[科普中國(guó)]-雪球地球：地球是否被完全快速封凍？事實(shí)可能并非如此

眾所周知，地球歷史上最近的一次冰期，是距今大約2萬(wàn)年前的末次盛冰期，當(dāng)時(shí)地球上百分之24的陸地被冰雪覆蓋，全球海平面比現(xiàn)在低將近130米，北美和北歐被厚厚的冰蓋所覆蓋；但是這次冰期和“雪球地球”事件的程度相比，則差距甚遠(yuǎn)。那么什么是“雪球地球”呢？“雪球地球”：地球的平均溫度低于現(xiàn)在全南極的平均氣溫“雪球地球”“雪球地球”這一說(shuō)法通常是指距今6.5億年前后地球整個(gè)地表或者幾乎整個(gè)地表被冰雪覆蓋的時(shí)期。地球曾一度變得極為寒冷，地質(zhì)學(xué)家們通常稱(chēng)這一時(shí)期為“雪球地球（Snowball Earth）”?？茖W(xué)家認(rèn)為，在雪球地球時(shí)期，地球的平均溫度低于現(xiàn)在全南極的平均氣溫，和現(xiàn)在南極內(nèi)陸的平均溫度接近，達(dá)到了零下40-50攝氏度。我國(guó)南極昆侖站所在的南極冰穹A區(qū)域，年平均溫度約為-54攝氏度，是南極最冷的區(qū)域之一。雪球地球時(shí)期，地球從高緯度的極地到低緯度的赤道區(qū)域，無(wú)論陸地還是海洋，全被被冰雪覆蓋，冰層的平均厚度可以達(dá)到1公里，大約是333層樓高。不過(guò)，至今，雪球地球的說(shuō)法仍然是一種假說(shuō)，其存在的證據(jù)主要來(lái)自地球低緯度區(qū)域發(fā)現(xiàn)的冰川沉積以及古地磁、碳同位素等地質(zhì)學(xué)方面的研究結(jié)果。雪球地球是否存在的爭(zhēng)議主要來(lái)自于缺少全球性的冰川作用地質(zhì)學(xué)證據(jù)和海洋被冰雪封凍的地球物理學(xué)觀測(cè)證據(jù)。另外，如果雪球地球存在，那么當(dāng)時(shí)地球的一些生命形式可能無(wú)法存活，但有證據(jù)顯示當(dāng)時(shí)地球上存在復(fù)雜的光合作用有機(jī)體。這也涉及到本文下面要討論的問(wèn)題——雪球地球的冰凍范圍和程度。如果雪球地球時(shí)期，地球仍有少量近赤道的低緯度區(qū)域有未被封凍的海洋，那么就可以解釋早起生命形式逃過(guò)雪球地球的浩劫，而且，還可以引出地球后續(xù)的“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”事件。關(guān)于雪球地球的形成原因、雪球地球的冰雪覆蓋程度和冰凍冰退速度，一般認(rèn)為是初期的某個(gè)變冷機(jī)制，導(dǎo)致地球冰雪覆蓋增多，進(jìn)而增加了反照率，促發(fā)正反饋，最終導(dǎo)致地球整個(gè)被冰雪覆蓋?？茖W(xué)家認(rèn)為，這種快速凍結(jié)通常是由“冰反射率反饋”機(jī)制造成的。這就是說(shuō)，冰層一旦形成，太陽(yáng)光就會(huì)因冰的高反射率而更多地散射到太空中，從而讓大氣的溫度降低，大氣溫度的降低則會(huì)反過(guò)來(lái)讓冰層更厚，如此循環(huán)往復(fù)。在這種情況下，變冷的過(guò)程被不斷“雪上加霜”，導(dǎo)致地球的大部分地區(qū)被凍結(jié)。那么，到底是什么樣的事件和原因?qū)е碌厍蜷_(kāi)始變冷，最終邁入雪球地球時(shí)期呢？一種說(shuō)法是超級(jí)火山的爆發(fā)。有研究表明，在大約7億年前，從現(xiàn)在的阿拉斯加到格陵蘭的區(qū)域爆發(fā)了災(zāi)難性的火山活動(dòng)。大規(guī)模的、長(zhǎng)期的火山噴發(fā)產(chǎn)生的氣溶膠可能是導(dǎo)致“雪球地球”的罪魁禍?zhǔn)?。地球漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程中，同樣規(guī)模的火山爆發(fā)發(fā)生過(guò)多次，但這次的火山爆發(fā)有其特殊性。