Snowball Earth — геоисторическая гипотеза, которая предполагает, что во время одного или нескольких ледниковых климатов Земли поверхность планеты почти полностью замерзала, и не было никакой жидкой океанической или поверхностной воды, подвергавшейся воздействию атмосферы . Считается, что наиболее академически упоминаемый период такого глобального ледникового периода произошел некоторое время до 650 млн лет назад во время криогенового периода, который включал по крайней мере два крупных ледниковых периода — стертовское и мариноанское оледенения .
Сторонники гипотезы утверждают, что она лучше всего объясняет осадочные отложения , которые, как обычно полагают, имеют ледниковое происхождение в тропических палеоширотах , и другие загадочные особенности в геологической летописи. Противники гипотезы оспаривают геологические свидетельства глобального оледенения и геофизическую возможность существования океана, покрытого льдом или снежной кашей, [3] [4] и подчеркивают сложность выхода из полностью замерзшего состояния. Остается несколько вопросов без ответа, в том числе, была ли Земля полным « снежным комом » или « снежным комом » с тонкой экваториальной полосой открытой (или сезонно открытой) воды. Предполагается, что эпизоды «Земли-снежка» произошли до внезапных излучений многоклеточных биоформ , известных как взрывы Авалона и Кембрия ; последний эпизод «Снежка» мог спровоцировать эволюцию многоклеточности.
Задолго до того, как впервые была предложена идея глобального оледенения, был сделан ряд открытий, которые накопили доказательства древних докембрийских оледенений. Первое из этих открытий было опубликовано в 1871 году Дж. Томсоном, который нашел древний переработанный ледником материал ( тиллит ) в Айле , Шотландия. [5] Аналогичные открытия последовали в Австралии (1884) и Индии (1887). Четвертое и очень показательное открытие, которое стало известно как « морена Ройша », было сделано Гансом Ройшем в северной Норвегии в 1891 году. Затем последовало много других открытий, но их понимание было затруднено отказом (в то время) от континентального дрейфа . [6]
Дуглас Моусон , австралийский геолог и исследователь Антарктики, провел большую часть своей карьеры, изучая стратиграфию неопротерозоя в Южной Австралии, где он обнаружил толстые и обширные ледниковые отложения. В результате, в конце своей карьеры, он размышлял о возможности глобального оледенения. [7]
Однако идеи Моусона о глобальном оледенении основывались на ошибочном предположении, что географическое положение Австралии и других континентов, где обнаружены ледниковые отложения низких широт , оставалось неизменным с течением времени. [ необходима ссылка ] С развитием гипотезы дрейфа континентов и, в конечном итоге, теории тектоники плит появилось более простое объяснение гляциогенных отложений — они отложились в то время, когда континенты находились в более высоких широтах.
В 1964 году идея глобального оледенения вновь возникла, когда У. Брайан Харланд опубликовал статью, в которой представил палеомагнитные данные, показывающие, что ледниковые тиллиты на Шпицбергене и в Гренландии отложились в тропических широтах. [8] На основании этих данных и седиментологических доказательств того, что ледниковые отложения прерывают последовательности пород, обычно связанных с тропическими и умеренными широтами, он утверждал, что произошел ледниковый период , который был настолько экстремальным, что привел к отложению морских ледниковых пород в тропиках.
В 1960-х годах Михаил Будыко , советский климатолог, разработал простую модель климата с энергетическим балансом для исследования влияния ледяного покрова на глобальный климат. Используя эту модель, Будыко обнаружил, что если ледяные щиты достаточно далеко выдвигались из полярных регионов, возникала петля обратной связи , в которой повышенная отражательная способность ( альбедо ) льда приводила к дальнейшему охлаждению и образованию большего количества льда, пока вся Земля не покрывалась льдом и не стабилизировалась в новом равновесии, покрытом льдом. [9] Хотя модель Будыко показала, что эта стабильность льда и альбедо могла произойти, он пришел к выводу, что на самом деле этого никогда не происходило, поскольку его модель не предлагала способа избежать такой петли обратной связи.
В 1971 году американский физик Арон Фаэгре показал, что похожая модель энергетического баланса предсказывает три стабильных глобальных климата, одним из которых является снежная Земля. [10] Эта модель ввела концепцию нетранзитивности Эдварда Нортона Лоренца , указывающую на возможность резкого скачка от одного климата к другому, в том числе к снежной Земле.
Термин «Земля-снежок» был введен Джозефом Киршвинком в короткой статье, опубликованной в 1992 году в рамках объемного тома, посвященного биологии протерозойской эры . [11] Основными вкладами этой работы стали: (1) признание того, что наличие полосчатых железистых образований согласуется с таким глобальным ледниковым эпизодом, и (2) введение механизма, с помощью которого можно избежать полностью покрытой льдом Земли, а именно, накопления CO 2 в результате вулканического газовыделения, приводящего к ультрапарниковому эффекту .
