7.10.11 Некоторые исследователи полагают, что дважды или трижды в истории нашей планеты наступал период, условно обозначаемый «Земля-снежок», когда лёд почти полностью покрывал поверхность Земли. Последний раз это произошло примерно 635 млн лет назад. Затем по ряду причин случился парниковый эффект, и планета оттаяла.
Однако международная группа учёных поставила под сомнение всплеск атмосферной концентрации двуокиси углерода в те времена. По новым данным, парниковый эффект не был настолько мощным, чтобы растопить толстый лёд. Следовательно, Земля не превращалась в большой снежок.
Главное свидетельство в пользу гипотезы - ледниковые отложения, которые 635 млн лет назад находились в районе экватора. Над ними расположен слой «венчающих карбонатов» (cap carbonates), которые, как полагают, формировались, когда ледники таяли или вскоре после этого, то есть когда углекислого газа в атмосфере было с избытком.
Считается, что период «Земля-снежок» завершился, когда уровень углекислого газа в атмосфере вырос. Причиной могла стать вулканическая деятельность. Факторы, которые в нормальных условиях, выводят двуокись углерода из атмосферы, были блокированы льдом. Кроме того, холода не позволяли выветриваемым породам поглощать углекислый газ с образованием бикарбонатов. Всё это привело к накоплению парникового газа в атмосфере.
Исследователи решили выяснить, сколько углекислого газа было в атмосфере в те времена. Для этого они проанализировали химический состав бразильских пород того времени и окаменевших органических веществ внутри них. Специалистов интересовало соотношение изотопов.
И породы, и органические вещества (в основном водоросли) извлекают углерод из углекислого газа, растворённого в океане. Снижение концентрации газа приводит к тому, что водоросли начинают налегать на более тяжёлый изотоп. С другой стороны, соотношение изотопов углерода в карбонатных породах не меняется вне зависимости от концентрации углекислого газа.
Сравнение показателей камня и органики продемонстрировало, что концентрация углекислого газа в атмосфере была гораздо ниже предыдущих оценок. Говорили - 90 тыс. частей на миллион, а новый анализ утверждает, что было менее 3 200 частей на миллион. Не исключено, что концентрация приближалась к сегодняшней (около 400 ч./млн).
Красно-коричневые, богатые железом ледниковые отложения в горах Огилви (территория Юкон, Канада). Они образовались 716,2 млн лет назад, когда планета, возможно, была практически полностью покрыта льдом. (Фото Francis Macdonald.)
«А раз не было высокой концентрации углекислого газа в атмосфере - значит, не могло быть и Snowball Earth, в противном случае Земля была бы заморожена до сих пор», - резюмирует автор исследования Магали Адер из парижского Геофизического института (Франция).
Она, впрочем, предупреждает, что остаётся много неясностей. Возможно, например, что породы были датированы неверно. Есть также вероятность, что парниковый эффект устроил не углекислый газ, а метан...
Британские ученые выяснили, что Земля 720-640 тысяч лет назад представляла собой не замороженный "снежок", как считают геологи сегодня, а была похожа Европу и Энцелад, спутники Юпитера и Сатурна с их подледными океанами и вулканами, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience.
Гипотеза "белой Земли", или Земли-"снежка" (snowball Earth) предполагает, что в один из периодов неопротерозойской эры, примерно 625-850 миллионов лет назад, планета "промерзла" вплоть до экватора. Существуют разные версии этой гипотезы - от "слякотной", по которой океан у экватора оттаивал, по крайней мере, на несколько месяцев в году, до "ледышки", когда льдом была покрыта абсолютно вся земная поверхность.
До настоящего времени ученые считали, что Земля вряд ли промерзла полностью, так как в таком случае даже массированных выбросов СО 2 и других парниковых газов не должно было хватить для того, чтобы растопить все льды. В пользу этого говорит то, что в некоторых регионах Земли можно найти типично "водные" отложения щелочных пород, сформировавшиеся в это время. Тем не менее, сам механизм поддержания океанов в жидком виде оставался неясным.
Том Гернон из университета Саутхемптона (Великобритания) и его коллеги выяснили, что на самом деле Земля была похожа не на "снежок", а была своеобразным аналогом "водных" лун Юпитера и Сатурна, воссоздав на компьютере одно из ключевых событий этой эпохи – разлом Родинии, первого суперконтинента в истории нашей планеты.
"Когда вулканические породы выбрасываются на поверхность дна океанов, они проходят цикл крайне быстрых и сильных химических изменений, которые сильно меняют биогеохимию океанических вод. Мы выяснили, что многие геологические и геохимические феномены, связанные с эпохой Земли-"снежка", хорошо укладываются в идею обильных извержений подводных вулканов на кромках срединно-океанических хребтов", - заявил ученый.
Команда Гернона проверила эту идею, создав компьютерную модель распада Родинии и связанных с этим извержений вулканов. Эти расчеты показали, что вулканы выбрасывали огромное количество тепла и целый ряд химических веществ, преобразовавших облик подледного океана Земли.
Взаимодействие выбрасываемых пород и воды приводило к осаждению и формированию огромного количества так называемых гиалокластитов – пород, содержащих большое количество ионов фосфора, кальция и целого ряда других щелочных металлов. Гиалокластиты нестабильны по своей химической природе. Они быстро превращаются в своеобразное "стекло", из которого вымываются все ионы, что делает окружающую воду более щелочной.
