[科普中國]-雪球地球：地球是否被完全快速封凍？事實可能并非如此

眾所周知，地球歷史上最近的一次冰期，是距今大約2萬年前的末次盛冰期，當時地球上百分之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。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”這一說法通常是指距今6.5億年前后地球整個地表或者幾乎整個地表被冰雪覆蓋的時期。地球曾一度變得極為寒冷，地質(zhì)學家們通常稱這一時期為“雪球地球（Snowball Earth）”。科學家認為，在雪球地球時期，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，達到了零下40-50攝氏度。我國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。雪球地球時期，地球從高緯度的極地到低緯度的赤道區(qū)域，無論陸地還是海洋，全被被冰雪覆蓋，冰層的平均厚度可以達到1公里，大約是333層樓高。不過，至今，雪球地球的說法仍然是一種假說，其存在的證據(jù)主要來自地球低緯度區(qū)域發(fā)現(xiàn)的冰川沉積以及古地磁、碳同位素等地質(zhì)學方面的研究結果。雪球地球是否存在的爭議主要來自于缺少全球性的冰川作用地質(zhì)學證據(jù)和海洋被冰雪封凍的地球物理學觀測證據(jù)。另外，如果雪球地球存在，那么當時地球的一些生命形式可能無法存活，但有證據(jù)顯示當時地球上存在復雜的光合作用有機體。這也涉及到本文下面要討論的問題——雪球地球的冰凍范圍和程度。如果雪球地球時期，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雪球地球的浩劫，而且，還可以引出地球后續(xù)的“寒武紀生命大爆發(fā)”事件。關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，一般認為是初期的某個變冷機制，導致地球冰雪覆蓋增多，進而增加了反照率，促發(fā)正反饋，最終導致地球整個被冰雪覆蓋?？茖W家認為，這種快速凍結通常是由“冰反射率反饋”機制造成的。這就是說，冰層一旦形成，太陽光就會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反過來讓冰層更厚，如此循環(huán)往復。在這種情況下，變冷的過程被不斷“雪上加霜”，導致地球的大部分地區(qū)被凍結。那么，到底是什么樣的事件和原因?qū)е碌厍蜷_始變冷，最終邁入雪球地球時期呢？一種說法是超級火山的爆發(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)了災難性的火山活動。大規(guī)模的、長期的火山噴發(fā)產(chǎn)生的氣溶膠可能是導致“雪球地球”的罪魁禍首。地球漫長的歷史過程中，同樣規(guī)模的火山爆發(fā)發(fā)生過多次，但這次的火山爆發(fā)有其特殊性。一方面，當時的火山噴發(fā)，地底的火山巖穿過了富硫沉積物層，這些沉積物以二氧化硫的形式進入大氣，阻斷了太陽輻射，導致地球出現(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)過類似的情況，當時的火山爆發(fā)向大氣中噴射了兩千萬噸二氧化硫，導致當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)域的太陽輻射對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地方，從而導致地球的變冷。最后是火山爆發(fā)時機。通常在地球非常溫暖的歷史時期，火山爆發(fā)的冷卻效應不會有很重大的影響，但在寒冷的時期，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)了地球的進一步連續(xù)降溫，使地球進入雪球地球時期。第二種說法是溫室氣體減少。這一觀點認為，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，也是被認為導致現(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，導致了地球溫度的降低，最終促發(fā)了地球后續(xù)的變冷過程。第三種說法是板塊構造。板塊構造理論是在上世紀60年代末形成的一種理論，即地殼和上地幔由多個板塊組成，這些板塊會緩慢移動，從而發(fā)生分離或碰撞。地球是太陽系中唯一適用板塊構造理論的星球，其他行星更常見的是只有一個固體外殼。研究表明地球的板塊構造運動在8億到6億年前開始，從單一的固體外殼分離為多個板塊。板塊構造運動可能引發(fā)了地球表面的變化，通過重新分布大陸、增加爆炸弧火山作用和刺激地幔柱來擾亂海洋和大氣，從而導致了雪球地球的出現(xiàn)。當然，還有其他說法，包括當時太陽能量的變化和地球軌道的擾動等。雖然通過現(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入了雪球地球時期，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，導致的雪球地球的形成速度肯定是不同的。2017年的一項研究，科學家通過分析埃塞俄比亞的一個巖石層序，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冰川作用的長距離輸送才能形成，因此，推測距今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大陸分解時期由海洋微生物在非常溫暖的海水中形成的。由此推測，在當時，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，而這一轉變過程可能持續(xù)了1000到10萬年。雖然無法從該地的快速變冷過程準確判斷出雪球地球的形成速度，但是通過最快千年的時間尺度可以推測，雪球地球的形成速度可能是非常快的。關于雪球地球消退的說法，則主要是認為地球后來的火山爆發(fā)，產(chǎn)生了大量的溫室氣體，這些溫室氣體導致地球開始升溫，地表的冰層開始向極地方向退縮，地表對太陽能量的吸收增強，從而進入升溫的良性循環(huán)，最終將地球從雪球地球時期拯救出來?！把┣虻厍颉睍r期完全冰封了嗎？在雪球地球時期，地球被完全冰封還是在相對溫暖的赤道區(qū)域仍存有少量的開放海域，是雪球地球的重要爭議之一。自上世紀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受到了多方面證據(jù)的挑戰(zhàn)。來自雪球地球時期的沉積物記錄顯示，相關的沉積物的一些特征只能在開放海域或者冰層發(fā)生進退的過程中產(chǎn)生；從碎屑巖中觀察到的地球化學旋回性特征中發(fā)現(xiàn)雪球地球時期存在冷暖交替，類似于南極冰芯記錄中的冰期-間冰期旋回現(xiàn)象；如果認為地球被完全封凍，基于該認識的雪球地球氣候計算機模式無法建立。當然，還有無法解釋當時地球上的有機體如何能夠幸存的原因。近期，我國的科學家通過對華南馬里諾冰期(6.51億~6.35億年前)的沉積記錄開展的沉積學研究，發(fā)現(xiàn)這一時期存在多次冰進-冰退的旋回，進一步表明“雪球地球”時期，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)歷史時期，是地球經(jīng)歷的一段特殊的冰凍過程，了解雪球地球的成因、形成過程和消退等，對于認識地球的歷史演化和未來演變有重要的科學價值。來自地質(zhì)學等方面的證據(jù)和研究，對于認識這一時期有重要的幫助。不過，關于雪球地球仍存在諸多爭議和不確定性，甚至不同的地質(zhì)學證據(jù)之間，也存在不一致性。總之，關于雪球地球時期的地球氣候演化過程，學者們一直在進行研究，但由于各地的考察對象不同，一些結論在細節(jié)上可能暫時無法完全統(tǒng)一。但是問題中對于雪球地球討論的是兩個方面：速度與程度，所以是不相矛盾的。作者 | 崔祥斌 中國極地研究中心研究人員文章由“科普中國頭條創(chuàng)作與推送項目”團隊推出轉載請注明來自“科普中國”