Снежок Земля - Snowball Earth

Snowball Earth гипотеза предполагает , что в течение одного или нескольких земного Icehouse климата на поверхность планеты стала полностью или почти полностью заморожена. Считается, что это произошло где-то до 650 млн лет назад в криогенный период. Сторонники гипотезы утверждают, что она лучше всего объясняет осадочные отложения, которые, как принято считать, имеют ледниковое происхождение в тропических палеоширотах и другие загадочные особенности геологической летописи. Противники гипотезы оспаривают последствия геологических свидетельств глобального оледенения и геофизическую осуществимость океана, покрытого льдом или слякотью , и подчеркивают сложность выхода из полностью замороженного состояния. Остается ряд безответных вопросов, в том числе была ли Земля сплошным снежным комом или «снежным комом» с тонкой экваториальной полосой открытой (или сезонно открытой) воды.

Предполагается, что эпизоды снежного кома на Земле произошли до внезапного излучения многоклеточных биоформ, известного как кембрийский взрыв . Последний эпизод снежного кома, возможно, спровоцировал эволюцию многоклеточности. Другой, гораздо более ранний и продолжительный эпизод снежного кома, гуронское оледенение , которое должно было произойти с 2400 по 2100 млн лет назад, могло быть вызвано первым появлением большого количества кислорода в атмосфере, которое было известно как « Великое окислительное событие ».

История


Первые свидетельства древнего оледенения

Задолго до того, как была впервые предложена идея глобального оледенения, произошла серия открытий, которые собрали доказательства древних докембрийских оледенений. Первое из этих открытий было опубликовано в 1871 году Дж. Томсоном, который обнаружил древний материал, переработанный ледниками (тиллит ) на острове Айлей , Шотландия. Аналогичные выводы были сделаны в Австралии (1884 г.) и Индии (1887 г.). Четвертая и очень показательная находка, которая стала известна как « морена Ройша », была сделана Гансом Ройшем в северной Норвегии в 1891 году. За этим последовало много других открытий, но их пониманию препятствовало отрицание дрейфа континентов .

Предложено глобальное оледенение

Сэр Дуглас Моусон (1882–1958), австралийский геолог и исследователь Антарктики, провел большую часть своей карьеры, изучая стратиграфию неопротерозоя Южной Австралии, где он обнаружил толстые и обширные ледниковые отложения. В результате в конце своей карьеры он высказал предположение о возможности глобального оледенения.

Однако идеи Моусона о глобальном оледенении были основаны на ошибочном предположении, что географическое положение Австралии и других континентов, где обнаружены низкоширотные ледниковые отложения, оставалось неизменным во времени. С развитием гипотезы дрейфа континентов и, в конечном итоге, теории тектонических плит пришло более легкое объяснение гляциогенных отложений - они откладывались в то время, когда континенты находились в более высоких широтах.

В 1964 году идея глобального оледенения возродилась, когда У. Брайан Харланд опубликовал статью, в которой он представил палеомагнитные данные, показывающие, что ледниковые тиллиты на Шпицбергене и Гренландии откладывались в тропических широтах. Основываясь на этих палеомагнитных данных и седиментологических доказательствах того, что ледниковые отложения прерывают последовательность горных пород, обычно связанных с тропическими и умеренными широтами, он утверждал, что наступил ледниковый период, который был настолько экстремальным, что он привел к отложению морских ледниковых пород в тропиках.

В 1960-х годах советский климатолог Михаил Будыко разработал простую климатическую модель энергетического баланса, чтобы исследовать влияние ледяного покрова на глобальный климат . Используя эту модель, Будыко обнаружил, что если ледяные щиты продвигаются достаточно далеко за пределы полярных регионов, возникает петля обратной связи, в которой повышенная отражательная способность ( альбедо ) льда приводит к дальнейшему охлаждению и образованию большего количества льда, пока не будет покрыта вся Земля. во льду и стабилизировалась в новом покрытом льдом равновесии.

Хотя модель Будыко показывала, что такая стабильность ледового альбедо возможна, он пришел к выводу, что на самом деле этого никогда не было, поскольку его модель не предлагала способа выйти из такой петли обратной связи.

В 1971 году американский физик Арон Фэгре показал, что аналогичная модель энергетического баланса предсказывает три стабильных глобальных климата, одним из которых является Земля как снежный ком. Эта модель представила концепцию непроницаемости Эдварда Нортона Лоренца , указав, что может произойти значительный скачок от одного климата к другому, в том числе к Земле как снежный ком.

Термин «Земля-снежный ком» был введен Джозефом Киршвинком в небольшой статье, опубликованной в 1992 году в большом томе, посвященном биологии протерозойского эона. Основным вкладом этой работы были: (1) признание того, что присутствие полосчатых железных образований согласуется с таким глобальным ледниковым эпизодом, и (2) введение механизма, с помощью которого можно сбежать с полностью покрытой льдом Земли - в частности, накопление CO 2 в результате вулканической дегазации, приводящее к ультрапарниковому эффекту .

Открытие Франклином Ван Хаутеном последовательной геологической структуры, в которой уровни озера поднимались и опускались, теперь известно как «цикл Ван Хаутена». Его исследования отложений фосфора и полосчатых железных образований в осадочных породах сделали его одним из первых приверженцев гипотезы «Земля-снежный ком», согласно которой поверхность планеты замерзла более 650 миллионов лет назад.

Интерес к идее Земли как снежного кома резко возрос после того, как Пол Ф. Хоффман и его сотрудники применили идеи Киршвинка к последовательности неопротерозойских осадочных пород в Намибии и разработали гипотезу в журнале Science в 1998 году, включив такие наблюдения, как возникновение из карбонатов капитализации .