Парадоксальным образом, эти ионы мешали вулканам растапливать Землю, так как они служили своеобразным "буфером", поглощавшим большую часть углекислого газа, которые выбрасывались из недр планеты, и превращавшим их в отложения карбонатов на дне океана. Благодаря этому доля СО 2 в атмосфере росла медленно, и Земля провела в "ледниковом периоде" свыше 200 миллионов лет.
Подобное свойство – теплая и очень щелочная вода – делало древнюю Землю очень похожей на то, каким сегодня выглядит Энцелад, спутник Сатурна, чей подледный океан обладает аналогичными свойствами. Это в принципе позволяет использовать ископаемые данные с Земли и данные современных наблюдений для оценки пригодности таких океанов к жизни и условий в них.
Где-то 600–700 млн лет тому назад на Земле приключилось нечто трудно представимое: она замёрзла. Суша, находившаяся в то время целиком в приэкваториальных и тропических областях, несёт на себе чёткие отпечатки ледников. Кажется очевидным, что на полюсах тоже вряд ли было слишком жарко.
Когда такая теория была высказана впервые, на неё обрушилась жесточайшая критика. Возражения сводились к двум основным тезисам: Земля не могла попасть в такое состояние и не могла из такого состояния выйти. Поясним: оледенения на Земле бывали часто, но только не планетарных масштабов. У нашей планеты есть эффективные системы обратной связи, препятствующие событиям такого рода. Например, при падении температуры океана растворимость газов в нём растёт, так что углерод органического происхождения должен быстро связываться в углекислый газ и насыщать атмосферу, вплоть до резкого усиления парникового эффекта. Последний ещё до окончания сковывания планеты льдами резко выровнял бы температуру, не допустив глобального оледенения.
Наконец, если бы вдруг это случилось, отмечали противники теории, разморозка была бы чрезвычайно трудна, а тотальная гибель жизни - неизбежна. Без открытой воды в атмосфере почти не было бы облаков, а высокая отражающая способность льда вела бы к потере Землёй энергии, полученной с солнечным светом. Какой механизм мог бы нагреть её, когда даже вулканическая деятельность под ледниковым щитом затруднительна (как в сегодняшней Антарктиде) - а значит, осложнено и вторичное насыщение углекислым газом? К тому же, если температура на экваторе была близка к антарктической, на полюсах теоретически мог выпасть сухой лёд, дополнительно выводивший углекислый газ из атмосферы.
Геолог Хуэй Мин Бао (Huiming Bao) из Университета штата Луизиана (США) был одним из противников теории Земли-снежка. Но исследования образцов упомянутого периода подвели учёного к мнению о правоте гипотезы. Однако важно было ответить на второй вопрос: как и когда полностью замёрзшая Земля могла оттаять, если ледяное покрытие и отсутствие облаков, напротив, должны были охладить её до предела?
Чтобы решить эту головоломку, учёные исследовали бариты BaSO 4 той далёкой эпохи. Как выяснилось после анализа образцов из Южного Китая, именно в баритах, близких к периоду глобального оледенения, был сильный дефицит кислорода-17 и избыток кислорода-18 в сравнении с нормальными земными концентрациями. Сначала столь странное изотопное состояние приписали эффекту сильнейшей эрозии, характерной для периода после отступления оледенения. Однако оледенений на Земле было много, а вот слоёв, обеднённых кислородом-17, пока больше не замечено.
Как полагает в связи с этим сам г-н Бао, это значит, что время резкого обеднения баритов кислородом-17 может быть маркером длительности периода, когда формирующиеся бариты были лишены доступа к такому кислороду. Хотя учёный считает преждевременным называть точные причины изотопного обеднения, он говорит, что уже сейчас можно использовать его для датирования периода «глобального оттаивания». Согласно расчётам, такие аномально обеднённые кислородом-17 бариты характерны для периода не более 0,00–0,99 млн лет.
Авторы исследования увязывают восстановление нормального содержания изотопа кислорода-17 с восстановлением нормальной же атмосферы. По их мнению, чтобы выйти из климатического нокаута и растаять, Земле требовалось в 350 раз больше углекислого газа, чем сегодня. Они считают, что такая концентрация сопровождалась малым количеством кислорода в атмосфере или же его почти полным отсутствием. После того как вулканы доставили в атмосферу избыточное количество углекислого газа, который на замёрзшей Земле некому было потребить, началось сверхинтенсивное глобальное потепление с положительной обратной связью. В период потепления и восстановления нормального состояния планеты, теоретизируют авторы работы, содержание кислорода-17 должно было быть минимальным.
Иными словами, нормальное положение дел восстановилось по геологическим меркам быстро - менее чем через миллион лет. Чрезвычайно быстро, если учесть катастрофический характер оледенения и связанный с ним процесс массового вымирания организмов. Строго говоря, раскрученный в 1980-х годах сценарий ядерной зимы не столь жесток, как случившееся в эпоху Земли-снежка.
«Что бы ни произошло на Земле, она восстановится, и весьма быстро, - подчёркивает Хуэй Мин Бао. - Планета выжила, и жизнь продолжилась даже после этого убийственного события. Единственное, что изменилось, - состав жизни. Другими словами, что бы люди ни делали Земле, жизнь устоит. Вот только останутся ли люди её частью...»
