大気・・・原始生命は、大気中で誕生？？？
参考 ： 二酸化炭素、メタン、フィッシャー・トロプシュ法、蛇紋岩、包接水和物
地球の大気の主な成分は、窒素が78％、酸素が21％、アルゴンが0.9％、二酸化炭素が0.04％です。
水蒸気は、1 - 4％と、場所や時間によって変動します。
地球の隣には、金星と火星がありますが、これらにも大気があります。
しかし、主な成分が、二酸化炭素と、地球とは違います・・・なぜでしょう？
地球では、二酸化炭素は、海に溶け込んだため、激減したとされますが・・・
火星も、大昔には海があったとされていますが・・・
地球の海面上の大気圧は、平均101.3 kPa です。
金星は、9321.9 kPaと、とても高いですが、
火星は、平均750 Paと低いです・・・なぜでしょう？
重力の大きさ？太陽からの距離？・・・
土星の衛星のタイタンは、地表気圧が、なんと地球の約1.45倍です。
タイタンの直径は約5,150kmと、衛星にしては大きいですが、火星の直径（ 6,794.4 km ）より小さいです。
太陽からの距離も、火星と比べても、ずっと遠いですね。
地球大気の鉛直方向は、対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、（外気圏）に区分されています。
ちなみに、生命が生存するのは、ほとんどが対流圏までですが、なんと成層圏に存在するものがあるようです。
デイノコッカス・ラディオデュランスは、5千グレイの放射線に対して耐性を持ち、増殖が可能です
更に、金星の高度49.5kmの気圧は、太陽系の中では最も地球と似ている環境のようです・・・
金星の大気に生命が存在するかも？？？（詳細不明）
ちなみに、主成分の二酸化炭素の臨界点 (31.1 ℃、7.4 MPa) なので、超臨界状態となっている可能性があります。
そうすると、気体と液体の特徴を兼ね備えるようになるので、大気中でも液体の水（二酸化炭素）があるのと同じことですね・・・
原始生命は、実は大気中で誕生したのでしょうか？（詳細不明）
後、火星では、メタンが継続的に発生している可能性があり、生命との関連も考えられているようですが・・・
さて、地球大気の水平方向には、対流圏の循環と、中層大気の循環の2つがあります。
対流圏には、ハドレー循環、フェレル循環、極循環が、両半球に1セットずつあります。
地表では、貿易風、偏西風、極東風が吹いています。
金星の風の速度は、高度によって大きく異なります。
地表では、平均で秒速0.3〜1.0mです。
しかし、高い雲では、風速が秒速100mにもなります（スーパーローテーション）。
尚、火星の極でも、秒速111ｍの季節風が吹いています。
ちなみに、地球では、ジェット気流という、対流圏上層に位置する強い偏西風がありますが、
風速は、秒速30m程度です（秒速100m近くに達することもありますが）。
地球の表面を層状に覆っている気体です。
大気が存在する範囲を、大気圏、
その外側を、宇宙空間といいます。
便宜的に、地表からおおむね500km以下が、地球大気圏とされます。
高度100kmより外側を、宇宙空間とする定義もあります（NASA等）。
地表付近の大気の主な成分は、窒素が78.1％、酸素が20.95％、アルゴンが0.9％、二酸化炭素が0.04％です。
水蒸気は、最大4％程度になりますが、1％を下回ることもあり、場所や時間によって大きく変動します。
水蒸気の影響を除くため、地球大気の組成は、乾燥大気での組成で表されます。
水蒸気、二酸化炭素、オゾンは、地表付近に発生源があるため、鉛直方向でも比率が大きく変化します。
二酸化炭素は、
空間的には、都市で濃度が高く、
時間的には、植物の活動が活発化する夏に濃度が減少します。
これら以外の主成分は、高度上昇とともに気圧が下がっても比率は一定で、
