Snowball Earth är en hypotes [1] som tyder på att jorden var helt täckt av is under de kryogena och ediakariska perioderna under den neoproterozoiska eran, och möjligen även under andra geologiska epoker. Hypotesen är avsedd att förklara avsättningen av glaciala sediment på tropiska breddgrader under den kryogena perioden (720-635 miljoner år sedan) och andra mystiska egenskaper i dess geologiska rekord. Efter slutet av den senaste stora istiden accelererade utvecklingen av flercelliga organismer .
Forskare särskiljer två globala istider under den kryogena perioden:
Även här kan tillskrivas en annan glaciation, Huronian (2,4-2,1 miljarder år sedan) - den längsta och största istiden i hela jordens historia, som täcker Siderian och Ryasian perioder av Paleoproterozoic .
När de utsätts för luft genomgår silikatstenar kemisk vittring , vilket tar bort koldioxid från atmosfären. I allmänhet ser dessa reaktioner ut så här: mineral + CO 2 + H 2 O → katjoner + bikarbonat + SiO 2 . Ett exempel på en sådan reaktion är vittringen av wollastonit :
CaSiO 3 + 2 CO 2 + 2 H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + 2 HCO 3 -De frigjorda kalciumkatjonerna reagerar med löst bikarbonat i havet och bildar kalciumkarbonat som en kemiskt utfälld sten. Detta överför koldioxid från luften till litosfären och vid ett stabilt tillstånd på geologiska tidsskalor kompenserar vulkaner för utsläpp av koldioxid .
När jorden svalnar (på grund av naturliga klimatfluktuationer och förändringar i solstrålningen) saktar hastigheten av kemiska reaktioner ner och denna typ av vittring saktar ner. Som ett resultat avlägsnas mindre koldioxid från atmosfären. En ökning av koncentrationen av koldioxid, som är en växthusgas , leder till motsatt effekt - jorden värms upp. Denna negativa återkoppling begränsar styrkan på kylningen. Vid tiden för kryogeni befann sig alla kontinenter i det tropiska bältet (nära ekvatorn ), vilket gjorde denna inneslutningsprocess mindre effektiv, eftersom en hög väderlekshastighet bibehölls på land även under jordens kylning. Detta gjorde att glaciärerna kunde röra sig långt från polarområdena. När glaciären avancerade tillräckligt nära ekvatorn ledde positiv återkoppling genom en ökning av reflektiviteten ( albedo ) till ytterligare avkylning tills hela jorden var isad.
Den globala temperaturen sjönk så lågt att det var lika kallt vid ekvatorn som i dagens Antarktis [2] . Denna låga temperatur upprätthölls av is, vars höga albedo gjorde att det mesta av den inkommande solstrålningen reflekterades tillbaka ut i rymden. Denna effekt förvärrades av den lilla mängd moln som orsakades av att vattenångan var frusen.
Nivån av koldioxid i atmosfären, nödvändig för att frysa jorden, uppskattas till 13%, det vill säga 350 gånger mer än idag. Eftersom jorden nästan var helt täckt av is kunde koldioxid inte avlägsnas från atmosfären genom vittring av silikatstenar. Under miljontals år har tillräckligt med CO 2 och metan , mestadels utbrott av vulkaner, ackumulerats för att orsaka en växthuseffekt som smälter ytisen i tropikerna för att bilda ett bälte av isfritt vatten och land; detta bälte var mörkare än is och absorberade därför mer solenergi, vilket utlöste positiv feedback .
På kontinenterna exponerade smältningen av glaciärer en stor mängd glaciäravlagringar, som började kollapsa och förvädra.
De resulterande havssedimenten, rika på näringsämnen som fosfor , tillsammans med ett överflöd av CO 2 , orsakade en explosiv tillväxt i cyanobakteriepopulationer . Detta ledde till en relativt snabb återsyresättning av atmosfären, vilket kan vara associerat med uppkomsten av Ediacaran-biotan och den efterföljande " kambriska explosionen " - en stor koncentration av syre möjliggjorde utvecklingen av flercelliga former. Denna positiva återkopplingsslinga smälte isen på en geologiskt kort tid, kanske mindre än 1000 år; ackumuleringen av syre i atmosfären och minskningen av CO 2 -halten fortsatte under flera efterföljande årtusenden.