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Красными точками показаны места находок формаций, свидетельствующих об оледенении, чей возраст соответствует предполагаемому периоду "Snowball Earth". Как видно, они встречаются по всему миру (иллюстрация New Scientist) Новый эксперимент геологов должен был дать ответ на главный вопрос, возникающий у её противников: каким образом планета потом оттаяла, ведь снежно-ледяной покров хорошо отражает лучи, ещё больше усиливая охлаждение?
Диаграмма, демонстрирующая схему движения морских ледников в эпоху "Snowball Earth", в итоге приведшего к накоплению пыли на значительной части поверхности планеты. Ранее оттепель объясняли появлением в атмосфере большого количества углекислого газа от вулканов. Однако последние исследования показывают, что уровень СО 2 в то время составлял лишь десятую часть от требуемого для растапливания льда количества (иллюстрация Goodman, Pierrehumbert/Chicago University)
Дориан Эббот (Dorian Abbot) и Реймонд Пьергумберт (Raymond Pierrehumbert) использовали климатическое моделирование, чтобы изучить влияние пыли, попадавшей в атмосферу в результате вулканических извержений и выветривания горных пород.
Они обнаружили, что поверхность Земли в то время достаточно быстро загрязнялась, особенно в тех регионах, где редко выпадал снег. Её отражающие свойства при этом настолько сильно изменялись, что огромные участки планеты могли поглощать солнечный свет и постепенно растапливать лёд.
Таким образом, утверждают учёные, загадка оттепели может быть легко решена, если признать, что наша планета была скорее "грязевым комком", нежели "снежком". Эту гипотезу геологи намереваются проверить, поискав ископаемую пыль в отложениях того периода. Статья чикагских специалистов опубликована в Journal of Geophysical Research – Atmospheres, а прочесть её можно (PDF-документ). Примерно 700 миллионов лет назад, когда глобальное оледенение было настолько мощным, что льды доходили до экватора, в океане оставались свободными небольшие районы. Ключ к выживанию биосферы в один из самых критических для неё моментов обнаружили учёные из Британии и Австралии.
Еще в середине 20 века геологи стали находить свидетельства, указывающие на то, что в прошлом наша планета могла пережить всемирное оледенение. С годами эта теория находила все больше подтверждений и в настоящее время известна под названием «Земля-снежок». Согласно ее основным положениям в промежутке между 630 и 850 миллионами лет назад Земля некоторое время практически полностью была покрыта льдами, которые в то время доходили даже до экватора - об этом свидетельствуют осадочные отложения и палеомагнитные данные. Всего геологи насчитывают два пика оледенения, которые произошли 710 и 640 миллионов и каждый из которых длился по 10 миллионов лет.
Триггером оледенения стало удаление СО2 из атмосферы, которое привело к похолоданию и началу ледникового периода. Когда льды дошли до тропиков, запустился механизм обратной связи: как известно, снег и лед отражают от 55% до 80% падающего на него солнечного света, в то время как для океанов этот показатель составляет 12%, а для суши от 10% до 40%. Чем большая часть поверхности Земли покрывалась льдами, тем больше света отражалось в космос, что соответственно увеличивало скорость оледенения.
Как и многие другие масштабные концепции подобного плана, «Земля-снежок» имеет своих критиков. Кроме того, сама по себе теория существует в двух вариантах: сильном и слабом. Сильный предполагает, что льды полностью покрыли всю Землю в том числе и поверхность океанов образовав слой толщиной чуть ли не в километр. Слабый вариант исходит из того, что по крайней мере в районе экватора должны были остаться свободные от льда участки воды - иначе как тогда жизнь на нашей планете сумела пережить это событие? Особенно с учетом того, что нет данных свидетельствующих о том, что в этот период прозошло какое-то массовое вымирание видов. К тому же, возникает вопрос о том, как тогда Земля сумела выйти из такого экстремального ледникового периода с глобальной заморозкой. В качестве варианта называлось постепенное накапливание в атмосфере парниковых газов вследствие вулканической активности. Когда количество СО2 в атмосфере достигло 13%, то это привело к окончанию оледенения. Однако геологические летописи не содержат свидетельств о том, что в земной атмосфере в то время было так много СО2.
И вот, группа ученых из Колумбийского университета климата эпохи «Земли - снежка». За основу были взяты современные климатические модели, которые затем были адаптированы под реалии того периода, включая то, что Солнце тогда светило на 6% слабее чем сейчас, а вся суша на момент начала похолодания входила в состав суперконтинента Родиния. Согласно результатам моделирования, даже если бы средняя температура Земли составляла 12 градусов ниже нуля, примерно половина водной поверхности осталась бы свободна от льдов - течения наподобие Гольфстрима не дали бы полностью замерзнуть океанам. Так что, если эта модель верна, вместо «Земли - снежка» у нас была «Земля - слякотный снежок».
