深海で煙突のような場所から黒いもやが出ている映像を見ると、海底で火が燃えているように感じます。しかし、ブラックスモーカーと呼ばれる熱水噴出孔の黒い見え方は、主に細かな鉱物の粒によるものです。黒い煙に似て見えることと、燃焼していることは同じではありません。
水は地下へ入り、温められて戻ってくる
海水が海底の割れ目などから地下へ入り、熱い岩石やマグマに関係する熱で温められ、再び海底へ出てくる。この循環が熱水活動の基本です。海底から出ている物を、マグマがそのまま噴き出した液だと考えないようにしましょう。主に水を含む流体の移動と、その熱源の場所を別々に追います。
地下を通る水は岩石と反応し、成分を溶かし込みます。熱い流体が周囲の冷たい海水と混ざるところでは、硫化物などの細かな鉱物ができ、黒いもやのように見えます。固体の粒が流れの中に散っているのであって、「黒色の水蒸気」という説明ではありません。粒が沈着して煙突状の構造が形成される場合もあります。
黒く見えるものを全部同じ物質とするのも避けたい点です。熱水の成分や周囲との混ざり方で、できる鉱物や見え方は異なります。白く見える噴出もあり、色だけから温度や成分を一意に決めることはできません。映像は流れの位置を知る手がかりですが、物質の同定には測定や分析が必要です。
100℃を超える水なら、必ず気体になる？
地上で水を沸かすときの100℃は、圧力の条件と結びついた値です。深海は圧力が高く、熱水は100℃よりはるかに高温でも液体の状態を保つ場合があります。海底の温度計が高い値を示したからといって、そこに大きな水蒸気の泡が必ずあるとはいえません。
また、噴出口のすぐ近くと、周囲の海水が混ざった後の場所では、測る温度が違います。二つの調査で温度が違ったときには、熱源が変わったと考える前に、センサーの位置と、どの程度周囲の水を含んだ試料かを確かめます。採った液の温度が低いから、地下でも同じ低温だったとは限らないのです。
例題1 二つの水を混ぜたモデルの温度
実際の深海の高温条件を再現するものではなく、熱の収支だけを取り出した計算です。80℃の水100gと、5℃の水400gを混ぜます。容器や周囲への熱移動はなく、二つの水の比熱は同じ、蒸発や反応もないとします。混ざった温度を求めてください。
答え・解説： 5℃を基準にすると、温かい100gは75℃高い状態です。その熱を合計500gに分けるので、5＋75×100÷500＝20℃です。80℃と5℃の単純平均42.5℃にはなりません。冷たい側が四倍多いからです。20℃の試料が得られても、その中へ入った温かい水の初期温度が20℃だったとはいえません。
この数値を、実際の噴出口で必ず得られる温度として使わないでください。実物では圧力、成分、化学反応、混ざる割合などの条件も関係します。例題で除いた要素を、現場の測定でも存在しないことにしてはいけません。
黒い粒の量と、液に残った成分を区別する
同じ流体の中でも、目に見える粒になった物と、液に溶けている物が共存できます。粒をろ過して取り除いた後、液が透明になったとしても、すべての成分を除いた純水になったとは限りません。黒い色が消えたことは、観察できる粒が減ったことの手がかりです。
濃度だけを比べる場合も、周囲の海水で薄まった効果を忘れないようにします。ある成分の濃度が半分なら、その成分の総量も半分になったとは限りません。水の量が二倍になっただけという説明も考えられます。沈殿した、薄まった、流れ去ったという異なる過程を、同じ「減った」で済ませないことが大切です。
例題2 見えなくなった分は消滅した？
教材用の閉じた試料について、ある金属元素が最初に合計30mg含まれていました。処理後に調べると、固体の粒の側に18mg、液の側に12mgありました。固体へ移った割合は何％ですか。金属元素は失われましたか。外への流出はなく、分析で全量を測れたものとします。
答え・解説： 18÷30×100＝60％が固体の側です。18＋12＝30mgなので、この金属元素は失われていません。固体の粒全体が18mgという意味ではなく、粒に含まれる指定の金属元素の量が18mgです。硫黄など別の成分も粒に含まれうるため、金属の分析値を粒全体の重さに置き換えないでください。
映像の印象を、物質と状態の言葉へ直す
煙突、煙、熱いという言葉は、姿を伝えるには便利です。しかし、そのまま化学の説明にすると、燃焼、気体、マグマを一緒にしてしまう危険があります。流体の通り道、熱が入る場所、粒が生じる場所を三段階に分けて図へ書き込みましょう。
未知の自然現象でも、物質がどこから来てどこへ移ったかを追う姿勢は変わりません。地熱発電の熱と水の経路と比べると地下の熱を整理でき、沸騰と気圧では温度だけで状態を決めない理由を確認できます。