В 2010 году Фрэнсис А. Макдональд, доцент Гарвардского факультета наук о Земле и планетах, и другие представили доказательства того, что Родиния находилась на экваториальной широте во время криогенного периода с ледниковыми льдами на уровне или ниже уровня моря, и что связанные с ним штурты. оледенение было глобальным.

Свидетельство

Гипотеза Земли как снежного кома была первоначально разработана для объяснения геологических свидетельств очевидного присутствия ледников в тропических широтах. Согласно моделированию, обратная связь лед-альбедо приведет к быстрому продвижению ледникового льда к экватору, как только ледники распространятся в пределах от 25 ° до 30 ° от экватора. Следовательно, наличие ледниковых отложений в тропиках предполагает наличие глобального ледяного покрова.

Поэтому критически важным для оценки обоснованности теории является понимание надежности и значимости свидетельств, которые привели к убеждению, что лед когда-либо достигал тропиков. Это свидетельство должно доказать три вещи:

  1. что пласт содержит осадочные структуры, которые могли быть созданы только в результате ледниковой деятельности;
  2. что кровать лежала в тропиках, когда она была отложена.
  3. что ледники были активны в разных точках мира в одно и то же время и что других отложений того же возраста не существует.

Последний пункт очень трудно доказать. До эдиакарского периода биостратиграфические маркеры, обычно используемые для корреляции пород, отсутствуют; поэтому нет никакого способа доказать, что горные породы в разных местах по всему земному шару образовались в одно и то же время. Лучшее, что можно сделать, - это оценить возраст горных пород с помощью радиометрических методов, точность которых редко превышает миллион лет или около того.

Первые два пункта часто являются источником разногласий в каждом конкретном случае. Многие ледниковые образования также могут быть созданы неледниковыми методами, и оценка приблизительной широты суши даже 200  миллионов лет назад может быть сопряжена с трудностями.

Палеомагнетизм

Гипотеза Земли как снежного кома была впервые выдвинута для объяснения того, что тогда считалось ледниковыми отложениями вблизи экватора. Поскольку тектонические плиты со временем перемещаются медленно, определить их положение в данный момент долгой истории Земли непросто. В дополнение к соображениям того, как узнаваемые массивы суши могли сочетаться друг с другом, широта, на которой была отложена порода, может быть ограничена палеомагнетизмом.

Когда образуются осадочные породы , магнитные минералы внутри них имеют тенденцию выравниваться с магнитным полем Земли . Путем точного измерения этого палеомагнетизма можно оценить широту (но не долготу ) того места, где образовалась скальная матрица. Палеомагнитные измерения показали, что некоторые отложения ледникового происхождения в неопротерозойской летописи отложились в пределах 10 градусов от экватора, хотя точность этой реконструкции находится под вопросом. Такое палеомагнитное расположение очевидно ледниковых отложений (таких как дропстоуны ) было принято, чтобы предположить, что ледники простирались от суши до уровня моря в тропических широтах во время их отложения. Неясно, подразумевает ли это глобальное оледенение или существование локализованных, возможно, не имеющих выхода к морю ледниковых режимов. Другие даже предположили, что большинство данных не ограничивают ледниковые отложения в пределах 25 ° от экватора.

Скептики предполагают, что палеомагнитные данные могли быть искажены, если бы древнее магнитное поле Земли существенно отличалось от сегодняшнего. В зависимости от скорости охлаждения ядра Земли , возможно, что во время протерозоя магнитное поле не соответствовало простому диполярному распределению, когда северный и южный магнитные полюса примерно совпадали с осью планеты, как сегодня. Вместо этого более горячее ядро ​​могло циркулировать более энергично и давать 4, 8 или более полюсов. В таком случае палеомагнитные данные пришлось бы заново интерпретировать, поскольку осадочные минералы могли быть выровнены, указывая на «Западный полюс», а не на Северный полюс. В качестве альтернативы дипольное поле Земли могло быть ориентировано так, чтобы полюса были близки к экватору. Эта гипотеза была выдвинута для объяснения необычайно быстрого движения магнитных полюсов, подразумеваемого эдиакарскими палеомагнитными записями; предполагаемое движение северного полюса произойдет примерно в то же время, что и оледенение Гаскьера.

Другой недостаток использования палеомагнитных данных - это сложность определения, является ли записанный магнитный сигнал оригинальным или он был сброшен в результате более поздней активности. Например, горная орогения выделяет горячую воду как побочный продукт метаморфических реакций; эта вода может циркулировать в скалах за тысячи километров и сбрасывать их магнитную сигнатуру. Это затрудняет определение подлинности пород старше нескольких миллионов лет без тщательных минералогических наблюдений. Более того, накапливаются новые свидетельства того, что имели место крупномасштабные события перемагничивания, которые могут потребовать пересмотра оценочных положений палеомагнитных полюсов.

В настоящее время существует только одно месторождение, месторождение Элатина в Австралии, которое, несомненно, было отложено в низких широтах; дата его осаждения хорошо ограничена, а сигнал явно оригинален.

Низкоширотные ледниковые отложения

Diamictite из неопротерозойский свиты Покателло, «снежного кома Земли» депозит -типа
Elatina Fm diamictite ниже эдиакарскую СГОП сайта в Флиндерс NP , Южная Австралия. Монета в 1 доллар для масштаба.