Vattnet löste upp den kvarvarande CO 2 från atmosfären och bildade kolsyra , som föll som surt regn . Detta, genom att öka vittringen av exponerade silikat- och karbonatstenar ( inklusive lättvittrade glaciala avlagringar), släppte ut stora mängder kalcium, som när det sköljdes ut i havet bildade tydligt strukturerade karbonatsediment. Liknande abiotiska "krönande karbonater" som kan hittas på toppen av glaciala tils föreslog först Snowball Earth.
Kanske sjönk koldioxidhalten så mycket att jorden frös igen; denna cykel kunde upprepas tills kontinenternas avdrift ledde till deras förflyttning till mer polära breddgrader [3] .
Sedimentära bergarter avsatta av en glaciär har karakteristiska egenskaper som gör att de kan identifieras. Långt före Snowball Earth- hypotesen identifierades många neoproterozoiska avlagringar som glaciala. Vissa av de sedimentära bergarterna som vanligtvis förknippas med glaciären kan dock ha andra ursprung. Bevis inkluderar:
Under bildningen av bergarter ställs de magnetiska domänerna i de ferromagnetiska mineral som finns i berget upp i linje med kraftlinjerna för jordens magnetfält. Noggrann mätning av denna riktning gör det möjligt att uppskatta den latitud (men inte longitud ) där berget bildades. Paleomagnetiska bevis tyder på att många neoproterozoiska glaciala sediment bildades inom 10 grader från ekvatorn [4] . Paleomagnetiska data, tillsammans med bevis från sediment (som oberäkneliga stenblock), tyder på att glaciärer nådde havsnivån på tropiska breddgrader. Det är inte klart om detta indikerar global glaciation eller förekomsten av lokala, möjligen landbundna, glaciärer [5] .
Havsvatten innehåller två stabila isotoper av kol : kol-12 (C-12) och sällsynt kol-13 (C-13), som står för ungefär 1,109 % av alla kolatomer. Den lättare C-12 är övervägande involverad i biokemiska processer (i fotosyntes , till exempel). Sålunda är oceanisk fotosyntetik, både protister och alger , något uttömd i C-13 i förhållande till de primära vulkaniska källorna för markbundet kol. Därför, i ett hav med fotosyntetiskt liv, kommer C-12/C-13-förhållandet att vara högre i organiskt skräp och lägre i det omgivande vattnet. Den organiska komponenten i litifierade sediment förblir för alltid liten, men är mätbart utarmad på kol-13. Under den förmodade globala nedisningen var C-13-koncentrationsvariationerna snabba och extrema i förhållande till observerade normala variationer [6] . Detta överensstämmer med en betydande nedkylning som dödade det mesta eller nästan all fotosyntetik i havet. Huvudfrågan i samband med denna hypotes är att bestämma samtidigheten av variationer i förhållandet mellan kolisotoper, för vilka det inte finns någon geokronologisk bekräftelse.
Ferro-silicic formationer är sedimentära bergarter som består av lager av järnoxid och järnfattig flinta . I närvaro av syre rostar järn och blir olösligt i vatten. Järn-kiselhaltiga formationer är vanligtvis mycket gamla, och deras avsättning är ofta förknippad med försurningen av jordens atmosfär under Paleoproterozoic , när upplöst järn i havet kom i kontakt med syre som frigjordes av fotosyntetik och fälldes ut som oxid. Skikten bildades vid gränsen mellan den syrefria och syrehaltiga atmosfären. Eftersom den moderna atmosfären är rik på syre (cirka 21 volymprocent) är det inte möjligt att ackumulera tillräckligt med järnoxid för att avsätta en järn-kiseldioxidbildning. De enda järnhaltiga-kiselhaltiga massformationerna som avsatts efter Paleoproterozoikum är förknippade med glaciala avlagringar av kryogen.