中間圏界面の上、高度90km付近まではほとんど変化しません。
地球の海面上の大気圧は、平均101.3 kPa です。
大気は、温度（気温）変化を基準にして、鉛直方向に四つの層（外気圏を含めれば五つ）に区分されています。
対流圏
0 - 9/17km。
高度とともに気温が低下します。
様々な気象現象が起こります。
上層よりも、水（水蒸気）の比率が高いです。
質量比では、大気の成分の半分以上が対流圏に存在します。
赤道付近では17km程度と厚く、極では9km程度と薄いです。
成層圏との境界は、対流圏界面といいます。
対流圏の中は、気流が地表の摩擦（粘性）の影響を受ける大気境界層と、ほとんど受けない自由大気に分かれ、
また大気境界層の中は、更にいくつかに分類されています。
成層圏
9/17 - 50km。
高度とともに気温が上昇します。
オゾン層が存在します。
中間圏との境界は、成層圏界面といいます。
中間圏
50 - 80km。
高度とともに気温が低下します。
熱圏との境界は、中間圏界面といいます。
成層圏と中間圏は、1つの大気循環で混合しているため、2つを併せて、中層大気ということがあります。
熱圏
80 - 約800km。
高度とともに気温が上昇します。
外気圏との境界は、熱圏界面または外圏底といいます。
熱圏と外気圏との境界は定義が難しく、500 - 1,000kmと幅があります。
熱圏のさらに上部に、外気圏をおく場合もあります。
その他の鉛直構造区分
電離層
中間圏と熱圏の間にあたる、60km - 500km付近に存在します。
大気中の原子や分子が主に紫外線を受けて光電離し、イオンが大量に存在している層です。
オゾン層
高度、約10 - 50km。
成層圏の中にあります。
磁気圏
高度1,000km以上。
太陽側は高度6 - 7万km、太陽とは逆側に100万km以上の尾を引きます。
地球磁場と、太陽風の圧力がつり合う境界の内側です。
電離圏とは、磁力線でつながります。
磁気圏の中で地球に近い内側領域には、太陽からの高エネルギー荷電粒子の密度が高い領域があります（ヴァン・アレン帯）。
放射線の放出が強いです。
プラズマ圏
低温のプラズマが、ほぼ地球の自転とともに回転している、赤道で高度2万km程度以下の領域です。
均質圏
地表から80 - 90km付近まで。
大気成分が均質な層です。
この外側を非均質圏といい、高度が上がるにつれて分子量の大きい成分から順に減っていきます。
分子量に応じて各分子が持つスケールハイトに対応して気体が分離し、
約170km以上では、酸素が主成分、
約1,000km以上では、ヘリウムが主成分、
更に、外側の数千km以上では、水素が主成分と変遷していきます。
2つの境界を均質圏界面といいます。
乱流圏
地表から100 - 110km付近です。
乱流による分子の拡散が、分子自身の熱運動による拡散を上回っている層です。
この外側を拡散圏といい、熱運動による拡散が上回っています。
2つの境界を、乱流圏界面といいます。
地球の大気は、
太陽放射の量が最も多い赤道と、
最も少ない極との間での熱輸送を担っており、
これにより水平方向に循環構造を持っています。
対流圏の循環と、中層大気の循環の2つがあります。
対流圏の大規模な循環は、
3つの風系が、北半球と南半球に1セットずつ、計6つの風系からなります。
赤道を挟んだ低緯度には、地表加熱による上昇気流を原動力とした、ハドレー循環があり、
地表では、熱帯収束帯という上昇気流の中心線に向かう、北東・南東の貿易風が吹きます。
極を中心とした高緯度には、地表冷却による下降気流を原動力とした極循環があり、
地表では、極高圧帯から周囲に吹き出す、北東・南東の極東風が吹きます。
中緯度には、間接循環のフェレル循環が存在します。
