はイでできます。各文の主語と材料がつながるので、並びは問題の条件に戻しても矛盾しません。記号を正しく並べても、水蒸気が凝結する前に地表が冷える必要を書き落とした場合は、後半の記述を補います。

比較の分かれ目：情報が足りるか

次は観測値ではなく、分類の練習用に特徴を単純化した表です。表の条件を使い、PとQを地球型・木星型のいずれかに分類し、主な物質と密度を含めて理由を書いてください。Rはどちらに分類できるか、表からの判断とその理由を答えてください。

Pは地球型、Qは木星型です。Pは岩石や金属を主とし、密度が比較的大きいという特徴が地球型に合います。Qは気体や氷の成分が多く、密度が比較的小さいという特徴が木星型に合います。位置の列もそれぞれの分類と整合しています。

Rは、この表だけではどちらとも判断できません。大きさの列は手掛かりになりますが、主な物質、密度、位置が不明です。大きいという1項目だけで分類を確定すると、他の性質がその分類に合うか確認できません。ここでの答えは、実際の惑星について何も知られていないという意味ではなく、問題で与えられた情報に限った判断です。

見分ける境目は、分類名を選ぶ前に根拠を複数そろえられるかです。表に矛盾する特徴が混在する場合も、無理に一方へ押し込めず、条件を読み直します。資料にある事実と、そこから導く分類を分けて書くと、根拠のない推測に気づけます。

誤答を直す：矢印と条件を見直す

誤答「鉄は軽いので地表へ浮かび、冷える前に海がたまった」を考えます。この文には、内部での移動と海が残る条件の2つの誤りがあります。前半では密度の大小と移動先が逆です。後半では水蒸気の存在と、液体の水が地表に存在できる状態を取り違えています。

図3のように、分化では鉄など密度の大きい物質が中心側へ移動します。比較的密度の小さい物質は外側に分かれます。したがって前半は「鉄などが中心側へ集まった」と直します。図の円は地球内部の模式図で、層の厚さを正確な比率で表していません。

図3の海の部分では、冷却から凝結へ矢印が向いています。後半は「地表が冷え、水蒸気が凝結して水が地表に集まった」と直します。水蒸気が生じたこと自体は海の材料の説明になりますが、それだけでは液体の海が地表にたまる条件を説明しきれません。

もう1つの誤りは「惑星はすべて初めから現在の大きさでできた」という答えです。これでは微惑星の衝突と合体による成長を飛ばしています。小さい粒から微惑星へ、さらに衝突を重ねて惑星へという順に戻し、各矢印で何が集まるかを書き加えます。段階の名前だけ並べるより、変化を表す動詞を添えると順序の取り違えを見つけやすくなります。

練習：根拠がある答えをつくる

次の4問は自作の条件です。順序や特徴の問題として読み、実際の観測表だと考えないでください。まず問題をまとめて解き、その後で解答と比べます。

1. 次の3つを早い順に記号で並べ、最後の段階で天体が大きくなる理由を「衝突」「合体」を使って書いてください。カ：微惑星どうしが成長する。キ：円盤内のちりが集まる。ク：微惑星ができる。
2. 天体Sは比較的小さく、岩石や金属を主とし、密度が比較的大きいとします。天体Tは大きく、気体や氷の成分を多く含み、密度が比較的小さいとします。それぞれ地球型と木星型のどちらの特徴に合うか、物質と密度を根拠に答えてください。
3. 高温になった地球の内部について、鉄など密度の大きい物質と比較的密度の小さい物質が、それぞれどちら側に分かれるかを答えてください。また、この変化の名前を書いてください。
4. ある説明文は「水蒸気が大気中にあれば、地表が高温のままでも液体の海がたまる」と述べています。この説明の不足を指摘し、「冷却」「凝結」「液体の水」を使って海が形成される条件を書いてください。

解答と確かめ方

1. キ、ク、カです。ちりが集まって微惑星ができ、微惑星どうしが衝突や合体を重ねることで成長します。最後のカに必要な微惑星がクで用意され、クの材料がキにあるかを逆にたどれば、並びを元の文に戻して確認できます。キとクを逆にすると、材料が集まる前に微惑星が完成してしまいます。

2. Sは地球型の特徴に合います。岩石や金属を主とし、密度が比較的大きいためです。Tは木星型の特徴に合います。気体や氷の成分が多く、密度が比較的小さいためです。答えを条件に戻すと、SとTの物質と密度はそれぞれの分類の特徴に対応します。大きさの列だけで選んだ場合は、根拠として物質と密度も書けるか確かめてください。

3. 鉄などは中心側に、比較的密度の小さい物質は外側に分かれます。この変化は分化です。答えを地球内部の構造へ戻すと、中心側に集まった鉄などが核の材料になります。方向を逆にした答えはこの対応と合いません。核とマントルの名前を覚えるときも、物質が分かれた向きと結び付けます。

4. 水蒸気の存在に加え、地表が冷却され、液体の水が存在できる条件が必要です。水蒸気が凝結し、液体の水が地表に集まることで海が形成されます。元の文へ戻すと、高温のままという条件が液体の水の存在を妨げるので、説明は成立しません。水の材料と温度条件を別々に確認すると、不足を指摘できます。

覚えておく4行

ちりが集まり、微惑星の衝突と合体で惑星が成長します。
分類は大きさに加え、物質や密度、位置を比べます。
分化では密度の大きい鉄などが中心側に集まります。
地表の冷却と水蒸気の凝結を経て水が集まり、海が形成されます。

答案のどこで止まったか

順序問題で最初の矢印が書けないときは、ちりと微惑星のどちらが材料かをノートの図に戻って確認します。順番は合っていても理由が書けないときは、それぞれの段階に「集まる」「衝突する」「分かれる」という動詞を添えてみましょう。分類で迷うときは、大きさ、主な物質、密度を別々に書き出し、答えの根拠に使った列に印を付けます。

個別指導で答案を確かめるなら、分化の矢印が中心を向いているか、海の説明に冷却と凝結が入っているかを、本人の図と言葉を対応させて点検します。情報が足りない表に分類名を補ってしまった場合は、どの列が不明だったかも確認します。材料、移動先、成立条件を順に結べると、地球の誕生を筋道立てて説明できます。