För att dessa järnrika bergarter ska bildas behövs ett anoxiskt hav där stora mängder löst järn som järn(II)oxid kan samlas innan oxidationsmedlet fäller ut det som järn(III)oxid. För att havet ska bli anoxiskt är det nödvändigt att begränsa gasutbytet med syreatmosfären. Förespråkare av hypotesen tror att återkomsten av järn-kiselformationer är resultatet av en begränsad nivå av syre i havet, bundet av is [7] .
Uppifrån övergår neoproterozoiska glaciala avlagringar vanligtvis till kemiskt avsatta kalkstenar och dolomiter med en tjocklek av meter till tiotals meter [8] . Dessa "krönande karbonater" finns ibland i en rad sediment utan andra karbonater, vilket tyder på att deras bildande är resultatet av en djupgående förändring i havets kemi [9] .
Dessa "kronande karbonater" har en ovanlig kemisk sammansättning och en märklig sedimentär struktur, ofta tolkad som stora sediment [10] . Bildandet av sådana sedimentära bergarter kunde ha skett med en stor ökning av alkaliteten på grund av de höga vittringshastigheterna under den extrema växthuseffekten efter den globala glaciationen.
En massiv glaciation skulle ha undertryckt växtlivet på jorden och följaktligen lett till en betydande minskning av koncentrationen eller till och med det fullständiga försvinnandet av syre, vilket möjliggjorde bildandet av ooxiderade, järnrika stenar. Skeptiker hävdar att en sådan nedisning borde ha lett till att livet helt försvann, vilket inte hände. Förespråkare av hypotesen svarar dem att livet kunde ha överlevt på följande sätt.
Den ryske paleontologen Mikhail Fedonkin, men som påpekar att moderna data (både paleontologiska och molekylärbiologiska) tyder på att de flesta grupper av eukaryota organismer dök upp före den neoproterozoiska glaciationen, anser dessa bevis mot "extrema paleoklimatiska modeller i form av Snowball Earth-hypotesen", utan att förneka kylningens roll i eukaryotiseringen av biosfären [11] .
Neoproterozoikum var en tid av betydande diversifiering i flercelliga organismer, särskilt djur. Djurens storlek och komplexitet har ökat så mycket att Ediacarans mjukkroppsfauna har gjort det möjligt för IUGS (International Union of Geological Sciences) att särskilja Ediacaran-perioden. Utvecklingen av flercelliga djur kan vara resultatet av många cykler av glaciation-växthuseffekt, det vill säga en global istid kan "driva" utvecklingen. Vissa förespråkare av Snowball Earth-teorin pekar också på det faktum att den sista betydande glaciationen kan ha slutat flera miljoner år före starten av den " kambriska explosionen ". M. Fedonkin underbyggde hypotesen om kallvattenhabitaternas roll i uppkomsten av flercelliga djur och förskjutningen av prokaryoter av eukaryoter [12] .
Baserat på resultaten av klimatmodellering drog Dick Peltier vid University of Toronto slutsatsen att stora havsområden borde ha förblivit isfria, med argumentet att den "starka" versionen av hypotesen är osannolik på grund av energibalans och globala cirkulationsmodeller [ 13] .
Sedimentär bergart diamiktit, vanligtvis tolkad som en glacial avlagring, har också tolkats som slamflödessediment (Eyles och Januszczak, 2004).
En av de konkurrerande hypoteserna som förklarar närvaron av is på de ekvatoriala kontinenterna är den höga lutningen av jordaxeln, cirka 60°, som placerade jordens land på höga "breddgrader". En svagare version av hypotesen antar endast migrationen av jordens magnetfält till denna sluttning, eftersom läsningen av paleomagnetiska data, som talar om istider på låg latitud, är baserad på närheten till de magnetiska och geografiska polerna. I någon av dessa två situationer kommer glaciationen att vara begränsad till ett relativt litet område, som det är nu, och radikala förändringar i jordens klimat kommer inte att behövas.