Открытие Франклином Ван Хаутеном последовательной геологической модели, в которой уровни озер поднимались и опускались, теперь известно как «цикл Ван Хаутена». Его исследования фосфорных отложений и полосчатых железных образований в осадочных породах сделали его одним из первых сторонников гипотезы снежного кома Земли, постулирующей, что поверхность планеты замерзла более 650 млн лет назад. [12]
Интерес к идее Земли-снежка резко возрос после того, как Пол Ф. Хоффман и его коллеги применили идеи Киршвинка к последовательности неопротерозойских осадочных пород в Намибии и развили гипотезу в журнале Science в 1998 году, включив в нее такие наблюдения, как наличие покровных карбонатов . [13]
В 2010 году Фрэнсис А. Макдональд, доцент Гарвардского университета на кафедре наук о Земле и планетах, и другие сообщили о доказательствах того, что Родиния находилась на экваториальной широте во время криогенового периода с ледниковым льдом на уровне или ниже уровня моря, и что связанное с этим стертовское оледенение было глобальным. [14]
Гипотеза о снежном коме Земли изначально была разработана для объяснения геологических свидетельств очевидного присутствия ледников в тропических широтах. [15] Согласно моделированию, обратная связь между льдом и альбедо приведет к быстрому продвижению ледникового льда к экватору, как только ледники раскинутся на расстояние от 25° [16] до 30° [17] от экватора. Таким образом, наличие ледниковых отложений в тропиках предполагает наличие глобального ледяного покрова.
Поэтому для оценки обоснованности теории критически важным является понимание надежности и значимости доказательств, которые привели к убеждению, что лед когда-либо достигал тропиков. Эти доказательства должны доказать три вещи:
Этот последний пункт очень трудно доказать. До эдиакарского периода биостратиграфические маркеры , обычно используемые для корреляции пород, отсутствуют; поэтому нет способа доказать, что породы в разных местах по всему миру отлагались в одно и то же время. Лучшее, что можно сделать, это оценить возраст пород с помощью радиометрических методов, которые редко бывают точными лучше миллиона лет или около того. [18]
Первые два пункта часто являются источником разногласий в каждом конкретном случае. Многие ледниковые особенности могут быть созданы и неледниковыми средствами, и оценка приблизительных широт суши даже совсем недавно, 200 млн лет назад, может быть полна трудностей. [19]
Гипотеза о снежном коме Земли была впервые выдвинута для объяснения того, что тогда считалось ледниковыми отложениями вблизи экватора. Поскольку тектонические плиты медленно движутся с течением времени, определить их положение в заданной точке долгой истории Земли непросто. В дополнение к соображениям о том, как узнаваемые массивы суши могли совмещаться, широта, на которой откладывалась порода, может быть ограничена палеомагнетизмом.
Когда образуются осадочные породы , магнитные минералы в них имеют тенденцию выравниваться с магнитным полем Земли . Благодаря точному измерению этого палеомагнетизма можно оценить широту (но не долготу ), где была сформирована матрица породы. Палеомагнитные измерения показали, что некоторые отложения ледникового происхождения в неопротерозойской каменистой летописи были отложены в пределах 10 градусов от экватора, [20] хотя точность этой реконструкции под вопросом. [18] Это палеомагнитное расположение, по-видимому, ледниковых отложений (таких как дропстоуны ) было принято для предположения, что ледники простирались от суши до уровня моря в тропических широтах во время отложения осадков. Неясно, подразумевает ли это глобальное оледенение или существование локализованных, возможно, замкнутых на суше ледниковых режимов. [21] Другие даже предположили, что большинство данных не ограничивают какие-либо ледниковые отложения в пределах 25° от экватора. [22]
Скептики предполагают, что палеомагнитные данные могли быть искажены, если древнее магнитное поле Земли существенно отличалось от современного. В зависимости от скорости охлаждения ядра Земли , возможно, что во время протерозоя магнитное поле не приближалось к простому дипольному распределению, при котором северный и южный магнитные полюса примерно выровнены с осью планеты, как это происходит сегодня. Вместо этого более горячее ядро могло циркулировать более энергично и порождать 4, 8 или более полюсов. Палеомагнитные данные тогда пришлось бы переосмыслить, поскольку осадочные минералы могли выровняться, указывая на «западный полюс», а не на северный магнитный полюс . В качестве альтернативы дипольное поле Земли могло быть ориентировано таким образом, что полюса были близки к экватору. Эта гипотеза была выдвинута для объяснения необычайно быстрого движения магнитных полюсов, подразумеваемого палеомагнитной записью эдиакарского периода; предполагаемое движение северного магнитного полюса произошло бы примерно в то же время, что и оледенение Гаскье . [23]
Еще одной слабостью опоры на палеомагнитные данные является сложность определения того, является ли записанный магнитный сигнал оригинальным или он был сброшен более поздней активностью. Например, горообразующая орогенезис выделяет горячую воду как побочный продукт метаморфических реакций; эта вода может циркулировать в скалах на расстоянии в тысячи километров и сбрасывать их магнитную сигнатуру. Это затрудняет определение подлинности скал старше нескольких миллионов лет без кропотливых минералогических наблюдений. [16] Более того, накапливаются дополнительные доказательства того, что имели место крупномасштабные события перемагничивания, которые могут потребовать пересмотра предполагаемых положений палеомагнитных полюсов. [24] [25]
В настоящее время существует только одно месторождение, месторождение Элатина в Австралии, которое, несомненно, отложилось в низких широтах; его дата отложения хорошо известна, а сигнал, несомненно, является оригинальным. [26]
Осадочные породы, отложенные ледниками, имеют отличительные черты, которые позволяют их идентифицировать. Задолго до появления гипотезы о снежной Земле многие неопротерозойские отложения интерпретировались как имеющие ледниковое происхождение, включая некоторые, по-видимому, в тропических широтах во время их отложения. Однако многие осадочные особенности, традиционно связываемые с ледниками, могут быть образованы и другими способами. [27] Таким образом, ледниковое происхождение многих ключевых явлений для снежной Земли было оспорено. [18] По состоянию на 2007 год существовала только одна «очень надежная» — все еще оспариваемая [18] — исходная точка, идентифицирующая тропические тиллиты, [20] что делает утверждения об экваториальном ледяном покрове несколько самонадеянными. Однако накапливаются свидетельства оледенения на уровне моря в тропиках во время стертовского оледенения. [28] [29] Свидетельства возможного ледникового происхождения осадков включают:
Похоже, что некоторые отложения, образовавшиеся в период снежного кома, могли образоваться только при наличии активного гидрологического цикла . Полосы ледниковых отложений толщиной до 5500 метров, разделенные небольшими (метрами) полосами неледниковых осадков, демонстрируют, что ледники таяли и повторно формировались неоднократно в течение десятков миллионов лет; твердые океаны не допустили бы такого масштаба отложений. [33] Считается [ кем? ] возможным, что ледяные потоки , такие как наблюдаемые сегодня в Антарктиде, могли вызвать эти последовательности. Кроме того, осадочные особенности, которые могли образоваться только в открытой воде (например: волнообразная рябь , далеко перенесенные 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, [34] компьютерное моделирование предполагает, что большие площади океана должны были оставаться свободными ото льда, утверждая, что «твердый» снежный ком не является правдоподобным с точки зрения энергетического баланса и моделей общей циркуляции. [35]
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 , как правило, преимущественно включают более легкий изотоп 12 C. Таким образом, обитающие в океане фотосинтезирующие организмы, как простейшие, так и водоросли , как правило, очень слабо обеднены 13 C по сравнению с его обилием, обнаруженным в первичных вулканических источниках углерода Земли. Поэтому океан с фотосинтетической жизнью будет иметь более низкое соотношение 13 C/ 12 C в органических остатках и более высокое соотношение в соответствующей океанской воде. Органический компонент литифицированных осадков будет оставаться очень слабо, но измеримо обедненным 13 C.
Силикатное выветривание , неорганический процесс, посредством которого углекислый газ извлекается из атмосферы и откладывается в горных породах, также фракционирует углерод. Размещение нескольких крупных магматических провинций незадолго до криогена и последующее химическое выветривание огромных континентальных базальтов, созданных ими, чему способствовал распад Родинии, который подверг многие из этих базальтов более теплым и влажным условиям ближе к побережью и ускорил химическое выветривание, также, как полагают, вызвало значительный положительный сдвиг в изотопных соотношениях углерода и способствовало началу стертовского оледенения. [36]
В течение предполагаемого эпизода снежного кома Земли наблюдаются быстрые и экстремальные отрицательные колебания в соотношении 13 C к 12 C. [37] Тщательный анализ времени «пиков» 13 C в отложениях по всему миру позволяет распознать четыре, возможно, пять ледниковых событий в позднем неопротерозое. [38]
Полосчатые железистые формации (BIF) представляют собой осадочные породы слоистого оксида железа и бедного железом кремня . В присутствии кислорода железо естественным образом ржавеет и становится нерастворимым в воде. Полосчатые железистые формации обычно очень старые, и их отложение часто связано с окислением атмосферы Земли в палеопротерозойскую эру, когда растворенное железо в океане вступало в контакт с фотосинтетически произведенным кислородом и выпадало в осадок в виде оксида железа.
Полосы образовались в переломный момент между бескислородным и насыщенным кислородом океаном. Поскольку сегодняшняя атмосфера богата кислородом (почти 21% по объему) и находится в контакте с океанами, невозможно накопить достаточно оксида железа для отложения полосчатой формации. Единственные обширные железные формации, которые отложились после палеопротерозоя (после 1,8 млрд лет назад), связаны с криогеновыми ледниковыми отложениями.
Для того, чтобы такие богатые железом породы отложились, в океане должна быть аноксия , так что много растворенного железа (в виде оксида железа ) могло бы накопиться до того, как оно встретится с окислителем , который осадит его в виде оксида железа . Для того, чтобы океан стал аноксией, он должен иметь ограниченный газообмен с насыщенной кислородом атмосферой. Сторонники этой гипотезы утверждают, что повторное появление BIF в осадочной летописи является результатом ограниченного уровня кислорода в океане, запечатанном морским льдом. [11] Ближе к концу периода оледенения произойдет восстановление газообмена между океаном и атмосферой, окислившей морскую воду, богатую двухвалентным железом. [39] Положительный сдвиг в δ 56 Fe IRMM-014 от нижних к верхним слоям криогеновых BIF может отражать увеличение закисления океана, поскольку верхние слои откладывались по мере того, как все больше и больше океанического ледяного покрова таяло, и все больше углекислого газа растворялось в океане. [40]
Противники гипотезы 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 ; достаточное поступление железа могло обеспечить необходимые условия для формирования BIF. [18] Еще одна трудность в предположении, что BIF ознаменовали конец оледенения, заключается в том, что они обнаружены переслаивающимися с ледниковыми отложениями; [21] такое переслаивание было предложено как артефакт циклов Миланковича , которые периодически нагревали моря достаточно, чтобы обеспечить газообмен между атмосферой и океаном и осадить BIF. [41]
Вокруг верхней части неопротерозойских ледниковых отложений обычно наблюдается резкий переход в химически осажденный осадочный известняк или доломит толщиной от нескольких метров до десятков метров. [42] Эти покрывающие карбонаты иногда встречаются в осадочных последовательностях, которые не имеют других карбонатных пород, что позволяет предположить, что их отложение является результатом глубокого отклонения в химии океана. [43]
Эти карбонаты крышки имеют необычный химический состав, а также странные осадочные структуры, которые часто интерпретируются как большие волны. [44] Образование таких осадочных пород могло быть вызвано большим притоком положительно заряженных ионов , как это было бы вызвано быстрым выветриванием во время экстремального парникового эффекта после снежного кома Земли. Изотопная сигнатура δ 13 C карбонатов крышки составляет около −5 ‰, что согласуется со значением мантии — такое низкое значение можно было бы принять за признак отсутствия жизни, поскольку фотосинтез обычно повышает значение; в качестве альтернативы высвобождение залежей метана могло бы понизить его с более высокого значения и уравновесить эффекты фотосинтеза.