Осадочные породы, отложенные ледниками, имеют отличительные особенности, позволяющие их идентифицировать. Задолго до появления гипотезы о Земле снежного кома многие неопротерозойские отложения интерпретировались как имеющие ледниковое происхождение, в том числе некоторые, очевидно, находящиеся в тропических широтах во время их отложения. Однако стоит помнить, что многие осадочные образования, традиционно связанные с ледниками, также могут быть образованы другими способами. Таким образом, ледниковое происхождение многих ключевых проявлений Земли-снежного кома было оспорено. По состоянию на 2007 год имелась только одна «очень надежная» - но все еще вызывающая сомнения - точка отсчета, идентифицирующая тропические тиллиты , что делает утверждения об экваториальном ледяном покрове несколько самонадеянными. Однако свидетельства оледенения на уровне моря в тропиках во время Стурта накапливаются. Доказательства возможного ледникового происхождения отложений включают:

  • Камни- капли (камни, упавшие в морские отложения), которые могут быть отложены ледниками или другими явлениями.
  • Варвы (годовые слои осадков в перигляциальных озерах), которые могут образовываться при более высоких температурах.
  • Ледниковые полосы (образованные врезанными породами, царапанными о коренные породы): подобные полосы время от времени образуются селями или тектоническими движениями.
  • Диамиктиты (плохо отсортированные конгломераты). Первоначально описанный как ледниковый тилль , на самом деле большинство из них было сформировано селевыми потоками .

Открытые водные отложения

Похоже, что некоторые отложения, образовавшиеся в период снежного кома, могли образоваться только при наличии активного гидрологического цикла. Полосы ледниковых отложений толщиной до 5 500 метров, разделенные небольшими (метровыми) полосками неледниковых отложений, демонстрируют, что ледники неоднократно таяли и реформировались на протяжении десятков миллионов лет; твердые океаны не допускают такого масштаба осаждения. Считается возможным, что причиной этих последовательностей могли быть ледяные потоки, подобные тем, которые наблюдаются сегодня в Антарктиде . Кроме того, осадочные элементы, которые могли образоваться только в открытой воде (например: волнообразная рябь , далекие ледяные обломки и индикаторы фотосинтетической активности), можно найти во всех отложениях, датируемых периодами снежного кома-Земли. Хотя они могут представлять собой «оазисы» талой воды на полностью замерзшей Земле, компьютерное моделирование предполагает, что большие площади океана, должно быть, оставались свободными ото льда; утверждая, что «твердый» снежный ком не правдоподобен с точки зрения моделей энергетического баланса и общей циркуляции.

Соотношения изотопов углерода

В морской воде есть два стабильных изотопа углерода : углерод-12 ( 12 C) и редкий углерод-13 ( 13 C), который составляет около 1,109 процента атомов углерода.

Биохимические процессы, одним из которых является фотосинтез , имеют тенденцию преимущественно включать более легкий изотоп 12 C. Таким образом, обитающие в океане фотосинтезаторы, как протисты, так и водоросли , как правило, очень слабо обеднены 13 C по сравнению с изобилием, обнаруженным в основных вулканических источниках углерода Земли. Следовательно, океан с фотосинтезирующей жизнью будет иметь более низкое соотношение 13 C / 12 C в органических остатках и более высокое соотношение в соответствующей океанской воде. Органический компонент литифицированных отложений будет оставаться очень незначительным, но ощутимо обедненным до 13 ° C.

Во время предлагаемого эпизода «снежного кома» на Земле наблюдаются быстрые и крайне отрицательные отклонения в соотношении 13 C к 12 C. Тщательный анализ времени появления «всплесков» 13 C в отложениях по всему земному шару позволяет распознать четыре, возможно, пять, ледниковые события в позднем неопротерозое.

Пластинчатые железные образования

Камень возрастом 2,1 миллиарда лет с железным камнем с черной полосой

Полосчатые железистые образования (BIF) - это осадочные породы, состоящие из слоистого оксида железа и бедного железом кремня . В присутствии кислорода железо естественным образом ржавеет и становится нерастворимым в воде. Полосчатые образования железа обычно очень старые, и их отложение часто связано с окислением атмосферы Земли в палеопротерозойскую эру, когда растворенное железо в океане вступило в контакт с производимым фотосинтезом кислородом и выпало в осадок в виде оксида железа.

Полосы были созданы на переломном этапе между бескислородным и насыщенным кислородом океаном. Поскольку сегодняшняя атмосфера богата кислородом (почти 21% по объему) и контактирует с океанами, невозможно накопить достаточно оксида железа, чтобы отложить полосчатое образование. Единственные обширные образования железа, которые были отложены после палеопротерозоя (после 1,8 миллиарда лет назад), связаны с криогенными ледниковыми отложениями.

Для осаждения таких богатых железом горных пород в океане должна быть аноксия, чтобы накопилось много растворенного железа (в виде закиси железа ), прежде чем оно встретится с окислителем, который выпадет в осадок в виде оксида железа . Чтобы океан стал бескислородным, он должен иметь ограниченный газообмен с насыщенной кислородом атмосферой. Сторонники гипотезы утверждают, что повторное появление BIF в осадочных записях является результатом ограниченного уровня кислорода в океане, закрытом морским льдом, в то время как противники предполагают, что редкость отложений BIF может указывать на то, что они образовались во внутренних морях.

Будучи изолированными от океанов, такие озера могли быть застойными и бескислородными на глубине, как и сегодняшнее Черное море ; достаточный ввод железа может обеспечить необходимые условия для образования BIF. Еще одна трудность в предположении, что BIF ознаменовали конец оледенения, состоит в том, что они обнаружены в прослоях с ледниковыми отложениями. Поразительно отсутствие BIF и во время мариноского оледенения .

Покрытые карбонатные породы

Современный ледник

Вокруг кровли неопротерозойских ледниковых отложений обычно наблюдается резкий переход в химически осажденный осадочный известняк или доломит толщиной от метров до десятков метров. Эти покрывающие карбонаты иногда встречаются в осадочных толщах, в которых нет других карбонатных пород, что позволяет предположить, что их отложение является результатом глубокой аберрации в химии океана .

Вулканы, возможно, сыграли роль в восполнении CO.
2, возможно, положив конец глобальному ледниковому периоду криогенного периода.