В настоящее время группа продолжает доработку своей модели, пытаясь оценить возможное влияние на климат эпохи «Земли - снежка » других факторов - например того, что в то время продолжительность суток составлял 21.9 часов. Если полученные выводы правильны, то они могут пригодиться не только геологам но и астробиологам, так как способно увеличить границы обитаемой зоны. Обитаемой зону называют ту область пространства вокруг звезды, где на поверхности планет может существовать вода в жидком виде. Обычно она рассчитывается лишь исходя из расстояния планеты до звезды. Однако как показывает модель «Земля - слякотного снежка», процесс замерзания планеты весьма сложен и зависит от многих факторов. Даже если средняя температура на планете намного ниже нуля, на ней все равно могут существовать открытые водоемы - по крайней мере, в теории.
Начало «Snowball Earth»
CaSiO 3 + CO 2 + H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + HCO 3 −Когда Земля охлаждается (из-за естественных климатических флуктуаций и изменений в солнечной радиации), скорость химических реакций падает, и этот тип выветривания замедляется. В результате меньшее количество диоксида углерода извлекается из атмосферы. Повышение концентрации диоксида углерода, являющегося парниковым газом , приводит к обратному эффекту - Земля разогревается. Эта отрицательная обратная связь лимитирует силу похолодания. Во времена криогения все континенты были в тропиках возле экватора , что делало этот сдерживающий процесс менее эффективным, так как высокая скорость выветривания сохранялась на суше даже во время охлаждения Земли. Это позволило ледникам продвинуться далеко от полярных регионов. Когда ледник продвинулся достаточно близко к экватору, положительная обратная связь через увеличение отражательной способности (альбедо) привела к дальнейшему похолоданию, пока Земля целиком не обледенела.
Во время ледникового периода
Глобальная температура упала так низко, что на экваторе было так же холодно, как в современной Антарктиде . Эта низкая температура поддерживалась льдом, высокое альбедо которого приводило к тому, что большая часть приходящего солнечного излучения отражалась обратно в космос. Этот эффект усиливало малое количество облаков, вызванное тем, что водяной пар был заморожен.
Окончание ледникового периода
Уровень углекислого газа, необходимый для разморозки Земли, оценивается как в 350 раз превышающий современный, примерно 13 % атмосферы. Так как Земля была почти полностью покрыта льдом, диоксид углерода не мог быть удален из атмосферы путем выветривания силикатных пород. За миллионы лет накопилось количество CO 2 и метана , в основном извергнутых вулканами, достаточное для парникового эффекта, растопившего поверхностный лёд в тропиках до образования пояса свободных ото льда воды и суши; этот пояс будет темнее, чем лёд, и поэтому будет поглощать больше солнечной энергии, запуская «положительную обратную связь ».
На континентах таяние ледников обнажит большое количество ледниковых отложений, которые начнут эродировать и выветриваться.
Попавшие в результате этого в океан осадки, богатые такими биогенами, как фосфор , вкупе с обилием CO 2 , вызовут взрывной рост популяций цианобактерий . Это приведёт к относительно быстрой реоксигенации атмосферы, которая может быть связана с возникновением эдиакарской биоты и последующим «Кембрийским взрывом » - большая концентрация кислорода позволила развиться многоклеточным формам. Эта петля положительной обратной связи растопила лёд в геологически короткое время, возможно, меньшее, чем 1000 лет; накопление в атмосфере кислорода и падение содержания CO 2 продолжалось несколько последующих тысячелетий.
Вода растворила остатки CO 2 из атмосферы , образовав угольную кислоту , выпавшую в виде кислотных дождей . Это, усилив выветривание обнажённых силикатных и карбонатных горных пород (включая легко выветриваемые ледниковые наносы), освободило большие количества кальция, который, будучи смыт в океан, сформировал ясно текстурированные карбонатные осадки. Подобные абиотические «венчающие карбонаты» (англ. «cap carbonates» ), которые могут быть найдены на вершине ледниковых тилей, впервые навели на мысль о Земле-снежке.
Возможно, уровень углекислого газа упал настолько, что Земля вновь замёрзла; этот цикл мог повторяться до тех пор, пока дрейф континентов не привёл к их перемещению в более полярные широты.
Аргументы в пользу гипотезы
Ледниковые отложения в низких широтах
Осадочные горные породы, отложенные ледником, имеют характерные черты, позволяющие идентифицировать их. Задолго до появления гипотезы Snowball Earth многие отложения неопротерозоя были идентифицированы как ледниковые. Однако многие черты осадков, обычно связываемые с ледником, могут иметь и другое происхождение. Свидетельства включают в себя:
- эрратические валуны (камни, упавшие в морские осадки), которые могут быть вызваны ледником или другими причинами;
- слоистость (ежегодные отложения осадков в приледниковых озёрах);
- ледниковая исчерченность (образуется, когда обломки пород, подхваченные ледником, царапают подстилающую породу): подобная исчерченность иногда вызывается селями .
Палеомагнетизм
При формировании горных пород магнитные домены в ферромагнитных минералах, имещихся в породе выстраиваются в соответствии с силовыми линиями магнитного поля Земли. Точное измерение этого направления позволяет оценить широту (но не долготу), где была сформирована порода. Палеомагнитные данные говорят о том, что многие неопротерозойские осадки ледникового происхождения были образованы в пределах 10 градусов от экватора. Палеомагнитные данные вместе со свидетельствами, полученными из осадков (такие, как эрратические валуны) говорят о том, что ледники доходили до уровня моря в тропических широтах. Неясно, говорит ли это о глобальном оледенении или о существовании локальных, возможно ограниченных сушей, ледников.