Механизм, участвующий в формировании карбонатных крышек, не ясен, но наиболее цитируемое объяснение предполагает, что при таянии снежного кома Земли вода растворила бы обильный CO 2 из атмосферы, образовав угольную кислоту , которая выпала бы в виде кислотного дождя . Это вывело бы наружу силикатные и карбонатные породы (включая легко атакуемые ледниковые обломки), высвободив большое количество кальция, который при смывании в океан образовал бы отчетливо текстурированные слои карбонатных осадочных пород. Такой абиотический «карбонатный крышек» осадок можно найти поверх ледникового тилла, что дало начало гипотезе снежного кома Земли.
Однако существуют некоторые проблемы с обозначением ледникового происхождения для покрывающих карбонатов. Высокая концентрация углекислого газа в атмосфере привела бы к тому, что океаны стали бы кислыми и растворили бы любые карбонаты, содержащиеся в них, что резко противоречит отложению покрывающих карбонатов. Толщина некоторых покрывающих карбонатов намного превышает ту, которая могла бы быть разумно образована при относительно быстрой дегляциации. Причина еще больше ослабляется отсутствием покрывающих карбонатов над многими последовательностями чисто ледникового происхождения в то же время и наличием подобных карбонатов в последовательностях предполагаемого ледникового происхождения. [18] Альтернативным механизмом, который мог бы образовать по крайней мере покрывающий карбонат Доушаньто , является быстрое, широко распространенное высвобождение метана. Это объясняет невероятно низкое — всего лишь −48 ‰— δ 13 Cзначения, а также необычные осадочные особенности, которые, по-видимому, были сформированы потоком газа через отложения. [45]
Изотопы бора предполагают, что pH океанов резко упал до и после оледенения Мариноан . [46] Это может указывать на накопление углекислого газа в атмосфере, часть которого растворилась в океанах, образуя угольную кислоту. Хотя изменения бора могут быть свидетельством экстремального изменения климата, они не обязательно подразумевают глобальное оледенение.
Поверхность Земли очень обеднена иридием , который в основном находится в ядре Земли. Единственным значительным источником этого элемента на поверхности являются космические частицы, которые достигают Земли. Во время снежного кома на Земле иридий накапливался на ледяных щитах, а когда лед растаял, образовавшийся слой осадка был богат иридием. Аномалия иридия была обнаружена в основании карбонатных образований шапки и использовалась для предположения, что ледниковый период длился по крайней мере 3 миллиона лет, [47] но это не обязательно подразумевает глобальный масштаб оледенения; действительно, подобную аномалию можно было бы объяснить ударом большого метеорита . [48]
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 течение ледниковой последовательности, усиливаясь в межледниковые периоды и ослабевая в холодные и засушливые ледниковые периоды. [49] Эта модель, если она является истинным отражением событий, предполагает, что «снежные Земли» имели большее сходство с циклами плейстоценового ледникового периода, чем с полностью замерзшей Землей.
Кроме того, ледниковые отложения формации Порт-Аскайг Тиллит в Шотландии ясно показывают чередующиеся циклы ледниковых и мелководных морских отложений. [50] Значимость этих отложений в значительной степени зависит от их датировки. Ледниковые отложения трудно датировать, и ближайший датированный пласт к группе Порт-Аскайг находится на 8 км стратиграфически выше интересующих пластов. Его датировка 600 млн лет означает, что пласты можно предположительно соотнести с оледенением Стерта, но они могут представлять собой наступление или отступление снежного кома Земли.
Начало снежного кома Земли будет включать некий 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 накопится достаточно снега и льда, произойдет неконтролируемое охлаждение. Эта положительная обратная связь облегчается экваториальным континентальным распределением, что позволит льду накапливаться в регионах ближе к экватору, где солнечное излучение наиболее прямое.
Многие возможные механизмы запуска могли бы объяснить начало снежного кома Земли, такие как извержение супервулкана , снижение концентрации парниковых газов в атмосфере, таких как метан и/или углекислый газ, изменения в выработке солнечной энергии или возмущения орбиты Земли . Независимо от триггера, первоначальное охлаждение приводит к увеличению площади поверхности Земли, покрытой льдом и снегом, а дополнительный лед и снег отражают больше солнечной энергии обратно в космос, еще больше охлаждая Землю и еще больше увеличивая площадь поверхности Земли, покрытую льдом и снегом. Эта положительная обратная связь может в конечном итоге привести к замерзшему экватору, такому же холодному, как современная Антарктида.
Глобальное потепление, связанное с большими накоплениями углекислого газа в атмосфере за миллионы лет, выбрасываемого в основном вулканической активностью, является предполагаемым триггером таяния снежного кома Земли. Благодаря положительной обратной связи для таяния, окончательное таяние снега и льда, покрывающих большую часть поверхности Земли, потребует всего лишь тысячелетия.