Эти покрывающие карбонаты имеют необычный химический состав, а также странные осадочные структуры, которые часто интерпретируются как большие волны. Формирование таких осадочных пород могло быть вызвано большим притоком положительно заряженных ионов , что могло бы быть вызвано быстрым выветриванием во время экстремального парникового эффекта после земного снежного кома. Δ 13 С изотопной подписью карбонатов кепки рядом -5 ‰, в соответствии со значением мантийного-таким низкого значение, как правило , / может быть принято обозначать отсутствие жизни, так как фотосинтез обычно действует , чтобы повысить стоимость; в качестве альтернативы высвобождение метановых отложений могло снизить его с более высокого значения и уравновесить эффекты фотосинтеза.

Точный механизм, участвующий в образовании верхних карбонатов, не ясен, но наиболее цитируемое объяснение предполагает, что при таянии снежного кома на Земле вода растворяет избыток CO.
2из атмосферы с образованием угольной кислоты , которая выпадет в виде кислотного дождя . Это приведет к выветриванию обнаженных силикатных и карбонатных пород (включая легко разрушаемые ледниковые обломки), высвобождая большое количество кальция , который при смыве в океан образует отчетливо текстурированные слои карбонатных осадочных пород. Такой абиотический " карбонатный " осадок можно найти на вершине ледникового тилла, что привело к гипотезе о Земле как снежном коме.

Однако есть некоторые проблемы с обозначением ледникового происхождения карбонатов. Во-первых, высокая концентрация углекислого газа в атмосфере приведет к тому, что океаны станут кислыми и растворят любые содержащиеся внутри карбонаты, что резко противоречит отложению верхних карбонатов. Кроме того, толщина некоторых покрывающих карбонатов намного превышает ту, которую можно разумно получить при относительно быстром дегляциации. Причина еще более усугубляется отсутствием покрывающих карбонатов над многими последовательностями явного ледникового происхождения в одно и то же время и наличием подобных карбонатов в последовательностях предполагаемого ледникового происхождения. Альтернативный механизм, который , возможно, произвел Doushantuo карбонат колпачка , по меньшей мере, является быстрым, широким высвобождением метана. Это объясняет невероятно низкий - всего -48 ‰ - δ 13 C. значения, а также необычные осадочные образования, которые, по-видимому, образовались потоком газа через отложения.

Изменение кислотности

Изотопы элемента бора позволяют предположить, что рН океанов резко упал до и после мариноского оледенения. Это может указывать на накопление в атмосфере углекислого газа , часть которого растворяется в океанах с образованием угольной кислоты . Хотя вариации бора могут свидетельствовать об экстремальном изменении климата , они не обязательно подразумевают глобальное оледенение.

Космическая пыль

Поверхность Земли очень обеднена элементом иридий , который в основном находится в ядре Земли. Единственный значительный источник элемента на поверхности - космические частицы, которые достигают Земли. Во время снежного кома на Земле иридий будет накапливаться на ледяных щитах, а когда лед растает, образовавшийся слой осадка будет богат иридием. Иридия аномалия была обнаружена у основания карбонатных Колпачок образований, и используется , чтобы предположить , что ледниковый эпизод длился не менее 3 миллионов лет, но это не обязательно подразумевает глобальную степень , оледенения; действительно, подобная аномалия могла быть объяснена падением большого метеорита .

Циклические колебания климата

Используя соотношение подвижных катионов к тем, которые остаются в почвах во время химического выветривания (химический индекс изменения), было показано, что химическое выветривание изменялось циклически в пределах ледниковой последовательности, увеличиваясь в межледниковые периоды и уменьшаясь в холодные и засушливые периоды. ледниковые периоды. Этот образец, если он является истинным отражением событий, предполагает, что «Земли снежного кома» имели большее сходство с циклами ледникового периода плейстоцена, чем с полностью замерзшей Землей.

Кроме того, в ледниковых отложениях тиллитовой формации Порт-Аскайг в Шотландии четко прослеживаются циклы переслаивания ледниковых и мелководных морских отложений. Значение этих месторождений во многом зависит от их датировки. Ледниковые отложения трудно датировать, и ближайший к группе Портаскайг датированный слой находится на 8 км над интересующими нас слоями. Его возраст 600 млн лет означает, что слои могут быть условно соотнесены со стуртовским оледенением, но они могут представлять наступление или отступление Земли как снежного кома.

Механизмы

Одно компьютерное моделирование условий в период земного снежного кома

Инициирование земного снежного кома будет включать в себя некоторый начальный механизм охлаждения, который приведет к увеличению покрытия Земли снегом и льдом. Увеличение покрытия Земли снегом и льдом, в свою очередь, увеличит альбедо Земли , что приведет к положительной обратной связи для охлаждения. Если накапливается достаточно снега и льда, может возникнуть непродолжительное охлаждение. Этой положительной обратной связи способствует экваториальное континентальное распределение, которое позволяет льду накапливаться в регионах ближе к экватору, где солнечная радиация наиболее прямая.

Многие возможные триггерные механизмы могут объяснить начало снежного кома Земли, например, извержение супервулкана , снижение концентрации в атмосфере парниковых газов, таких как метан и / или углекислый газ , изменения в выходе солнечной энергии или возмущения Земли. орбита . Независимо от триггера, начальное охлаждение приводит к увеличению площади поверхности Земли, покрытой льдом и снегом, а дополнительный лед и снег отражает больше солнечной энергии обратно в космос, дополнительно охлаждая Землю и еще больше увеличивая площадь поверхности Земли, покрытую льдом. лед и снег. Эта петля положительной обратной связи может в конечном итоге привести к замерзшему экватору, столь же холодному, как современная Антарктида .