Соотношение изотопов углерода: отсутствие фотосинтеза
В морской воде присутствуют два стабильных изотопа углерода : углерод-12 (С-12) и редкий углерод-13 (С-13), составляющий примерно 1,109 % всех атомов углерода. В биохимические процессы (в фотосинтез , например) преимущественно вовлекается более легкий С-12. Таким образом, океанические фотосинтетики, и протисты , и водоросли , несколько обеднены С-13 относительно первичных вулканических источников земного углерода. Поэтому у океана с фотосинтетической жизнью отношение С-12/С-13 будет выше в органических остатках и ниже в окружающей воде. Органический компонент литифицированных осадков навсегда остается немного, но измеряемо обеднен углеродом-13. Во время предполагаемого глобального оледенения вариации концентрации С-13 были быстрыми и экстремальными относительно наблюдаемых нормальных вариаций. Это согласуется со значительным похолоданием, убившим большинство или почти всех фотосинтетиков в океане. Основной вопрос, связанный с этой идеей, состоит в определении одновременности вариаций в соотношении изотопов углерода, геохронологическое подтверждение чего отсутствует.
Железисто-кремниевые формации
Камень с железисто-кремниевыми формациями возрастом 2,1 млрд лет
Железисто-кремниевые формации - осадочная порода, состоящая из слоев оксида железа и бедного железом кремня . В присутствии кислорода, железо ржавеет и становится нерастворимым в воде. Железисто-кремниевые формации обычно очень старые и их отложение часто связано с окислением земной атмосферы во время Палеопротерозоя , когда растворенное железо в океане контактировало с выделенным фотосинтетиками кислородом и осаждалось в виде оксида. Слои формировались на границе между бескислородной и кислородсодержащей атмосферой. Так как современная атмосфера богата кислородом (примерно 21 % по объёму), невозможно накопить достаточно оксида железа для откладки железисто-кремниевой формации. Единственные массовые железисто-кремниевые формации, отложенные после палеопротерозоя, связаны с ледниковыми отложениями криогения. Для того, чтобы сформировались подобные богатые железом горные породы, необходим бескислородный океан, где большое количество растворенного железа (в виде оксида железа (II)) может накопиться до того, как окислитель осадит его в виде оксида железа (III). Чтобы океан стал бескислородным, необходимо ограничение газообмена с кислородной атмосферой. Сторонники гипотезы считают, что повторное появление железисто-кремниевых формаций - результат ограниченного уровня кислорода в океане, скованном льдом.
«Венчающие карбонаты»
Сверху неопротерозойские ледниковые отложения обычно переходят в химически осажденные известняки и доломиты толщиной от метров до десятков метров. Эти «венчающие карбонаты» иногда находятся в последовательности осадков, не имеющих других карбонатов, что позволяет предположить, что их формирование - результат глубокого изменения химии океана.
Эти «венчающие карбонаты» имеют необычный химический состав и странную осадочную структуру, часто интерпретируемую как большие наносы. Формирование таких осадочных пород могло случиться при большом увеличении щелочности из-за высоких темпов выветривания во время экстремального парникового эффекта, последующего за глобальным оледенением.
Выживание жизни во время ледниковых периодов
Грандиозное оледенение должно было подавить растительную жизнь на Земле и, следовательно, привести к значительному снижению концентрации или даже полному исчезновению кислорода, что позволило образоваться неокисленным богатым железом породам. Скептики утверждают, что такое оледенение должно было привести к полному исчезновению жизни, чего не произошло. Сторонники гипотезы отвечают им, что жизнь могла выжить следующими путями.
- Оазисы анаэробной и аноксифильной жизни, питаемые энергией глубоководных гидротерм, выживали в глубине океанов и коры - но фотосинтез был там невозможен.
- В открытом океане, вдалеке от суперконтинента Родиния или его осколков после его распада, могли остаться небольшие участки открытой воды, сохранившие жизнь с доступом света и углекислого газа для фотосинтетиков, дававших небольшие количества кислорода, достаточные для поддержания некоторых оксифильных организмов. Такой вариант возможен и в том случае, если океан замерз полностью, но небольшие участки льда были достаточно тонки, чтобы пропускать свет.
- На нунатаках в тропиках, где днем тропическое солнце или вулканическое тепло разогревали скалы, защищенные от холодного ветра, и образовывали временные талые водоемы, замерзавшие после заката.
- Яйца, споры и покоящиеся стадии, вмороженные в лёд, могли пережить наиболее тяжелые фазы оледенения.
- Под слоем льда, в хемолитотрофных экосистемах, теоретически ожидаемых в ложах современных ледников, высокогорной и арктической вечной мерзлоте. Особенно вероятно это в зонах вулканизма или геотермальной активности.
- В бассейнах жидкой воды внутри и под слоем льда, подобно озеру Восток в Антарктиде. Согласно теории, эти экосистемы подобны микробным сообществам, живущим в постоянно замерзших озёрах антарктических сухих долин.
Российский палеонтолог Михаил Федонкин, однако, указывая, что современные данные (как палеонтологические, так и молекулярнобиологические) говорят о том, что большинство групп эукариотических организмов появилось ещё до неопротерозойского оледенения, считает это свидетельством против «крайних палеоклиматических моделей в виде гипотезы Snowball Earth», не отрицая роль похолодания в эукариотизации биосферы .