一方面，當(dāng)時(shí)的火山噴發(fā)，地底的火山巖穿過(guò)了富硫沉積物層，這些沉積物以二氧化硫的形式進(jìn)入大氣，阻斷了太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致地球出現(xiàn)明顯的降溫。例如，1991年發(fā)生在菲律賓的皮納圖博火山爆發(fā)，出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的情況，當(dāng)時(shí)的火山爆發(fā)向大氣中噴射了兩千萬(wàn)噸二氧化硫，導(dǎo)致當(dāng)年全球平均氣溫降低了約0.5攝氏度。另一方面，在大約7億年前，由于大陸漂移的結(jié)果，此次大型火成巖區(qū)位于靠近赤道的位置——這一區(qū)域的太陽(yáng)輻射對(duì)保持地球溫暖具有重要的作用，而火山釋放的二氧化硫氣體正好籠罩了這個(gè)地方，從而導(dǎo)致地球的變冷。最后是火山爆發(fā)時(shí)機(jī)。通常在地球非常溫暖的歷史時(shí)期，火山爆發(fā)的冷卻效應(yīng)不會(huì)有很重大的影響，但在寒冷的時(shí)期，地球的氣候變得特別容易受這種火山爆發(fā)的影響。多種因素作用下，促發(fā)了地球的進(jìn)一步連續(xù)降溫，使地球進(jìn)入雪球地球時(shí)期。第二種說(shuō)法是溫室氣體減少。這一觀點(diǎn)認(rèn)為，在雪球地球之前，原本位于赤道附近的超大陸的裂解，增加了赤道附近海洋的面積，海洋中的生命形式迅速消耗大氣中的二氧化碳，造成大氣中二氧化碳含量迅速減少。二氧化碳是我們熟知的溫室氣體，也是被認(rèn)為導(dǎo)致現(xiàn)在全球變換的主要因素。雪球地球初期空氣中溫室氣體的減少，導(dǎo)致了地球溫度的降低，最終促發(fā)了地球后續(xù)的變冷過(guò)程。第三種說(shuō)法是板塊構(gòu)造。板塊構(gòu)造理論是在上世紀(jì)60年代末形成的一種理論，即地殼和上地幔由多個(gè)板塊組成，這些板塊會(huì)緩慢移動(dòng)，從而發(fā)生分離或碰撞。地球是太陽(yáng)系中唯一適用板塊構(gòu)造理論的星球，其他行星更常見(jiàn)的是只有一個(gè)固體外殼。研究表明地球的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在8億到6億年前開(kāi)始，從單一的固體外殼分離為多個(gè)板塊。板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可能引發(fā)了地球表面的變化，通過(guò)重新分布大陸、增加爆炸弧火山作用和刺激地幔柱來(lái)擾亂海洋和大氣，從而導(dǎo)致了雪球地球的出現(xiàn)。當(dāng)然，還有其他說(shuō)法，包括當(dāng)時(shí)太陽(yáng)能量的變化和地球軌道的擾動(dòng)等。雖然通過(guò)現(xiàn)有的證據(jù)可以推斷出雪球地球的多種可能的成因，但是目前還很難確定到底是什么原因?qū)е碌厍蜻M(jìn)入了雪球地球時(shí)期，可能是其中之一，也可能是多種原因的共同作用。“雪球地球”是極速形成的嗎？雪球地球的不同的成因，導(dǎo)致的雪球地球的形成速度肯定是不同的。2017年的一項(xiàng)研究，科學(xué)家通過(guò)分析埃塞俄比亞的一個(gè)巖石層序，發(fā)現(xiàn)了一種名為“混雜陸源沉積巖”的7.17億年前的巖石。由于這種巖石只能是大塊的巖石通過(guò)冰川作用的長(zhǎng)距離輸送才能形成，因此，推測(cè)距今7.17億年前左右，這一區(qū)域存在冰川作用，證明了雪球地球存在的可能性。