Глобальное потепление, связанное с большими скоплениями углекислого газа в атмосфере за миллионы лет, главным образом из-за вулканической активности, является предлагаемым спусковым механизмом для таяния снежного кома Земли. Из-за положительной обратной связи по таянию, для окончательного таяния снега и льда, покрывающего большую часть поверхности Земли, потребуется всего тысячелетие.

Континентальное распределение

Тропическое распределение континентов, что, возможно, противоречит интуиции, необходимо для того, чтобы дать Земле возникновение снежного кома. Во-первых, тропические континенты обладают большей отражающей способностью, чем открытый океан, и поэтому поглощают меньше солнечного тепла: большая часть поглощения солнечной энергии на Земле сегодня происходит в тропических океанах.

Кроме того, на тропических континентах выпадает больше осадков, что приводит к увеличению речного стока и эрозии. При контакте с воздухом силикатные породы претерпевают реакции выветривания, в результате которых из атмосферы удаляется углекислый газ. Эти реакции протекают в общем виде: породообразующий минерал + CO 2 + H 2 O → катионы + бикарбонат + SiO 2 . Пример такой реакции - выветривание волластонита :

CaSiO 3 + 2CO 2 + H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + 2HCO 3 -

Освобожденные кальция катионы реагируют с растворенным бикарбонатом в океане с образованием карбоната кальция в качестве химически осажденного осадочных пород . Это переносит углекислый газ , парниковый газ, из воздуха в геосферу , и в устойчивом состоянии в геологических временных масштабах компенсирует выброс углекислого газа из вулканов в атмосферу.

По состоянию на 2003 г. точное континентальное распределение в неопротерозое было трудно установить, потому что было слишком мало подходящих отложений для анализа. Некоторые реконструкции указывают на полярные континенты, которые были характерной чертой всех других крупных оледенений, обеспечивая точку, на которой может образовываться лед. Изменения в моделях циркуляции океана могли тогда послужить спусковым крючком для Земли как снежный ком.

Дополнительные факторы, которые, возможно, способствовали началу неопротерозойского снежного кома, включают введение атмосферного свободного кислорода, который, возможно, достиг достаточных количеств для реакции с метаном в атмосфере , окисляя его до углекислого газа, гораздо более слабого парникового газа и более молодого - таким образом более тусклое - Солнце, которое в неопротерозое испускало на 6 процентов меньше радиации.

Обычно, когда Земля становится холоднее из-за естественных климатических колебаний и изменений поступающей солнечной радиации, охлаждение замедляет эти реакции выветривания. В результате из атмосферы удаляется меньше углекислого газа, и Земля нагревается по мере накопления этого парникового газа - этот процесс « отрицательной обратной связи » ограничивает величину охлаждения. Однако в криогенный период все континенты Земли находились в тропических широтах, что сделало этот процесс замедления менее эффективным, поскольку высокие темпы выветривания продолжались на суше, даже когда Земля остывала. Это позволило льду продвигаться за пределы полярных регионов. Когда лед продвигается в пределах 30 ° от экватора, может возникнуть положительная обратная связь, так что повышенная отражательная способность ( альбедо ) льда приведет к дальнейшему охлаждению и образованию большего количества льда, пока вся Земля не покроется льдом.

Полярные континенты из-за низкой скорости испарения слишком сухие, чтобы допустить значительное отложение углерода, что ограничивает количество атмосферного углекислого газа, которое может быть удалено из углеродного цикла . Постепенное увеличение доли изотопа углерода-13 по сравнению с углеродом-12 в отложениях, предшествовавших «глобальному» оледенению, указывает на то, что CO
2 просадка Земли до снежного кома была медленным и непрерывным процессом.

Начало снежного кома Земли всегда отмечены резким падением значения δ 13 C отложений, что может быть связано с падением биологической продуктивности в результате низких температур и покрытых льдом океанов.

В январе 2016 года Gernon et al. предложил «гипотезу мелкого хребта», включающую распад суперконтинента Родиния , связывающую извержение и быстрое изменение гиалокластитов вдоль неглубоких хребтов с массивным увеличением щелочности в океане с толстым ледяным покровом. Gernon et al. продемонстрировали, что увеличения щелочности в ходе оледенения достаточно, чтобы объяснить толщину покрывающих карбонатов, образовавшихся после событий Snowball Earth.

В замороженный период

Глобальные ледяные щиты могли создать узкое место, необходимое для эволюции многоклеточной жизни.

Глобальная температура упала настолько низко, что на экваторе было так же холодно, как в современной Антарктиде . Эта низкая температура поддерживалась высоким альбедо ледяных щитов, которые отражали большую часть поступающей в космос солнечной энергии. Отсутствие теплоудерживающих облаков, вызванное вымерзанием водяного пара из атмосферы, усиливало этот эффект.

Выход из глобального оледенения

В двуокиси углерода уровни , необходимые для талой Земли были оценены как 350 раз больше, чем они являются сегодня, около 13% атмосферы. Поскольку Земля была почти полностью покрыта льдом, углекислый газ не мог быть удален из атмосферы путем высвобождения ионов щелочных металлов, выветривающихся из кремнистых пород . От 4 до 30 миллионов лет достаточно CO
2а метан , в основном излучаемый вулканами, но также производимый микробами, превращающими органический углерод, задержанный подо льдом, в газ, будет накапливаться, чтобы в конечном итоге вызвать достаточный парниковый эффект, чтобы заставить таять поверхностный лед в тропиках, пока не появится полоса постоянно свободных ото льда суши и воды. развитый; он будет темнее льда и, таким образом, поглотит больше энергии Солнца, инициируя « положительную обратную связь ».

Дестабилизация значительных залежей гидратов метана, запертых в вечной мерзлоте низких широт, могла также послужить спусковым крючком и / или сильной положительной обратной связью для дегляциации и потепления.