Тропическое распределение континентов, возможно, противоречит интуиции, необходимо для того, чтобы позволить начало снежному кому Земли. [52] Тропические континенты более отражающие, чем открытый океан, и поэтому поглощают меньше солнечного тепла: большая часть поглощения солнечной энергии на Земле сегодня происходит в тропических океанах. [53] Кроме того, тропические континенты подвержены большему количеству осадков, что приводит к увеличению речного стока и эрозии. Под воздействием воздуха силикатные породы подвергаются реакциям выветривания, которые удаляют углекислый газ из атмосферы. Эти реакции протекают в общей форме
Примером такой реакции является выветривание волластонита :
Высвобождаемые катионы кальция реагируют с растворенным бикарбонатом в океане, образуя карбонат кальция как химически осажденную осадочную породу. Это переносит углекислый газ, парниковый газ, из воздуха в геосферу и, в устойчивом состоянии в геологических масштабах времени, компенсирует углекислый газ, выбрасываемый вулканами в атмосферу.
По состоянию на 2003 год точное распределение континентов в неопротерозое было трудно установить, поскольку было слишком мало подходящих для анализа осадков. [54] Некоторые реконструкции указывают на полярные континенты, которые были характерны для всех других крупных оледенений, обеспечивая точку, в которой может зарождаться лед. Изменения в моделях циркуляции океана могли затем послужить пусковым механизмом для снежного кома Земли. [55]
Дополнительные факторы, которые могли способствовать возникновению неопротерозойского снежного кома, включают в себя появление свободного кислорода в атмосфере, который мог достичь достаточных количеств для реакции с метаном в атмосфере , окисляя его до углекислого газа, гораздо более слабого парникового газа, [56] и более молодого — а значит, и более слабого — Солнца, которое излучало на 6 процентов меньше радиации в неопротерозое. [18]
Обычно, когда Земля становится холоднее из-за естественных климатических колебаний и изменений в поступающем солнечном излучении, 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 во время криогения все континенты Земли находились в тропических широтах, что делало этот смягчающий процесс менее эффективным, поскольку высокие скорости выветривания продолжались на суше, даже когда Земля охлаждалась. Это привело к тому, что лед продвинулся за пределы полярных регионов. Как только лед продвинулся до 30° от экватора, [57] могла возникнуть положительная обратная связь, так что повышенная отражательная способность (альбедо) льда привела к дальнейшему охлаждению и образованию большего количества льда, пока вся Земля не покроется льдом.
Полярные континенты из-за низких скоростей испарения слишком сухие, чтобы допустить существенное отложение углерода, что ограничивает количество атмосферного углекислого газа, которое может быть удалено из углеродного цикла . Постепенный рост доли изотопа 13 C относительно 12 C в отложениях, предшествовавших «глобальному» оледенению, указывает на то, что сокращение CO 2 до появления снежных планет было медленным и непрерывным процессом. [58] Начало появления снежных планет отмечено резким падением значения δ 13 C в отложениях, [59] отличительный признак, который можно отнести к падению биологической продуктивности в результате низких температур и покрытых льдом океанов.
В январе 2016 года Гернон и др. предложили «гипотезу мелководного хребта», связанную с распадом Родинии, связывая извержение и быстрое изменение гиалокластитов вдоль мелководных хребтов с резким увеличением щелочности в океане с толстым ледяным покровом. Гернон и др. продемонстрировали, что увеличение щелочности в ходе оледенения достаточно для объяснения толщины карбонатных шапок, образовавшихся после событий Snowball Earth. [60]
Датировка начала оледенения Стерта показала, что оно совпало по времени с появлением крупной магматической провинции в тропиках. Считается, что выветривание этой экваториальной крупной магматической провинции высосало из воздуха достаточно углекислого газа, чтобы обеспечить развитие крупного оледенения. [61]
Глобальная температура упала настолько низко, что экватор был таким же холодным, как современная Антарктида. [51] Эта низкая температура поддерживалась высоким альбедо ледяных щитов, которые отражали большую часть поступающей солнечной энергии в космос. Отсутствие удерживающих тепло облаков, вызванное замерзанием водяного пара из атмосферы, усилило этот эффект. Предполагается, что дегазация углекислого газа была необычно низкой в криогене, что способствовало сохранению глобального оледенения. [62]
Уровень углекислого газа, необходимый для таяния Земли, оценивается в 350 раз выше, чем сегодня, около 13% атмосферы. [63] Поскольку Земля была почти полностью покрыта льдом, углекислый газ не мог быть изъят из атмосферы путем высвобождения ионов щелочных металлов, выветривающихся из кремнистых пород . За 4–30 миллионов лет накопилось достаточно CO2 и метана, в основном выделяемых вулканами, но также производимых микробами, преобразующими органический углерод, запертый подо льдом, в газ, [64] , чтобы в конечном итоге вызвать достаточный парниковый эффект, чтобы заставить поверхностный лед растаять в тропиках, пока не образуется полоса постоянно свободной ото льда земли и воды; она будет темнее льда и, таким образом, будет поглощать больше энергии от Солнца, инициируя «положительную обратную связь». [65]
Первые области, освободившиеся от постоянного ледяного покрова, могли быть в средних широтах, а не в тропиках, поскольку быстрый гидрологический цикл мог бы затормозить таяние льда в низких широтах. Когда эти регионы средних широт освободились ото льда, пыль с них перенеслась на ледяные щиты в других местах, что уменьшило их альбедо и ускорило процесс дегляциации. [66] Дестабилизация значительных залежей гидратов метана, запертых в вечной мерзлоте низких широт , также могла послужить триггером и/или сильной положительной обратной связью для дегляциации и потепления. [67]
Метаногены внесли важный вклад в дегляциацию Мариноанской снежной Земли. Возвращение высокой первичной продуктивности в поверхностных водах способствовало интенсивному микробному восстановлению серы, в результате чего более глубокие воды стали высокоэвксиновыми. Эвксиния вызвала образование большого количества метилсульфидов, которые, в свою очередь, были преобразованы в метан метаногенами. Значительный отрицательный изотопный выброс никеля подтверждает высокую метаногенную активность в этот период дегляциации и глобального потепления. [68]
На континентах таяние ледников высвободило бы огромное количество ледниковых отложений, которые бы размывались и выветривались. Полученные отложения, поступившие в океан, были бы богаты питательными веществами, такими как фосфор , что в сочетании с обилием CO 2 вызвало бы взрыв популяции цианобактерий , что вызвало бы относительно быструю реоксигенацию атмосферы и, возможно, способствовало бы росту эдиакарской биоты и последующему кембрийскому взрыву — более высокой концентрации кислорода, позволяющей развиваться крупным многоклеточным формам жизни. Хотя положительная обратная связь растопила бы лед в геологически короткие сроки, возможно, менее чем за 1000 лет, пополнение атмосферного кислорода и истощение уровней CO 2 заняло бы еще тысячелетия.