En annan alternativ förklaring av de erhållna data är konceptet med tröghetsförskjutning av polerna. Detta koncept, som föreslogs av Kirschvink och andra i juli 1997, antyder att landmassor kan röra sig mycket snabbare än man tidigare trott på grund av de fysiska lagarna som styr massans fördelning över planeten som helhet. Om kontinenterna har gått för långt från ekvatorn kan hela litosfären förskjutas för att föra tillbaka dem med hastigheter hundratals gånger snabbare än normala tektoniska rörelser. Det borde se ut som om den magnetiska polen rörde sig, när kontinenterna i själva verket ordnade om i förhållande till den. Denna idé har ifrågasatts av Torsvik (1998), Mert (Meert, 1999) och Torsvik och Rehnstorm (2001), som har visat att det av Kirshvink (1997) föreslagna omfånget för polrörelser är otillräckligt för att stödja hypotesen. Således, även om den geofysiska mekanismen för sann polrörelse är trovärdig, kan detsamma inte sägas om idén att en liknande händelse inträffade i Kambrium.
Om en sådan snabb rörelse ägde rum, måste den vara ansvarig för förekomsten av sådana drag av glaciation i tidsintervall nära kontinenternas nära ekvatoriala läge. Tröghet sann polrörelse har också kopplats till den kambriska explosionen , eftersom djur var tvungna att anpassa sig till snabbt föränderliga miljöer.
Det är osannolikt att den globala glaciationen initierades av bara en faktor. Tvärtom måste flera faktorer ha sammanfallit.
Global glaciation kräver låga nivåer av växthusgaser : koldioxid, metan och vattenånga för att starta.
Koncentrationen av kontinenter nära tropikerna är nödvändig för uppkomsten av global glaciation. Mer nederbörd i tropikerna leder till ökat flodflöde, vilket begraver mer karbonater och tar bort koldioxid från atmosfären. De polära kontinenterna är, på grund av låg avdunstning , för torra för en så stor avlagring av kol. Den gradvisa ökningen av andelen kol-13 isotop i förhållande till kol-12 i sediment som föregick Varangian-glaciationen indikerar att detta är en långsam gradvis process [14] .
Sir Douglas Mawson, en australisk geolog och Antarktis upptäcktsresande, tillbringade större delen av sin karriär med att utforska geologin i södra Australien. Där hittade han tjocka och utsträckta neoproterozoiska isavlagringar och spekulerade därefter om möjligheten till världsomspännande glaciation. [15] Mawsons idé baserades dock på det felaktiga antagandet att Australien och andra tropiska kontinenter med bevis på tidigare glaciationer förblir på samma geografiska plats hela tiden. Det efterföljande godkännandet av teorin om plattektonik gav en enklare förklaring till glaciärer på låg latitud: sediment avsattes på höga latituder och flyttades därefter till sina nuvarande låglatitudpositioner genom kontinentaldrift.
Idén om global glaciation återupplivades 1964 när Brian Harland publicerade en artikel där han tolkade paleomagnetiska data som bevis på att glaciella tilliter på Svalbard och Grönland avsattes på tropiska breddgrader. [16] Detta bekräftades senare av sedimentologiska bevis för att glaciala avlagringar fanns inom en sekvens av stenar som normalt förknippas med tropiska och tempererade breddgrader, och Harland drog slutsatsen att istiden var så allvarlig att glaciala avlagringar också bildades i tropikerna.
På 1960-talet skapade den sovjetiske klimatologen Mikhail Budyko en enkel klimatmodell för energibalans för att studera effekten av istäcke på det globala klimatet. Med hjälp av denna modell fann Budyko att om glaciärerna rör sig tillräckligt långt från polarzonen, så kommer den positiva återkopplingen av den ökande reflektionsförmågan (albedo) hos inlandsisen att leda till ytterligare kylning och mer glaciation tills hela jorden är täckt med is. [17] När isen har blivit isat stabiliseras jorden i detta tillstånd på grund av isens höga albedo, vilket reflekterar det mesta av solstrålningen. Eftersom Budykos modell visade sådan glacial stabilitet drog han slutsatsen att detta aldrig hände: det fanns inget sätt i hans modell att ta sig ur detta stabila tillstånd.