更為重要的是，科學(xué)家在混雜陸源沉積巖層的下發(fā)現(xiàn)了更古老的碳酸鹽層。這些碳酸巖是在早前超級(jí)大陸分解時(shí)期由海洋微生物在非常溫暖的海水中形成的。由此推測(cè)，在當(dāng)時(shí)，這里先后經(jīng)歷了溫暖的海洋環(huán)境和寒冷的冰川環(huán)境，而這一轉(zhuǎn)變過(guò)程可能持續(xù)了1000到10萬(wàn)年。雖然無(wú)法從該地的快速變冷過(guò)程準(zhǔn)確判斷出雪球地球的形成速度，但是通過(guò)最快千年的時(shí)間尺度可以推測(cè)，雪球地球的形成速度可能是非?？斓?。關(guān)于雪球地球消退的說(shuō)法，則主要是認(rèn)為地球后來(lái)的火山爆發(fā)，產(chǎn)生了大量的溫室氣體，這些溫室氣體導(dǎo)致地球開(kāi)始升溫，地表的冰層開(kāi)始向極地方向退縮，地表對(duì)太陽(yáng)能量的吸收增強(qiáng)，從而進(jìn)入升溫的良性循環(huán)，最終將地球從雪球地球時(shí)期拯救出來(lái)。“雪球地球”時(shí)期完全冰封了嗎？在雪球地球時(shí)期，地球被完全冰封還是在相對(duì)溫暖的赤道區(qū)域仍存有少量的開(kāi)放海域，是雪球地球的重要爭(zhēng)議之一。自上世紀(jì)90年代雪球地球的概念被首次提出后，地球被冰雪完全覆蓋的觀點(diǎn)受到了多方面證據(jù)的挑戰(zhàn)。來(lái)自雪球地球時(shí)期的沉積物記錄顯示，相關(guān)的沉積物的一些特征只能在開(kāi)放海域或者冰層發(fā)生進(jìn)退的過(guò)程中產(chǎn)生；從碎屑巖中觀察到的地球化學(xué)旋回性特征中發(fā)現(xiàn)雪球地球時(shí)期存在冷暖交替，類(lèi)似于南極冰芯記錄中的冰期-間冰期旋回現(xiàn)象；如果認(rèn)為地球被完全封凍，基于該認(rèn)識(shí)的雪球地球氣候計(jì)算機(jī)模式無(wú)法建立。當(dāng)然，還有無(wú)法解釋當(dāng)時(shí)地球上的有機(jī)體如何能夠幸存的原因。近期，我國(guó)的科學(xué)家通過(guò)對(duì)華南馬里諾冰期(6.51億~6.35億年前)的沉積記錄開(kāi)展的沉積學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)這一時(shí)期存在多次冰進(jìn)-冰退的旋回，進(jìn)一步表明“雪球地球”時(shí)期，地球的氣候存在冷暖交替，并不是被完全封凍的。南極冰穹C的80萬(wàn)年深冰芯氣候記錄和海洋沉積物氣候記錄最后，雪球地球發(fā)生在距今5-8億年的地質(zhì)歷史時(shí)期，是地球經(jīng)歷的一段特殊的冰凍過(guò)程，了解雪球地球的成因、形成過(guò)程和消退等，對(duì)于認(rèn)識(shí)地球的歷史演化和未來(lái)演變有重要的科學(xué)價(jià)值。來(lái)自地質(zhì)學(xué)等方面的證據(jù)和研究，對(duì)于認(rèn)識(shí)這一時(shí)期有重要的幫助。不過(guò)，關(guān)于雪球地球仍存在諸多爭(zhēng)議和不確定性，甚至不同的地質(zhì)學(xué)證據(jù)之間，也存在不一致性?？傊P(guān)于雪球地球時(shí)期的地球氣候演化過(guò)程，學(xué)者們一直在進(jìn)行研究，但由于各地的考察對(duì)象不同，一些結(jié)論在細(xì)節(jié)上可能暫時(shí)無(wú)法完全統(tǒng)一。但是問(wèn)題中對(duì)于雪球地球討論的是兩個(gè)方面：速度與程度，所以是不相矛盾的。作者 | 崔祥斌 中國(guó)極地研究中心研究人員文章由“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自“科普中國(guó)”