Возможно, что уровень углекислого газа упал достаточно, чтобы Земля снова замерзла; этот цикл мог повторяться до тех пор, пока континенты не переместились в более полярные широты. [69] Более поздние данные свидетельствуют о том, что при более низких температурах океана, в результате более высокая способность океанов растворять газы привела к тому, что углерод, содержащийся в морской воде, стал быстрее окисляться до углекислого газа. Это напрямую приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, усилению парникового эффекта на поверхности Земли и предотвращению полного состояния снежного кома. [70]
В течение миллионов лет криоконит накапливался на льду и внутри него. Психрофильные микроорганизмы, вулканический пепел и пыль из мест, свободных ото льда, оседали на льду, покрывая несколько миллионов квадратных километров. Как только лед начинал таять, эти слои становились видимыми и затемняли ледяные поверхности, способствуя ускорению процесса. [71] Кроме того, ультрафиолетовый свет от Солнца производил перекись водорода (H 2 O 2 ), когда он сталкивался с молекулами воды. Обычно H 2 O 2 распадается на солнечном свете, но некоторая часть могла быть заперта внутри льда. Когда ледники начинали таять, она могла высвобождаться как в океане, так и в атмосфере, где она разделялась на молекулы воды и кислорода, увеличивая содержание кислорода в атмосфере. [72]
Хотя наличие ледников не оспаривается, идея о том, что вся планета была покрыта льдом, более спорна, что привело некоторых ученых к постулированию «снежной Земли», в которой полоса свободной ото льда или тонкой ледяной воды остается вокруг экватора, что позволяет поддерживать непрерывный гидрологический цикл. Эта гипотеза привлекательна для ученых, которые наблюдают определенные особенности осадочной летописи, которые могут быть сформированы только под открытой водой или быстро движущимся льдом (что потребовало бы перемещения куда-то безо льда). Недавние исследования наблюдали геохимическую цикличность в обломочных породах , показывая, что периоды снежного кома прерывались теплыми периодами, похожими на циклы ледниковых периодов в недавней истории Земли. Попытки построить компьютерные модели снежного кома Земли изо всех сил пытались учесть глобальный ледяной покров без фундаментальных изменений в законах и константах, которые управляют планетой.
Менее экстремальная гипотеза Земли-снежка предполагает постоянное развитие континентальных конфигураций и изменений в циркуляции океана. [73] Синтезированные доказательства создали модели Земли-снежка [74] , в которых стратиграфические данные не позволяют постулировать полное глобальное оледенение. [73] Первоначальная гипотеза Киршвинка [11] признавала, что на Земле-снежке можно ожидать существования теплых тропических луж.
Более экстремальная гипотеза, гипотеза «Водонепроницаемой Земли», предполагает, что свободные ото льда области океана продолжали существовать даже тогда, когда тропические континенты были покрыты оледенением. [75]
Аргументом против гипотезы являются доказательства колебаний ледяного покрова и таяния во время отложений «снежной Земли». Доказательства такого таяния исходят из свидетельств ледниковых капельных камней, [33] геохимических свидетельств цикличности климата, [49] и переслаивающихся ледниковых и мелководных морских отложений. [50] Более длительная запись из Омана, ограниченная 13° с. ш., охватывает период от 712 до 545 миллионов лет назад — временной промежуток, включающий оледенения Стерта и Марино , — и показывает как ледниковое, так и безледниковое отложение. [76] Гипотеза снежной Земли не объясняет чередование ледниковых и межледниковых событий, а также колебания границ ледникового покрова. [77]
Возникли трудности при воссоздании снежного кома Земли с помощью глобальных климатических моделей . Простые GCM со смешанными слоями океанов можно заставить замерзнуть до экватора; более сложная модель с полным динамическим океаном (хотя это всего лишь примитивная модель морского льда) не смогла сформировать морской лед до экватора. [78] Кроме того, уровни CO 2, необходимые для таяния глобального ледяного покрова, были рассчитаны как 130 000 ppm, [63] что некоторые считают неоправданно большим. [79]
Данные по изотопам стронция оказались не соответствующими предлагаемым моделям снежного кома Земли, в которых силикатное выветривание прекращается во время оледенения и быстро ускоряется сразу после оледенения. Поэтому было предложено, что выброс метана из вечной мерзлоты во время морской трансгрессии является источником большого измеренного выброса углерода сразу после оледенения. [80]
Ник Эйлс предполагает, что неопротерозойская Snowball Earth на самом деле ничем не отличалась от любого другого оледенения в истории Земли, и что попытки найти единую причину, скорее всего, закончатся неудачей. [18] Гипотеза «разлома-молнии» предполагает два импульса континентального «расстегивания молнии» — сначала распад Родинии, образовавший прото-Тихий океан; затем отделение континента Балтика от Лаврентии , образовавшее прото-Атлантику, — совпавшие с периодами оледенения. Связанное с этим тектоническое поднятие сформировало бы высокие плато, так же как Восточно-Африканский разлом отвечает за высокий рельеф; эта возвышенность могла бы затем вмещать ледники.