James Gleick, i sin populärvetenskapliga bok om kaosteoriens historia , Chaos: Creating a New Science (1987), som diskuterade glacialjämvikten i jordens klimat (av honom kallad "White Earth"), kom också till slutsatsen att sådana en situation är bara en teoretisk möjlighet som aldrig har hänt i jordens historia.
1992 myntade Joseph Lynn Kirschvink, professor i geobiologi vid California Institute of Technology, termen "Snowball Earth" i en kort artikel publicerad i en tvärvetenskaplig volym om Proterozoic biologi [7] . I detta arbete föreslog Kirschvink en mekanisk process för att förklara de gåtfulla isavlagringarna på låg latitud: en självförsörjande process av is- och albedotillväxt leder till en glaciation av jorden, som slutar efter långvariga utsläpp av koldioxid från vulkaner leder till en ultraväxthuseffekt, vilket orsakar den snabba smältningen av inlandsisen. Hans främsta bidrag var att han visade vägen för jordens utträde från det isiga tillståndet som beskrivs i The End of the Ice Age .
Intresset för Snowball Earth-hypotesen ökade markant efter att Paul F. Hoffman, professor i geologi vid Harvard University och medförfattare, publicerade en artikel i Science där Kirschwinks idéer tillämpades på den neoproterozoiska sedimentsekvensen i Namibia [18] .
En grupp författare, baserade på den sedimentära kemin hos kryogen i Oman , har beskrivit aktiva hydrologiska cykler och förändringar i klimatet som förde jorden ut ur ett helt nedisat tillstånd. Genom att använda förhållandet mellan rörliga katjoner och de som finns kvar i jorden under kemisk vittring (kemiskt förändringsindex), drog de slutsatsen att intensiteten av kemisk vittring förändrades cykliskt, ökade under mellanistiderna och minskade under kalla och torra istider [19] .
För närvarande fortsätter debatten kring hypotesen under överinseende av International Geoscience Program - projekt 512 "Neoproterozoic Ice Age" [20] .
Snowball Earth-hypotesen har åberopats för att förklara isavlagringar i Kanadas Huron Supergroup, även om paleomagnetiska bevis för glaciärer på låg latitud är kontroversiella. [21] [22] Glacialavlagringarna i den sydafrikanska McGuyen-formationen är något yngre än Huronian glacialavlagringar (ungefär 2,25 miljarder år gamla) och bildades på tropiska breddgrader. [23] Det antogs att ökningen av koncentrationen av fritt syre under denna del av paleoproterozoiken tog bort metan från atmosfären och oxiderade den. Eftersom solen på den tiden var mycket svagare än den är nu, var det metan som en stark växthusgas som kunde hindra jordens yta från att frysa. I frånvaro av metanväxthuseffekten sjönk temperaturen och global glaciation inträffade [22] .
Upptäckten av glaciäravlagringar av karbon i Indien och Sydafrika , som nu ligger i tropikerna, ledde till tidiga spekulationer om att glaciationen hade nått tropikerna vid den tiden, men upptäckten av kontinentaldrift visade att alla glaciala territorier var samlade runt sydpolen i superkontinenten Gondwana .
interaktion: Ursprunget till den lägsta kända delta O-18 silikatbergarten på jorden i den paleoproterozoiska karelska sprickan. Geology, 38, 631-634. doi:10.1130/G30968.1
Jorden | ||
---|---|---|
Jordens historia | ![]() | |
Jordens fysiska egenskaper | ||
Jordens skal | ||
Geografi och geologi | ||
Miljö | ||
se även | ||
|
massutrotning | |
---|---|
Vetenskapen |
|
utrotningar | |
Meteoriter som påverkar utrotningen | |
Vulkanutbrott som bidrog till utrotningen |