年平均の風向を見ると、熱帯収束帯で上昇した空気が下降してくる亜熱帯高圧帯から、高緯度低圧帯に向かって風が吹いているように見えますが、
実際には温帯低気圧や移動性高気圧により、南北の風向は変化が大きく、それよりも西寄りの偏西風が特徴的です。
中緯度では、偏西風の南北蛇行である、傾圧不安定波により、熱が低緯度から高緯度へ輸送されています。
対流圏では、これよりも小さな循環も存在します。
赤道付近では、太平洋西部で上昇気流、インド洋・大西洋や太平洋東部で下降気流が強いです（ウォーカー循環）。
また、大陸と海洋の間で、1年を周期に風向が変化する季節風も、循環構造を持っています。
中層大気では、
低緯度上空や夏の極上空で上昇気流、冬の極上空で下降気流が強いです（ブリューワー・ドブソン循環）。
地球の大気に比べて、金星の大気は、密度も温度も高く、より高い高度まで続いています。
金星の大気は、ほとんどが二酸化炭素（ 〜96.5％ ）です。
大気圧は、9321.9 kPa （ 9.3 MPa ）と、とても高いため、
温度は平均500度にもなります。
しかし、高度約50〜65kmでは、気圧と温度は、地球とほとんど同じです。
高度52.5kmと54kmの間での気温は、37℃と20℃で、
高度49.5kmの気圧は、地球の海抜0mと同じで、太陽系の中では最も地球と似ている環境のようです。
金星の雲は、
昼である地域では、密度の高い雲が高度20kmにあり、一般的な雲は65kmまで続きますが、
夜である地域では、雲が高度95kmまで続きます。
金星の公転周期は、224.701 日、
自転周期は、243.0187 日（逆行）、
太陽に対する自転周期は、116.7506 日と遅く、金星の夜は、約58日も続きます。
金星の重力は、地球の90％です。
金星の風の速度は、高度によって大きく異なります。
地表では、大気の密度が高いために風が遅く、平均で秒速0.3〜1.0mです。
しかし、高い雲では、風速が秒速100mにもなります。
これは、金星の自転速度をはるかに上回り、自転（ローテーション）より速い風という意味で、スーパーローテーション（超回転。四日循環）といいます。
火星表面の大気圧は、平均750 Paで、地球の海面上の平均（ 101.3 kPa ）の、約0.75％です。
大気の質量は、25Tt（地球は、5148Tt）です。
スケールハイトは、約11km（地球は、約6km）です。
火星の大気の組成は、95％が二酸化炭素、3％が窒素、1.6％がアルゴンであり、
酸素、一酸化炭素、水、メタン、その他の気体は痕跡量です。
大気には非常に塵が多く、浮遊する塵の粒子は、直径約1.5μmのようです。
火星の公転周期は、686.98 日
自転周期は、24.6229 時間です。
かつては濃かった火星の大気が枯渇した理由として、
火星の磁場が不安定であるため、太陽風により徐々に浸食された、
大気の大半を吹き飛ばすほどの大きな天体の衝突があった、
火星の小さい質量のため、宇宙空間に逃げた、等の説があります。
火星の大気の構成
低層大気 ： 浮遊する塵や土壌からの熱の影響で暖かい領域
中層大気 ： 火星のジェットストリームが吹く領域
高層大気 ： 熱圏。太陽の熱のため、非常に高い温度でそれぞれの気体が分離し始める領域
外気圏 ： 高度200kmより上で、宇宙の真空につながる領域ですが、はっきりした境界はありません
火星の大気の組成
火星大気の主要な成分です。
両極は、
冬の期間は、常に暗く、大気中の二酸化炭素の25％程度は、固体の二酸化炭素（ドライアイス）になって極冠を形成しています。
夏になって、極が日光にさらされると、二酸化炭素の氷は昇華して、大気中に戻ります。
この過程は、年間の大気圧の変動と、極周辺の大気組成に寄与しています。
アルゴン
太陽系の他の天体と比べて、多く含まれます。