На континентах таяние ледников высвободит огромное количество ледниковых отложений, которые разрушатся и выветриваются. В результате осадки, поступающие в океан, будут содержать много питательных веществ, таких как фосфор , что в сочетании с изобилием CO.
2вызовет взрыв популяции цианобактерий , который вызовет относительно быструю реоксигенацию атмосферы, что, возможно, способствовало подъему эдиакарской биоты и последующему кембрийскому взрыву - более высокая концентрация кислорода, позволяющая развиваться крупным многоклеточным формам жизни. Хотя петля положительной обратной связи растопила бы лед в кратчайшие с геологической точки зрения сроки, возможно, менее чем за 1000 лет, пополнение атмосферного кислорода и истощение углекислого газа
2уровни потребуют дальнейших тысячелетий .

Возможно, уровень углекислого газа упал настолько, чтобы Земля снова замерзла; этот цикл мог повторяться до тех пор, пока континенты не переместились в более полярные широты.

Более свежие данные свидетельствуют о том, что с более низкими температурами океана, в результате более высокая способность океанов растворять газы, приводила к тому, что углерод, содержащийся в морской воде, быстрее окислялся до двуокиси углерода. Это непосредственно ведет к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, усиленному парниковому потеплению поверхности Земли и предотвращению состояния полного снежного кома.

В течение миллионов лет криоконит накапливался на льду и внутри него. Психрофильные микроорганизмы, вулканический пепел и пыль из свободных ото льда мест поселятся на льду, покрывающем несколько миллионов квадратных километров. Как только лед начнет таять, эти слои станут видимыми и окрасят ледяные поверхности в темный цвет, что ускорит процесс.

Ультрафиолетовый свет Солнца также производит перекись водорода (H 2 O 2 ), когда попадает на молекулы воды. Обычно перекись водорода расщепляется солнечным светом, но некоторые из них оказались бы внутри льда. Когда ледники начали таять, он был выпущен как в океан, так и в атмосферу, где был разделен на молекулы воды и кислорода, что привело к увеличению содержания кислорода в атмосфере.

Гипотеза Slushball Earth

Хотя наличие ледников не оспаривается, идея о том, что вся планета была покрыта льдом, является более спорной, что побудило некоторых ученых постулировать «Землю слякотного шара», в которой остается полоса свободной ото льда или тонкой, как лед, воды. вокруг экватора , что обеспечивает непрерывный гидрологический цикл .

Эта гипотеза привлекает ученых, которые наблюдают определенные особенности осадочных отложений, которые могут быть сформированы только под открытой водой или быстро движущимся льдом (для чего потребуется место, свободное ото льда). Недавние исследования наблюдали геохимическую цикличность в обломочных породах , показав, что периоды «снежного кома» перемежались периодами потепления, подобными циклам ледникового периода в недавней истории Земли. Попытки построить компьютерные модели Земли как снежного кома также были изо всех сил пытались приспособить глобальный ледяной покров без фундаментальных изменений в законах и константах, управляющих планетой.

Менее экстремальная гипотеза о Земле как снежный ком включает в себя постоянно развивающиеся континентальные конфигурации и изменения в циркуляции океана. Синтезированные данные позволили создать модели, указывающие на «шарообразную Землю», стратиграфические данные которой не позволяют постулировать полное глобальное оледенение. Первоначальная гипотеза Киршивинка исходила из предположения, что на Земле-снежном коме могут существовать теплые тропические лужи.

Гипотеза Земли как снежного кома не объясняет ни чередование ледниковых и межледниковых событий, ни колебания границ ледникового покрова.

Научный спор

Аргументом против гипотезы является свидетельство колебания ледяного покрова и таяния во время отложений "Земля снежного кома". Доказательства такого таяния исходят из свидетельств ледниковых камней, геохимических свидетельств цикличности климата и переслаивания ледниковых и мелководных морских отложений. Более длинная запись из Омана, ограниченная 13 ° северной широты, охватывает период от 712 до 545 миллионов лет назад - период времени, в течение которого происходили стуртийские и мариноанские оледенения - и показывает как ледниковые, так и незамерзающие отложения.

Возникли трудности с воссозданием Земли как снежного кома с помощью глобальных климатических моделей . Простые ГКМ со смешанными слоями океанов можно заставить замерзнуть до экватора; более сложная модель с полным динамическим океаном (хотя и примитивная модель морского льда) не смогла сформировать морской лед до экватора. Кроме того, уровни CO
2 необходимое для таяния глобального ледяного покрова, по расчетам, составляет 130 000 частей на миллион, что некоторые считают неоправданно большим.

Было обнаружено, что данные по изотопу стронция расходятся с предложенными моделями Земли как снежного кома прекращения силикатного выветривания во время оледенения и быстрыми темпами сразу после оледенения. Таким образом, выброс метана из вечной мерзлоты во время морской трансгрессии был предложен как источник большого измеренного выброса углерода сразу после оледенения.

Гипотеза "разлома молнии"

Ник Эйлс предполагает, что неопротерозойская Земля-снежок на самом деле ничем не отличалась от любого другого оледенения в истории Земли, и что попытки найти единственную причину могут закончиться неудачей. Гипотеза «разлома молнии» предлагает два импульса континентального «расстегивания» - во-первых, распад суперконтинента Родинии, образующий прототихоокеанский океан; затем отделение материка Балтика от Лаврентии , образуя протоатлантический океан, совпало с ледниковыми периодами. Связанное с этим тектоническое поднятие образовало бы высокие плато, точно так же, как Восточно-Африканский рифт отвечает за высокий рельеф; тогда это возвышение могло вместить ледники.

Пластинчатые образования железа считаются неизбежным доказательством существования глобального ледяного покрова, поскольку для их образования требуются растворенные ионы железа и бескислородная вода ; однако ограниченная протяженность полосчатых залежей железа в неопротерозое означает, что они могли образоваться не в замерзших океанах, а во внутренних морях. Такие моря могут испытывать широкий спектр химического состава; высокие скорости испарения могут концентрировать ионы железа, а периодическое отсутствие циркуляции может привести к образованию бескислородной донной воды.