Полосчатые железистые образования были приняты как неизбежное доказательство глобального ледяного покрова, поскольку для их образования требуются растворенные ионы железа и бескислородные воды; однако ограниченная протяженность неопротерозойских полосчатых железистых отложений означает, что они могли образоваться во внутренних морях, а не в замерзших океанах. Такие моря могут испытывать широкий спектр химических реакций; высокие скорости испарения могут концентрировать ионы железа, а периодическое отсутствие циркуляции может привести к образованию бескислородной придонной воды. Континентальный рифтинг с сопутствующим оседанием имеет тенденцию создавать такие замкнутые водоемы. Этот рифтинг и сопутствующее оседание создают пространство для быстрого отложения осадков, сводя на нет необходимость в огромном и быстром таянии для повышения уровня мирового моря.
Конкурирующая гипотеза, объясняющая наличие льда на экваториальных континентах, состояла в том, что наклон оси Земли был довольно большим, около 60°, что поместило бы сушу Земли в высокие «широты», хотя подтверждающие доказательства скудны. [81] Менее экстремальная возможность заключается в том, что это был просто магнитный полюс Земли, который сместился к этому наклону, поскольку магнитные показания, которые предполагали наличие континентов, заполненных льдом, зависят от того, что магнитные и вращательные полюса были относительно схожи. В любой из этих двух ситуаций замерзание было бы ограничено относительно небольшими областями, как это имеет место сегодня; серьезные изменения климата Земли не являются необходимыми.
Доказательства низкоширотных ледниковых отложений во время предполагаемых эпизодов снежной Земли были переосмыслены с помощью концепции инерционного обмена истинного полярного блуждания . [82] [83] Эта гипотеза, созданная для объяснения палеомагнитных данных, предполагает, что ориентация Земли относительно ее оси вращения смещалась один или несколько раз в течение общего временного интервала, приписываемого снежной Земле. Это могло бы реально привести к такому же распределению ледниковых отложений, не требуя, чтобы какие-либо из них были отложены на экваториальной широте. [84] Хотя физика, лежащая в основе предложения, является обоснованной, удаление одной ошибочной точки данных из исходного исследования сделало применение концепции в этих обстоятельствах необоснованным. [85]
Огромное оледенение сократило бы фотосинтетическую жизнь на Земле, тем самым истощив атмосферный кислород и тем самым позволив образоваться неокисленным богатым железом породам. Противники утверждают, что такой тип оледенения привел бы к полному исчезновению жизни. Однако микроископаемые, такие как строматолиты и онколиты, доказывают, что, по крайней мере, в мелководных морских условиях жизнь не претерпела никаких изменений. Вместо этого жизнь развила трофическую сложность и пережила холодный период невредимой. [86] Сторонники возражают, что жизнь могла выжить следующими способами:
Однако организмы и экосистемы, насколько это можно определить по палеонтологической летописи, по-видимому, не претерпели значительных изменений, которые можно было бы ожидать при массовом вымирании . С появлением более точной датировки было показано, что событие вымирания фитопланктона, которое было связано с Землей-снежком, предшествовало оледенениям на 16 миллионов лет. [93] Даже если бы жизнь сохранилась во всех перечисленных выше экологических убежищах, оледенение всей Земли привело бы к биоте с заметно отличающимся разнообразием и составом. Это изменение в разнообразии и составе еще не наблюдалось [94] — на самом деле, организмы, которые должны быть наиболее восприимчивы к климатическим изменениям, выходят невредимыми из Земли-снежка. [48] Одним из опровержений этого является тот факт, что во многих из этих мест, где выдвигается аргумент против массового вымирания, вызванного Землей-снежком, криогенная ископаемая летопись обеднена. [95]
Снежный ком Земли имеет глубокие последствия в истории жизни на Земле. Хотя постулировалось множество рефугиумов , глобальный ледяной покров, безусловно, опустошил бы экосистемы, зависящие от солнечного света. Геохимические свидетельства из пород, связанных с ледниковыми отложениями низких широт, были интерпретированы как показывающие крах океанической жизни во время ледниковых периодов. Отступления ледников большой величины благоприятствовали выживанию макроводорослей. [96]
Поскольку около половины воды океанов замерзло как лед, оставшаяся вода была бы вдвое соленее, чем сегодня, что снизило бы ее точку замерзания. Когда ледяной покров растаял под воздействием горячей атмосферы, богатой углекислым газом, он покрыл бы океаны слоем теплой (50°C) пресной воды толщиной до 2 километров. Только после того, как теплая поверхностная вода смешалась с более холодной и глубокой соленой водой, море вернулось в более теплое и менее соленое состояние. [97] Таяние льда могло предоставить много новых возможностей для диверсификации и, возможно, действительно послужило движущей силой быстрой эволюции, которая произошла в конце криогенового периода. Глобальный ледяной покров, если бы он существовал, мог — в сочетании с геотермальным нагревом — привести к живому, хорошо перемешанному океану с большой вертикальной конвективной циркуляцией. [98]
