太陽系の元素組成

太陽系の元素組成

太陽系の元素組成は、ケイ素原子を基準とした原子比（モル比）で、各元素の存在量を表したものです。宇宙全体の元素組成の代表例として扱われることもありますが、太陽系内の元素組成は、観測精度の高さから、より正確な数値が得られています。太陽系の質量の大部分（約99.86%）は太陽が占めているため、太陽系の元素組成はほぼ太陽の元素組成と見なすことができます。ただし、放射性同位体の崩壊や太陽中心部での核融合反応により、組成は常に変化しています。

観測方法

太陽系の元素組成は、主に以下の方法で観測・分析されています。

太陽光球の原子スペクトル分析: 太陽表面から放出される光のスペクトルを分析し、含まれる元素の種類と量を特定します。
太陽風の分析: 太陽から放出されるプラズマ（太陽風）を分析し、含まれる元素の組成を調べます。
CIコンドライト隕石の分析: 太陽系形成初期の固体物質の組成を比較的よく保持していると考えられているCIコンドライト隕石を分析し、含まれる元素の組成を調べます。

元素組成

以下の表は、ケイ素原子数を1とした場合の、規格化された各元素の原子数比を示しています。文献によっては、ケイ素原子数を10^6とした数値で示されることもあります。

各元素の質量比は、以下のようになっています。

水素: 70.683 ± 2.5%
ヘリウム: 27.431 ± 6%
リチウム〜ウラン: 1.886 ± 8.5%

ケイ素の質量比（0.0698891%）と各元素の原子量から、各元素の質量比を算出することも可能です。

表の表記

S1: 太陽の元素組成（Kaye & Labyによる数値）
Y1: 太陽系の元素組成（Kaye & Labyによる数値）
* Y2: 太陽系の元素組成および数値の不確かさ(%)（Ahrensによる数値）

原子核の安定性と存在度

原子番号が30番以下の元素では、原子番号の増加に伴い、元素の存在度は概ね指数関数的に減少します。ただし、リチウム（原子番号3）からホウ素（原子番号5）の存在量は著しく少なくなっています。

一般的に、原子番号が偶数の元素は、前後の奇数の元素よりも多く存在します。これは「Oddo-Harkinsの法則」と呼ばれ、原子核の安定性によるものです。特に多く存在する元素は、水素、ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、マグネシウム、ケイ素、硫黄、そして鉄の10元素です。中でも水素とヘリウムは圧倒的に多く存在します。これは、元素合成過程で、核融合反応やトリプルアルファ反応、アルファ粒子過程によって、質量数が4の倍数の原子核が多く生成されることや、核子1個あたりの結合エネルギーが最大となる鉄56付近で元素合成が止まることが影響しています。

半減期が10^8年オーダーよりも短い放射性同位体は、地球や太陽系の年齢（約46億年）の間にほぼ全てが崩壊し、現在ではほとんど存在しません。安定同位体を持たないテクネチウムやプロメチウムは、ごく微量しか存在しません。また、原子番号84のポロニウムから89のアクチニウム、そして91のプロトアクチニウムは、半減期の短い同位体しか存在しませんが、ウランやトリウムの放射性崩壊系列で常に生成されるため、極微量ながら存在します。

地球の元素組成との関係

希ガスのような化学的に不活性な元素や、水素や窒素のように揮発性の高い元素は、地球型惑星の形成時に集積しにくいため、太陽系の元素組成と比較して、著しく欠損しています。

地球の内部構造は、地震波の解析により推定されています。地球の主要構成元素は、マグネシウム、ケイ素、鉄、そして酸素です。地球質量の約67%を占めるマントルは、ケイ酸マグネシウムを主成分とする橄欖石や輝石、およびそれらの高圧相で構成されています。地球質量の32.4%を占める核は、ニッケルを含む鉄が主成分と考えられています。しかし、高圧実験の結果から、核の密度は純粋な鉄よりもわずかに小さく、核には約10%程度の軽元素が含まれていることが示唆されています。軽元素の候補としては、硫黄や酸素、水素などが考えられています。

地殻には、主に長石を構成する元素が濃縮しています。一方で、核に濃縮されると考えられる親鉄元素や、マントルを構成すると考えられる橄欖石の構成元素は、地殻では欠損しています。地殻では存在度の低い元素である白金族元素や金などは、地球内部の核に濃縮されていると考えられ、太陽系の元素組成ではそれほど少ないわけではありません。例えば、金はCIコンドライト中の平均含有量が地殻の約50倍、イリジウムは約5000倍にもなります。核における金含有量は、約1ppmに達すると推定されています。

ウランやトリウムは、イオン半径や原子価が橄欖石の成分であるマグネシウムイオンとは異なるため、マントルから排除され、地殻に濃縮されます。また、バリウムは、長石の成分であるカリウムとイオン半径が近いため、カリウムとともに地殻に濃縮されます。

CIコンドライトや鉄隕石の元素組成を基に、地球のマントルや核の平均的化学組成が推定されています。地球質量のうち、27.1%を鉄隕石、5.3%をトロイライト（硫化鉄）、合計32.4%を核に相当すると仮定した場合、マントルや地殻はケイ酸塩としてモデル化できます。

CIコンドライト隕石は、地球の化学組成や太陽系の起源を解明する上で非常に重要な役割を果たしてきました。しかし、地球に落下する隕石は大気中で加熱変成を受けています。日本の探査機「はやぶさ」のミッションは、加熱変成を受けていない小惑星のサンプルを直接地球に持ち帰るという点で、大きな意義を持ちます。

同位体比

地球型惑星では、岩石質であるため、カリウム40のβ+崩壊によるアルゴン40や、ウランやトリウムなどのα崩壊で生成されたヘリウム4が蓄積しています。このため、地球上のヘリウムやアルゴンと、太陽系全体のヘリウムやアルゴンの同位体比には差異が見られます。太陽系全体では、構成元素の大部分が水素やヘリウムであり、岩石を構成する元素の割合が圧倒的に少ないためです。その他の希ガス元素でも、多少の変動が見られます。

地球上と太陽系における、これらの元素の同位体比は以下の通りです。

（表は省略）

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