Эволюция жизни
Критика гипотезы
Результаты моделирования
Основываясь на результатах климатического моделирования, Дик Пельтье (Dick Peltier) из Университета Торонто заключил, что большие океанические акватории должны были остаться свободными ото льда, утверждая, что «сильный» вариант гипотезы неправдоподобен по соображениям энергетического баланса и моделей глобальной циркуляции.
Неледниковое происхождение диамиктитов
Осадочная порода диамиктит, обычно интерпретируемая как ледниковое отложение, также была интерпретирована как селевые осадки (Eyles and Januszczak, 2004).
Гипотеза высокого наклона
Одна из конкурирующих гипотез, объясняющих наличие льда на экваториальных континентах - высокий наклон земной оси, около 60°, поместивший земную сушу в высокие «широты». Более слабый вариант гипотезы предполагает всего лишь миграцию магнитного поля Земли к этому наклону, так как прочтение палеомагнитных данных, говорящее о низкоширотных оледенениях, основывается на близости магнитных и географических полюсов (есть некоторые данные, позволяющие думать именно так). В любой из этих двух ситуаций оледенение будет ограничено относительно малой территорией, как сейчас, и радикальные изменения земного климата не понадобятся.
Инерциальное истинное перемещение полюсов
Ещё одно альтернативное объяснение полученных данных - концепция инерциального истинного перемещения полюсов. Предложенная Киршвинком и другими в июле 1997, эта концепция предполагает, что континентальные массивы могли двигаться намного быстрее, чем ранее предполагалось под влиянием физических законов, определяющих распределение масс по планете в целом. Если континенты ушли слишком далеко от экватора, вся литосфера может сдвинуться, чтобы привести их обратно со скоростями, в сотни раз превышающими обычные тектонические движения. Это должно выглядеть, как будто магнитный полюс перемещался, в то время как на самом деле континенты перестраивались относительно него. Эта идея была оспорена Торсвиком (Torsvik, 1998), Мертом (Meert, 1999) и Торсвиком и Ренстормом (Torsvik, Rehnstorm, 2001), показавшими, что предложенный Киршвинком (Kirshvink, 1997) размах перемещения полюсов недостаточен для поддержки гипотезы. Таким образом, хотя геофизический механизм истинного перемещения полюсов заслуживает доверия, этого нельзя сказать о той идее, что подобное событие случилось в кембрии.
Если подобное быстрое движение имело место, оно должно быть ответственным за существование подобных черт оледенения на временных отрезках, близких к околоэкваториальному расположению континентов. Инерциальное истинное перемещение полюсов также связывали с кембрийским взрывом , так как животные должны были приспосабливаться к быстро меняющейся окружающей среде. Однако последние данные более не поддерживают существование подобного быстрого движения в кембрийское время.
Причины глобального оледенения
Невероятно, чтобы начало глобальному оледенению положил лишь один фактор. Наоборот, должны были совпасть несколько факторов.
Состав атмосферы
Для начала глобального оледенения необходим низкий уровень парниковых газов : углекислого газа, метана и водяного пара.
Распределение континентов
Сосредоточение континентов у тропиков необходимо для начала глобального оледенения. Большее количество осадков в тропиках ведёт к усилению речного стока, что захоранивает больше карбонатов, удаляя углекислый газ из атмосферы. Полярные континенты из-за низкого испарения слишком сухи для такого большого отложения углерода. Постепенное увеличение доли изотопа углерода-13 относительно углерода-12 в осадках, предшествовавшее Варангианскому оледенению указывает на то, что это медленный постепенный процесс.
История теории
1952: Австралия
1998: Намибия
Интерес к гипотезе «Snowball Earth» значительно увеличился после того, как Пол Хоффман (Paul F. Hoffman), профессор геологии Гарвардского Университета с соавторами опубликовал статью в «Science», применив идеи Киршвинка к последовательности неопротерозойских осадков в Намибии .
2007: Оман: ледниково-межледниковая цикличность
Группа авторов, основываясь на химии осадочных пород криогения в Омане , описали активные гидрологические циклы и изменения в климате, выведшие Землю из полностью оледенелого состояния. Используя отношение мобильных катионов к оставшимся в почве во время химического выветривания (химический индекс альтерации), они заключили, что интенсивность химического выветривания циклически изменялась, увеличиваясь во время межледниковий и уменьшаясь во время холодных и сухих оледенений.
Современное состояние (апрель 2007)
В настоящее время дебаты вокруг гипотезы продолжаются под эгидой «Международной программы по наукам о Земле» (International Geoscience Programme) - проект 512 «Неопротерозойский ледниковый период».
Другие предполагаемые глобальные оледенения
Палеопротерозойское оледенение
Гипотеза Snowball Earth привлекалась для объяснения ледниковых отложений в Гуронской супергруппе Канады, хотя палеомагнитные свидетельства низкоширотных ледников спорны. Ледниковые осадки южноафриканской Макгайенской формации несколько моложе, чем гуронские ледниковые отложения (возрастом примерно 2,25 миллиардов лет) и образовались в тропических широтах. Предполагалось, что рост концентрации свободного кислорода во время этой части Палеопротерозоя удалил метан из атмосферы, окислив его. Так как Солнце в то время было значительно слабее, чем ныне, именно метан как сильный парниковый газ мог удерживать поверхность Земли от замерзания. В отсутствие метанового парникового эффекта температура упала, и смогло произойти глобальное оледенение.