Континентальный рифтогенез с сопутствующим опусканием обычно приводит к образованию таких не имеющих выхода к морю водоемов. Этот рифтогенез и связанное с ним оседание создадут пространство для быстрого отложения отложений, исключив необходимость в огромном и быстром таянии, чтобы поднять глобальный уровень моря.

Гипотеза высокого угла наклона

Конкурирующая гипотеза, объясняющая присутствие льда на экваториальных континентах, заключалась в том, что наклон оси Земли был довольно большим, около 60 °, что поместило бы Землю в высокие «широты», хотя подтверждающих доказательств мало. Менее экстремальной возможностью было бы то, что это был просто магнитный полюс Земли, который отклонился от этого наклона, поскольку магнитные показания, которые предполагали, что континенты, заполненные льдом, зависят от магнитного полюса и полюса вращения, которые относительно схожи. В любой из этих двух ситуаций замораживание будет ограничено относительно небольшими территориями, как это имеет место сегодня; в серьезных изменениях климата Земли нет необходимости.

Инерционный обмен истинным полярным блужданием

Свидетельства наличия ледниковых отложений в низких широтах во время предполагаемых эпизодов «снежного кома» на Земле были переинтерпретированы с помощью концепции инерционного обмена истинным полярным блужданием (IITPW). Эта гипотеза, созданная для объяснения палеомагнитных данных, предполагает, что ориентация Земли относительно ее оси вращения сместилась один или несколько раз в течение общего периода времени, приписываемого Земле снежного кома. Это могло бы реально привести к тому же распределению ледниковых отложений, не требуя, чтобы какое-либо из них было отложено на экваториальной широте. Хотя физика, лежащая в основе этого предложения, верна, удаление одной ошибочной точки данных из первоначального исследования сделало применение концепции в этих обстоятельствах неоправданным.

Было предложено несколько альтернативных объяснений доказательств.

Выживание жизни в замороженные периоды

Черный курильщик , типа гидротермальных жерл

Огромное оледенение сократит фотосинтезирующую жизнь на Земле, тем самым истощая кислород в атмосфере и тем самым позволяя образовываться неокисленным железным породам.

Критики утверждают, что такое оледенение привело бы к полному исчезновению жизни. Однако микрофоссилии, такие как строматолиты и онколиты, доказывают, что, по крайней мере, в мелководной морской среде жизнь не подвергалась никаким нарушениям. Вместо этого жизнь приобрела трофическую сложность и пережила холодный период невредимой. Сторонники возражают, что жизнь могла выжить следующими способами:

  • В резервуарах анаэробной жизни с низким содержанием кислорода, питаемой химическими веществами в глубоких океанических гидротермальных жерлах, сохранившихся в глубоких океанах и земной коре ; но фотосинтез там был бы невозможен.
  • Под слоем льда, в хемолитотрофных (метаболизирующих минералы) экосистемах, теоретически напоминающих те, что существуют в современных ледниковых ложах, высокогорных и арктических осыпях вечной мерзлоты и базальных ледниковых льдах. Это особенно вероятно в районах вулканической или геотермальной активности.
  • В карманах с жидкой водой внутри и под ледяными шапками, как в озере Восток в Антарктиде. Теоретически эта система может напоминать микробные сообщества, обитающие в вечно мерзлых озерах засушливых долин Антарктики. Фотосинтез может происходить под льдом толщиной до 100 м, а при температурах, предсказываемых моделями, экваториальная сублимация не позволит экваториальной толщине льда превышать 10 м.
  • Яйца, спящие клетки и споры глубоко замораживаются во льду в самые тяжелые фазы замороженного периода.
  • В небольших районах открытой воды в глубоководных районах океана, где сохраняется небольшое количество жизни с доступом к свету и углекислому газу.
    2    для фотосинтезаторов (не многоклеточных растений, которых еще не было), чтобы производить следы кислорода, которых было достаточно для поддержания некоторых кислородзависимых организмов. Это произошло бы, даже если бы море полностью замерзло, если бы небольшие части льда были достаточно тонкими, чтобы пропускать свет. Эти небольшие области открытой воды, возможно, возникли в глубоководных районах океана вдали от суперконтинента Родиния или его остатков, когда он распался и дрейфовал по тектоническим плитам .
  • В слоях «грязного льда» поверх ледяного покрова, покрывающего мелководные моря внизу. Животные и морская грязь замерзли бы в основании льда и постепенно концентрировались бы на его поверхности по мере испарения льда наверху. Маленькие водоемы кишели жизнью благодаря потоку питательных веществ через лед. Такая среда могла покрывать примерно 12 процентов мировой поверхности.
  • В небольших оазисах с жидкой водой, которые можно найти рядом с горячими геотермальными точками, напоминающими сегодняшнюю Исландию .
  • В областях нунатаков в тропиках , где дневное тропическое солнце или вулканическая жара нагревали голые скалы, защищенные от холодного ветра, и образовывали небольшие временные бассейны таяния, которые замерзали на закате.
  • Насыщенная кислородом подледниковая талая вода вместе с богатыми железом осадками, растворенными в ледниковой воде, создавала кислородный насос талой воды, когда она входила в океан, где она снабжала эукариот кислородом, а фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы - достаточным количеством питательных веществ для поддержания экосистемы. Пресная вода также смешалась с гиперсоленой морской водой, что создало области, менее враждебные эукариотической жизни, чем где-либо еще в океане.