二酸化炭素とは異なり、大気中のアルゴンは凝固しないため、大気中のアルゴンの合計量は一定です。
しかし、場所ごとの相対的な存在比は、二酸化炭素が大気中から出入りするために変化し、
南極周辺での、大気中のアルゴンの濃度は、秋になると増加し、春になると減少するようです。
水
夏に、二酸化炭素が昇華して大気中に戻ると、水の痕跡を残します。
極では400km/hの季節風が吹き、大量の塵と水蒸気を運んで、地球のような霜や巻雲を発生します。
2008年に、NASAが、火星の北極領域の地下に、水の氷を発見したようです。
2004年、モル分率約10 nmol/molで大気中のメタンの存在が示唆されました。
キュリオシティによる測定では、着陸地点のメタンの濃度は、5ppb以下であるようです。
火星のメタンは、太陽からの紫外線で分解され、その他の気体と化学反応を起こします。
そのため、メタンを、継続的に補給する源が必要で、火星では、3つのプリュームから発生しているようです。
紫外線による、メタン分解に要する時間は、350年です。
火星のメタンの寿命は、0.6 - 4地球年と非常に短く、補給源が非常に活発である可能性があります。
これには、メタンは実は全く消費されておらず、季節ごとにクラスレートから蒸発、凝固しているに過ぎない、という説があります。
火星でのメタンの生成については、
現在の火星では、火山や熱水噴出孔の活動はありません。
火星にメタン菌のような生命が存在するかどうかも、現時点では不明です。
水-岩石反応、水の放射線分解、黄鉄鉱の形成等で発生した水素が、
一酸化炭素や二酸化炭素と反応して、メタンが生成する説（フィッシャー・トロプシュ法）。
（火星に多く存在する）水、二酸化炭素と、カンラン石から、生成する説。
この反応に必要な高温高圧条件は、火星の表面には存在しませんが、地殻の中には存在する可能性があります。
尚、この過程の副産物として生成する、蛇紋岩が検出されています。
包接水和物によるという説、等があります。
化学式が CO2 と表される無機化合物です。
地球上で最も代表的な炭素の酸化物です。
常圧では液体にならず、-79 ℃ で、昇華して固体（ドライアイス）となります。
水に比較的よく溶け、水溶液（炭酸）は、弱酸性を示します。
アルカリ金属やアルカリ土類金属と反応して、炭酸塩または炭酸水素塩を生じます。
動植物の呼吸や微生物による有機物の分解、火山活動等によって発生します。
植物の光合成によって、二酸化炭素は様々な有機化合物へと固定されます。
三重点 (-56.6 ℃、0.52 MPa) 以上の温度と圧力条件下では、液体化します。
更に、温度と圧力が、臨界点 (31.1 ℃、7.4 MPa) を超えると超臨界状態となり、
気体と液体の特徴を兼ね備えるようになります。
（圧縮二酸化炭素または高密度二酸化炭素）
二酸化炭素は、非常に安定な化合物ですが、
塩基性または求核性を持つ物質と反応しやすく、グリニャール試薬等と反応して、カルボン酸を与えます。
金属マグネシウムは、二酸化炭素中でも燃焼し、二酸化炭素は還元されて炭素の粉末になります。
炭素、亜鉛及び鉄でさえ、高温では反応し、一酸化炭素を生成します。
高温では可逆的に分解して、一酸化炭素と酸素になります。
水素とも、高温で反応して、一酸化炭素と水になります。
触媒があると、メタンやメタノールを生成することもあります。
二酸化炭素を、石灰水（水酸化カルシウム）に通すと、炭酸カルシウムを生成して、白濁します。
更に、白濁した石灰水に、二酸化炭素を反応させると、水溶性の炭酸水素カルシウムを生成して、透明に変化します。
二酸化炭素は、赤外線の 2.5 - 3 μm、4 - 5 μm の波長帯域に強い吸収帯を持つため、
地上からの熱が宇宙に拡散することを防ぐ、温室効果ガスとして働きます。