Каменноугольное оледенение (ранние предположения)
Примечания
- Краткое упрощенное описание - см. в книге Tjeerd van Andel New Views on an Old Planet: A History of Global Change (Cambridge University Press) (1985, second edition 1994).
- Hyde, W.T.; Crowley, T.J., Baum, S.K., Peltier, W.R. (2000). «Neoproterozoic "snowball Earth" simulations with a coupled climate/ice-sheet model » (PDF). Nature 405 (6785): 425–9. DOI :10.1038/35013005 . PMID 10839531 . Проверено 2007-05-05.
- Hoffman, P.F. (1999). «The break-up of Rodinia, birth of Gondwana, true polar wander and the snowball Earth ». Journal of African Earth Sciences 28 (1): 17-33. Проверено 2007-04-29.
- D.A.D. Evans (2000). «Stratigraphic, geochronological, and paleomagnetic constraints upon the Neoproterozoic climatic paradox». American Journal of Science 300 (5): 347 – 433.
- Young, G.M. (1995-02-01). «Are Neoproterozoic glacial deposits preserved on the margins of Laurentia related to the fragmentation of two supercontinents? ». Geology 23 (2): 153-156. Проверено 2007-04-27.
- D.H. Rothman; J.M. Hayes; R.E. Summons (2003). «Dynamics of the Neoproterozoic carbon cycle». PNAS 100 (14): 124 – 129.
- Kirschvink Joseph Late Proterozoic low-latitude global glaciation: the Snowball Earth // The Proterozoic Biosphere: A Multidisciplinary Study / J. W. Schopf; C. Klein. - Cambridge University Press, 1992.
- M.J. Kennedy (1996). «Stratigraphy, sedimentology, and isotopic geochemistry of Australian Neoproterozoic postglacial camp dolostones: deglaciation, d13C excursions and carbonate precipitation». Journal of Sedimentary Research 66 (6): 1050 – 1064.
- Spencer, A.M. (1971). «Late Pre-Cambrian glaciation in Scotland». Mem. Geol. Soc. Lond. 6 .
- P. F. Hoffman; D. P. Schrag (2002). «The snowball Earth hypothesis: testing the limits of global change». Terra Nova 14 : 129 – 155.
- Федонкин, М.А. (2006). «Две летописи жизни: опыт сопоставления (палеобиология и геномика о ранних этапах эволюции биосферы) ». сб. ст., посв. 70-летию академика Н.П.Юшкина: «Проблемы геологии и минералогии» : 331-350.
- Fedonkin, M.A. (2003). «The origin of the Metazoa in the light of the Proterozoic fossil record ». Paleontological Research 7 (1).
- Peltier W.R. Climate dynamics in deep time: modeling the “snowball bifurcation” and assessing the plausibility of its occurrence // The Extreme Proterozoic: Geology, Geochemistry, and Climate / Jenkins, G.S., McMenamin, M.A.S., McKey, C.P., & Sohl, L. (. - American Geophysical union, 2004. - P. 107-124.
- Schrag, D.P.; Berner, R.A., Hoffman, P.F., Halverson, G.P. (2002). «On the initiation of a snowball Earth ». Geochem. Geophys. Geosyst 3 (10.1029). Проверено 2007-02-28.
- A. R. Alderman; C. E. Tilley (1960). «Douglas Mawson, 1882-1958 ». Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society 5 : 119 – 127.
- W. B. Harland (1964). «Critical evidence for a great infra-Cambrian glaciation». International Journal of Earth Sciences 54 (1): 45 – 61.
- M.I. Budyko (1969). «Effect of solar radiation variation on climate of Earth». Tellus 21 (5): 611 – 1969.
- P. F. Hoffman, A. J. Kaufman; G. P. Halverson; D. P. Schrag (1998). «A Neoproterozoic Snowball Earth». Science 281 : 1342 – 1346.
- R. Rieu; P.A. Allen; M. Plotze; T. Pettke (2007). «Climatic cycles during a Neoproterozoic "snowball" glacial epoch ». Geology 35 (5): 299–302.
- http://www.igcp512.com/
- Williams G.E.; Schmidt P.W. (1997). «Paleomagnetism of the Paleoproterozoic Gowganda and Lorrain formations, Ontario: low paleolatitude for Huronian glaciation ». EPSL 153 (3): 157-169.
- Robert E. Kopp, Joseph L. Kirschvink, Isaac A. Hilburn, and Cody Z. Nash (2005). «The Paleoproterozoic snowball Earth: A climate disaster triggered by the evolution of ». PNAS 102 (32): 11131-11136.
- Evans, D. A., Beukes, N. J. & Kirschvink, J. L. (1997) Nature 386, 262-266.
Литература
- Arnaud, E. and Eyles, C.H. 2002. Catastrophic mass failure of a Neoproterozoic glacially-influenced continental margin, the Great Breccia, Port Askaig Formation, Scotland. Sedimentary Geology 151: 313-333.