Неопротерозой был временем замечательного разнообразия многоклеточных организмов, включая животных. Размеры и сложность организмов значительно возросли после окончания оледенений снежного кома. Это быстрое развитие многоклеточных организмов могло быть результатом возросшего эволюционного давления, возникшего в результате множественных циклов ледник-теплица; в этом смысле эпизоды снежного кома Земли могли «накачать» эволюцию, подобно тому, как оледенения в плейстоцене, как известно, действовали как насос разнообразия в Антарктиде. [99] С другой стороны, колеблющиеся уровни меди и повышение уровня кислорода могли сыграть свою роль. Многие диамиктиты Стерта несогласно залегают на медно-минерализованных слоях в Гренландии, Северной Америке, Австралии и Африке; ледниковый распад и эрозия пород, сильно обогащенных медью во время оледенения Стерта, в сочетании с химическим выветриванием Большой магматической провинции Франклина значительно повысили концентрацию меди в океане. Поскольку медь является важным компонентом многих белков, участвующих в смягчении токсичности кислорода , синтезе аденозинтрифосфата и производстве эластина и коллагена , среди других биологических функций, этот скачок концентрации меди был необходим для взрывной эволюции многоклеточной жизни на протяжении всей последней части неопротерозоя. Повышенные концентрации меди сохранялись в кембрийском взрыве в начале фанерозоя и , вероятно, также повлияли на его ход. [100]
Одна из гипотез, которая набирает популярность в последние годы: ранние снежные Земли не столько влияли на эволюцию жизни на Земле, сколько были ее результатом. На самом деле эти две гипотезы не являются взаимоисключающими. Идея заключается в том, что формы жизни на Земле влияют на глобальный углеродный цикл, и поэтому крупные эволюционные события изменяют углеродный цикл, перераспределяя углерод в различных резервуарах в биосферной системе и в процессе временно снижая атмосферный (парниковый) резервуар углерода, пока пересмотренная биосферная система не придет в новое состояние. Предполагается, что холодный период гуронского оледенения связан с уменьшением содержания парниковых газов в атмосфере во время Великого события оксигенации . Аналогичным образом возможная снежная Земля докембрийского криогения между 580 и 850 миллионами лет назад (и которая сама по себе имела ряд отдельных эпизодов) может быть связана с возникновением более продвинутой многоклеточной животной жизни и колонизацией суши жизнью. [101] [102] Однако исследование 2022 года, основанное на результатах предыдущих исследований, предположило, что эволюция наземных растений была обусловлена криогеновыми оледенениями, которые, по их мнению, также стали причиной того, что Zygnematophyceae (родственная группа наземных растений ) стали одноклеточными и криофильными , утратили жгутики и развили половую конъюгацию . [103]
Гипотеза «Земля снежного кома» была использована для объяснения ледниковых отложений в гуронской супергруппе Канады , хотя палеомагнитные свидетельства, предполагающие наличие ледяных щитов на низких широтах, оспариваются [104] [105] , а стратиграфические свидетельства ясно показывают только три отдельных отложения ледникового материала (формации Рамси, Брюс и Гоуганда), разделенных значительными периодами без. Ледниковые отложения формации Макганьене в Южной Африке немного моложе гуронских ледниковых отложений (~2,25 миллиарда лет) и, возможно, отложились в тропических широтах. [106] Было высказано предположение, что подъем свободного кислорода, произошедший во время Великого события оксигенации, удалил атмосферный метан посредством окисления. Поскольку солнечное излучение в то время было заметно слабее, климат Земли мог зависеть от метана, мощного парникового газа, для поддержания температуры поверхности выше точки замерзания. При отсутствии этого парникового эффекта метана температура резко упала, и глобальное оледенение могло произойти между 2,5 и 2,2 млрд лет назад , в сидерийский и риакийский периоды палеопротерозойской эры. [105]
В позднем неопротерозое было три или четыре значительных ледниковых периода. Из них Мариноан был самым значительным, а оледенения Стерта также были широко распространены. [107] Даже ведущий сторонник снежного кома Хоффман соглашается, что 350-тысячелетнее [1] оледенение Гаскьера не привело к глобальному оледенению, [52] хотя оно, вероятно, было таким же интенсивным, как оледенение позднего ордовика . Статус «оледенения» или «события похолодания» Кайгаса в настоящее время неясен; некоторые ученые не признают его ледниковым, другие подозревают, что оно может отражать плохо датированные слои ассоциации Стерта, а третьи полагают, что это действительно может быть третий ледниковый период. [108] Он, безусловно, был менее значительным, чем оледенения Стерта или Марина, и, вероятно, не глобальным по масштабу. Появившиеся данные свидетельствуют о том, что Земля пережила ряд оледенений в неопротерозое, что полностью противоречит гипотезе снежного кома. [4]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )Обзор позднеэдиакарских ледниковых отложений: Ван, Жуйминь; Инь, Цзунцзюнь; Шен, Бин (2023). «Позднеэдиакарский ледниковый период: ключевой узел в эволюции земной системы». Earth-Science Reviews . 247 . Bibcode :2023ESRv..24704610W. doi :10.1016/j.earscirev.2023.104610. S2CID 265071916.