最も単純な構造の炭化水素で、化学式は CH4です。
分子は、炭素が中心に位置する正四面体構造をとります。
常温、常圧で無色、無臭の気体。
融点は −183 ℃。
沸点は −162 ℃。
空気に対する比重は 0.555。
光等の刺激によって、ハロゲン元素と反応し、水素原子がハロゲン原子に置換されます。この反応は発熱反応です。
メタンは、天然ガスから得られる他、
一酸化炭素と水素を反応させることで、生産されています（ FT法、C1化学 ）
メタンが置換基となる場合、メチル基（1価）、メチレン基（2価）、メチン基（3価）といいます。
メチル基( CH3− ) ： メタンから水素が1個取れたアルキル基。
メチレン基( −CH2− ) ： メタンから水素が2個取れたアルケン基。
原子価の相手が同一原子である（ X=CH2 ）は、メチリデン基ともいいます。
メチン基( −CH< ) ： メタンから水素が3個取れたアルキン基。
原子価の相手が同一原子である（ HC≡X ）場合は、メチリジン基ともいいます。
メタンから、炭素数1の化合物が直接誘導されます。
アルコール ：メタノール
アルデヒド ：ホルムアルデヒド（酸化メチレン）
カルボン酸 ：ギ酸
ニトリル ：シアン化水素
メタンのハロゲン化物
天王星や海王星の大気は、約2％のメタンを含みます。
タイタンは、大気に約2％のメタンを含むだけでなく、地表に液体メタンの雨が降り、海や川もあります。
火星の大気も、メタンを痕跡量含みます。
尚、メタン菌という、嫌気条件でメタンを合成する古細菌が存在します。
メタンの生成について、地球の海では、
生物によるメタンの生成は、エタンの発生を伴い、
火山によるメタンの生成は、二酸化硫黄を伴うそうです。
フィッシャー・トロプシュ法 （ FT法 ） 火星のメタン
一酸化炭素と水素から、触媒反応を用いて、液体炭化水素を合成する過程です。
主目的は、石炭等の固体原料から、
石油の代替品となる、合成油（液体炭化水素）や、水素ガスを作り出すことです。
触媒としては、鉄やコバルトの化合物が一般的です。
基本的なFT法
(2n + 1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O
出発物質となる一酸化炭素 CO や水素 H2 は、
メタン（天然ガス）の部分燃焼や、石炭やバイオマス（生物資源）のガス化、等で作られます。
石炭や生物資源と水蒸気の反応に必要なエネルギーは、系中に酸素を存在させ、
C + 1/2 O2 → CO
で表される燃焼による反応熱によって供給します。
主に蛇紋石からなる岩石です。
蛇紋石は、ケイ酸塩鉱物で、化学組成は、( Mg,Fe )3 Si2 O5 ( OH )4です。
変成岩または火成岩中の超塩基性岩に分類されます。
カンラン岩等の超塩基性岩類が水と反応し、
蛇紋岩化作用（蛇紋石化作用）を受けることで生成すると考えられています。
蛇紋石化作用は、主に超塩基性岩類中のカンラン石で起こり、
カンラン石と水から、蛇紋石と磁鉄鉱が生成される反応で表されます。
包接水和物（ハイドレート）
水素結合による、水分子のかご状構造の中に、他の物質の分子が入り込んだものです。
水・ガス・低温・高圧、の四つの条件がそろうと生成します。
メタンや二酸化炭素等の気体分子を取り込んだものをガスハイドレートと呼び、
メタンハイドレートが有名です。 火星のメタン
ハイドレートは、構造 I、構造 II、構造H、の3種の構造をとります。
構造 I をとる物質は、メタン・二酸化炭素等で、
構造 II をとる物質は、窒素等です。
構造 H は特殊な条件下で生成されます。
構造 I は、正5角形12面からなる立体と、正5角形12面及び正6角形2面からなる立体で構成される結晶構造です。