- Arnaud, E. and Eyles, C. H. 2002. Glacial influence on Neoproterozoic sedimentation: The Smalfjord Formation, northern Norway, Sedimentology, 49: 765-788.
- Eyles, N., and Januszczak, N. (2004). «Zipper-rift»: a tectonic model for Neoproterozoic glaciations during the break up of Rodinia after 750 Ma. Earth Science Reviews 65, 1-73.
- Fedonkin, M.A. 2003. The origin of the Metazoa in the light of the Proterozoic fossil record. Paleontological Research, 7: 9-41
- Gabrielle Walker, 2003, Snowball Earth , Bloomsbury Publishing, ISBN 0-7475-6433-7
- Jenkins, Gregory, et al, 2004, The Extreme Proterozoic: Geology, Geochemistry, and Climate AGU Geophysical Monograph Series Volume 146, ISBN 0-87590-411-4
- Kaufman, A.J.; Knoll, A.H., Narbonne, G.M. (1997). «Isotopes, ice ages, and terminal Proterozoic earth history» (National Acad Sciences). . Включает данные о эффекте глобального оледенения на жизнь.
- Kirschvink, Joseph L., Robert L. Ripperdan, and David A. Evans, «Evidence for a Large-Scale Reorganization of Early Cambrian Continental Masses by Inertial Interchange True Polar Wander». Science 25 July 1997:541 - 545.
- Roberts, J.D., 1971.Late Precambrian glaciation: an anti-greenhouse effect? Nature, 234, 216-217.
- Roberts, J.D., 1976. Late Precambrian dolomites, Vendian glaciation, and the synchroneity of Vendian glaciation, J. Geology, 84, 47-63.
- Meert, J.G. and Torsvik, T.H. (2004) Paleomagnetic Constraints on Neoproterozoic ‘Snowball Earth’ Continental Reconstructions, AGU Monograph Extreme Climates.
- Meert, J.G., 1999. A paleomagnetic analysis of Cambrian true polar wander, Earth Planet. Sci. Lett., 168, 131-144.
- Sankaran, A.V., 2003. Neoproterozoic ‘snowball earth’ and the ‘cap’ carbonate controversy. Current Science, vol. 84, no. 7. (includes multiple references within, online at
Исследователи из КНР и США проанализировали содержание различных изотопов магния в горных породах из Южного Китая древностью в 635 миллионов лет. Содержание различных изотопов магния указало на то, что эти породы в ту пору подвергались сильной эрозии под воздействием угольной кислоты. Открытие подтверждает давно разработанную гипотезу о том, что Земля-снежок растаяла, когда над ней начали массово идти кислотные дожди. Соответствующая опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences .
Учёные исследовали фрагмент скальных пород, который 635 миллионов лет назад был частью горной вершины. Она выступала над всепланетным ледником, покрывавшим в ту эпоху Землю, и подвергалась прямому контакту с дождями, содержащими угольную кислоту. Это изменило соотношение изотопов магния в леднике. Как отмечают исследователи, их находка показывает, что именно огромная концентрация диоксида углерода в воздухе привела к размораживанию Земли. Если его было достаточно для ливней с угольной кислотой, значит, парниковый эффект достигал уровня, немыслимого по сегодняшним меркам.
Кроме того, новая работа указывает на источник карбонатной "шапки" – слоя карбонатных отложений, лежащего поверх слоёв времён глобального оледенения. Угольная кислота была агрессивной химической средой, с помощью которой из горных пород образовывались карбонаты. С таявшей водой они стекали в океаны, где стали основой для резкого роста содержания соединений кальция. Избыток этого вещества сыграл большую роль в образовании животного мира кембрия. Тогдашние многоклеточные существа часто использовали кальций для "строительства" наружных твёрдых пороков.
Климат нашей планеты в долгосрочном плане управляется углеродным циклом. Если на ней слишком жарко, углекислый газ из воздуха активно поглощается горными породами. При малом содержании диоксида углерода в воздухе парниковый эффект ослабевает - и Земля снова охлаждается. Если становится холодно, скорость химических реакций замедляется и углекислый газ слабее поглощается горными породами, накапливаясь в атмосфере. От этого наступает глобальное потепление, и климат всё равно возвращается к норме. 650 миллионов лет назад этот естественный терморегулятор по не ясным пока причинам дал сбой.
Углекислого газа однажды стало так мало, что на планете установилось глобальное оледенение: льдом покрылась вся вода и суша, даже на экваторе. Это состояние в геологии обозначают как Земля-снежок (snowball earth) . По логике углеродного цикла, вулканические извержения, пополняющие атмосферный углекислый газ, со временем должны были поднять его концентрацию до огромных значений, ведь горные породы и морская вода из-подо льда не могли связать ключевой парниковый газ. Со временем его доля в воздухе так поднялась, что парниковый эффект пересилил охлаждение Земли за счёт отражения солнечного света льдами.
У гипотезы был серьёзный недостаток: её было очень трудно проверить. В теории большая концентрация углекислого газа в воздухе должна вести к спонтанному образованию угольной кислоты и её выпадению с водой в виде кислотных дождей. Однако ранее все попытки найти прямые химические следы таких дождей были безуспешны. Дело в том, что они шли, когда планета была полностью покрыта льдом и добраться до горных пород было очень сложно.