Однако организмы и экосистемы, насколько это можно определить по летописи окаменелостей, похоже, не претерпели значительных изменений, которых можно было бы ожидать в результате массового вымирания . С появлением более точных датировок было показано, что вымирание фитопланктона, которое было связано со снежным комом Земли, предшествовало оледенению на 16 миллионов лет. Даже если бы жизнь сохранилась во всех экологических убежищах, перечисленных выше, оледенение всей Земли привело бы к появлению биоты с заметно другим разнообразием и составом. Это изменение в разнообразии и составе еще не наблюдалось - фактически, организмы, которые должны быть наиболее восприимчивы к климатическим изменениям, появляются невредимыми из снежного кома Земли. Одним из опровержений этому является тот факт, что во многих из этих мест, где приводится аргумент против массового вымирания, вызванного снежным комом Земли, криогенная летопись окаменелостей чрезвычайно бедна.

Подразумеваемое

Снежный ком Земля имеет огромное значение в истории жизни на Земле. Хотя постулировалось множество рефугиумов , глобальный ледяной покров, несомненно, разрушил бы экосистемы, зависящие от солнечного света. Геохимические данные из горных пород, связанных с низкоширотными ледниковыми отложениями, были интерпретированы как свидетельство крушения океанической жизни во время ледников.

Поскольку примерно половина воды океанов была заморожена в виде льда, оставшаяся вода была бы вдвое более соленой, чем сегодня, что снизило бы ее точку замерзания. Когда ледяной покров растает, он покроет океаны слоем горячей пресной воды толщиной до 2 километров. Только после того, как горячая поверхностная вода смешалась с более холодной и глубокой соленой водой, море вернулось к более теплому и менее соленому состоянию.

Таяние льда, возможно, предоставило много новых возможностей для диверсификации и, возможно, действительно стимулировало быструю эволюцию, которая имела место в конце криогенного периода.

Влияние на раннюю эволюцию

Dickinsonia costata , эдиакарский организм неизвестного происхождения, со стеганой внешностью.

Неопротерозойский было время замечательной диверсификации многоклеточных организмов, включая животных. После окончания снежных оледенений размер и сложность организмов значительно увеличились. Такое развитие многоклеточных организмов могло быть результатом возросшего эволюционного давления в результате множественных циклов ледник-теплица ; в этом смысле эпизоды «снежного кома» на Земле могли «подкачать» эволюцию. В качестве альтернативы могли сыграть свою роль колебания уровня питательных веществ и повышение содержания кислорода. Другой крупный ледниковый эпизод мог закончиться всего за несколько миллионов лет до кембрийского взрыва .

Одна из гипотез, которая в последние годы набирает обороты: ранняя Земля, как снежный ком, не столько повлияла на эволюцию жизни на Земле, сколько возникла в результате этого. На самом деле две гипотезы не исключают друг друга. Идея состоит в том, что земные формы жизни влияют на глобальный углеродный цикл, и поэтому основные эволюционные события изменяют углеродный цикл, перераспределяя углерод в различных резервуарах внутри биосферной системы и в процессе временно понижая атмосферный (парниковый) резервуар углерода до тех пор, пока пересмотренная биосферная система не установится. в новое состояние. Эпизод Снежок I ( гуронского оледенения от 2,4 до 2,1 миллиарда лет) и Снежок II ( криогенный период докембрия между 580 и 850 миллионами лет и сам по себе имел ряд отдельных эпизодов), соответственно, как полагают, вызваны эволюцией оксигенации. фотосинтез, а затем возникновение более продвинутых многоклеточных животных и заселение земли жизнью.

Влияние на циркуляцию океана

Глобальный ледяной покров, если он существовал, мог - в сочетании с геотермальным нагревом - привести к живому, хорошо перемешанному океану с большой вертикальной конвективной циркуляцией.

Возникновение и время

Неопротерозойский

В позднем неопротерозое было три или четыре значительных ледниковых периода . Из них самым значительным было мариноанское время, и стуртовские оледенения также были широко распространены. Даже ведущий сторонник снежного кома Хоффман согласен с тем, что 350-тысячелетнее оледенение Гаскье не привело к глобальному оледенению, хотя оно, вероятно, было таким же интенсивным, как оледенение позднего ордовика . Статус «оледенения» или «похолодания» Кайгаза в настоящее время неясен; некоторые ученые не считают его ледниковым, другие подозревают, что он может отражать плохо датированные слои ассоциации Стурта, а другие полагают, что это действительно может быть третий ледниковый период. Это, безусловно, было менее значительным, чем Стуртовское или Мариноское оледенения, и, вероятно, не было глобальным по размеру. Новые данные свидетельствуют о том, что Земля претерпела ряд оледенений в неопротерозое, что сильно противоречит гипотезе снежного кома.

Палеопротерозойский

Основная статья: гуронское оледенение

Гипотеза Земли как снежного кома использовалась для объяснения ледниковых отложений в гуронской супергруппе Канады, хотя палеомагнитные данные, свидетельствующие о ледяных покровах в низких широтах, оспариваются. Ледниковые отложения формации Макганьене в Южной Африке немного моложе гуронских ледниковых отложений (возраст ~ 2,25 миллиарда лет) и отложились в тропических широтах. Было высказано предположение, что увеличение свободного кислорода, которое произошло во время Великого события оксигенации, удаляло метан в атмосфере путем окисления. Поскольку в то время Солнце было заметно слабее, климат Земли, возможно, зависел от метана, мощного парникового газа, для поддержания температуры поверхности выше нуля.

В отсутствие этой метановой теплицы температура резко упала, и мог произойти снежный ком.

Ледниковый период Кару

До появления теории дрейфа континентов ледниковые отложения в пластах каменноугольного периода в тропических континентальных областях, таких как Индия и Южная Америка, привели к предположению, что оледенение ледникового периода Кару достигло тропиков. Однако реконструкция континента показывает, что на самом деле лед был прикован к полярным частям суперконтинента Гондвана .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки