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雪球地球

来自中国气象局 的图片

• “雪球地球”即全球冰冻现象，是20世纪90年代初美国科学家约瑟夫·科什文克提出的概念，它在地球历史中至少出现过3次。雪球地球是地质史上的一个名词。指的是地球表面从两极到赤道全部被结成冰，地球被冰雪覆盖，变成一个大雪球。
• 地球历史上曾出现过两次雪球地球事件，一次是在大约距今约8亿到5.5亿年之间，地球表面从两极到赤道全部结成冰，只有海底残留了少量液态水。还有一次则出现在地球刚刚出现生物的时候。
• 2023年4月，中国地质大学（武汉）教授童金南团队提出了一种全新的“雪球地球”模型，修正了许多人推崇的全球冰封假说，认为“雪球地球”时期中纬度和低纬度地区都存在开阔水域。这为当时的宏体生物生存和演化提供了新证据。相关研究成果发表于《自然-通讯》。

信息

中文名:雪球地球

适用领域:生物 地理

外文名：snow ball earth

应用学科：地理 化学 物理

简介

• 通过对于地质沉积物以及其他地质证据的研究，多年以来科学家一直认为8亿到5.5亿年之间地球一直处于完全冰冻状态。
• 地球上曾经出现了两次最著名的冰期。一次是发生在大约100万年前的更新世，当时人类刚刚开始进化，因为地球围绕太阳的公转轨道出现变化，整个北大西洋沿岸的大陆边缘都铺上了厚厚的冰层。另一次则是大概21000年前，北美和欧洲的大部分地区被厚达2公里的冰层覆盖，并且导致海平面下降了120米之多，这次5亿年以来最残酷的冰期至少影响了地球表面30%的地区。
• 但是这两次冰期，都没有发生在8亿—5.5亿年之间的全球性冰期事件来的更戏剧和更残酷。在很久之前发生的雪球地球事件使得整个地球被冻成一个大雪球，导致无数物种灭绝。

研究历史

形成研究

• 1964年，剑桥大学的B.W. Harland最早对全球范围内新元古代（大概8亿—5.5亿年前）的冰期沉积物做了研究，他提出在全世界各个大洲都有8亿—5.5亿年前的冰期沉积物。
• 同时，他通过简单的地磁学分析指出，当时这些大洲其实并没有被海洋分开，而是在赤道附近汇聚成一整块巨大的大陆。
• 而在当时，板块漂移学说也才慢慢被接受。而且由于分析手段缺乏，加上数据有限，所以B.W. Harland的说法并没有明确的得到广泛地证实，更没有人能解释，冰期沉积怎么到了赤道附近。

地质研究

• 在随后的二三十年里面，通过科学家在海洋生物学、地球化学等领域的进一步努力，获得了不少新的进展。
• 1987年，加州理工学院的J.L. Kirschvink等研究了澳大利亚的一块新元古代的粉砂岩之后，证实了它是属于当时沉积在赤道附近的浅海环境，确凿地说明了冰川曾经到达了赤道附近，而且这个研究成果也被后来的研究反复检测所证实，其中就包括随着古地磁学的发展。
• D.A.D. Evans等人在2000年研究了这个时期（8亿—5.5亿年前）各个大陆的冰川沉积地层学、地质年代学、古地磁学后指出，许多冰期沉积的杂砾岩出现在南北纬10°以内，甚至没有超过60°的。
• 1992年，J.L. Kirschvink首先提出在新元古代（8亿—5.5亿年前）曾经出现过几次“雪球地球”事件。可以想象，赤道附近都结冰了，那么整个地球还不冻的严严实实，成为一个“雪球”？
• 在随后的二三十年里面，通过科学家在海洋生物学、地球化学等领域的进一步努力，获得了不少新的进展。
• 1987年，加州理工学院的J.L. Kirschvink等研究了澳大利亚的一块新元古代的粉砂岩之后，证实了它是属于当时沉积在赤道附近的浅海环境，确凿地说明了冰川曾经到达了赤道附近，而且这个研究成果也被后来的研究反复检测所证实，其中就包括随着古地磁学的发展。
• D.A.D. Evans等人在2000年研究了这个时期（8亿—5.5亿年前）各个大陆的冰川沉积地层学、地质年代学、古地磁学后指出，许多冰期沉积的杂砾岩出现在南北纬10°以内，甚至没有超过60°的。
• 1992年，J.L. Kirschvink首先提出在新元古代（8亿—5.5亿年前）曾经出现过几次“雪球地球”事件。可以想象，赤道附近都结冰了，那么整个地球还不冻的严严实实，成为一个“雪球”？

假说研究

• 亿年前地球上的大陆并不是分离的，而是在赤道附近连在一起，我们称为罗迪尼亚超大陆。
• 罗迪尼亚超大陆因为一次著名的”超级地幔柱“的火山活动分裂了，形成几个小的陆地，这个就使得陆地的海岸线增加了很多；海岸线的增加带来两个后果：一个是生物在岸边的活动增加，光合作用的加强导致大量CO2被吸收，二个是同样增加了大陆的硅酸岩风化，而吸收了不少CO2，这两个结果导致大气的CO2迅速减少，“温室”变“冰室”，产生巨大的冰雪覆盖，进而产生了失控的反照率事件，而最终形成了“雪球”。
• 经过计算，当时冰盖有1公里厚，推进到赤道附近，地球温度下降到零下50°C左右。因为被冰雪埋藏，光合作用和大陆的硅酸岩风化作用都被终止，但是地球的火山活动还在继续，向外释放了大量的CO2。经过长达1000万年的积累，这些CO2终于足够强大，形成“温室效应”，从而迅速融化了“雪球地球”，在融化的时候整个海洋温度能够达到50°C以上。

解冻研究

• 美国加州理工学院研究小组还证明了一个机制，借助这一机制，地球才能摆脱“雪球地球”。在变成“雪球地球”后大约几千万年里，地球的二氧化碳积聚到一定程度，闪耀的亮白色冰层能反映太阳光线和热量，因此雪球在2亿年间一直处于像冰冻的雪球。
• 最终，由火山喷发出的二氧化碳温室气体进入空气中，由此地球气候逐渐转暖，厚厚的冰层也慢慢融化。温室效应再一次发生了，地球温度又逐渐升高，冰层融化，生命重返地球。研究小组的科学家认为，如果地球环境继续恶化，地球有可能再次成为“雪球”，地球上的生物将面临被再次毁灭的危险。

消融研究

• 2023年9月，中国科学技术大学沈延安课题组在中国华南等地进行系统研究，首次提出“冰层消融诱发大规模火山喷发”等地球与生命演化新机制，对探索现代极端气候变化和地球宜居性具有重要启示意义。9月7日，国际知名学术期刊《科学·进展》发表了这项研究成果。

提出假说

冰室效应说

• 最早提出“雪球地球”理论的美国加州理工学院研究小组发现，使早期地球变成雪球的罪魁祸首很可能只是一种细菌，它释放出的氧气破坏了可使地球保持温暖的关键气体——甲烷。
• 科学家推测，在23亿年前，一种叫蓝菌或蓝绿藻的细菌突然发育出分解水及释放氧气的能力，大量的氧气使当时大气中丰富的温室气体甲烷很不稳定。在至少10万年的时间内，温室效应被破坏，地球没有了甲烷，全球温度下降到零下50摄氏度。地球进入冰河期后变得十分寒冷，赤道海洋被大约1.6千米厚的冰层覆盖，大量生物死亡，只有转入地下或在热温泉中的生物才能得以生存下来。

泥泞地球说

• 对于雪球地球观点的最早争辩始于1989年，之后持反对观点的科学家对此进行了更加猛烈的攻击，其中最具代表性的就是加拿大多伦多大学的三位物理学家。2008年4月，他们设计了一种新原生代末期二氧化碳计算机模拟，新原生代末期是海洋氧气生成的重要时期。
• 这三位物理学家指出，计算机模拟显示，持续的寒冷气温将使大气中的氧气散布到海洋底部，通过光合作用进而转化成为富含溶解有机碳的地质层，最终形成二氧化碳气体。这些二氧化碳气体将从海洋中释放回到大气层中，通过温室气体效应加热大气层空气，在地球冰冻冷却循环周期之前，诱导海洋冰层逐渐融化、冰河逐渐缩小。
• 换句话讲，地球在8.5亿—5.5亿年前的成冰纪并不是一个冰冻的雪球，当时的地球很可能是气候温和、土壤泥泞，热带地区的海水处于非冰冻状态，海水可以与阳光进行充足的光合作用。这个时期并没有大量火山喷发的二氧化碳气体，也没有持续冰冻上亿年。

阳光阻隔说

• 科学家认为“雪球地球”时期的火山喷发向大气层释放了大量硫颗粒，阻滞阳光照射大地，从而使地球温度下降。地质科学家麦克唐纳指出，这意味着调查这种地球历史的“自然实验”十分重要：“这会告诉我们远比电脑模型更多的东西。”

反射学说

• J.L. Kirschvink认为，当时在中高纬度的反照率是很高的，形成大量冰川，然后海平面下降，导致了陆地面积增加，陆地增加进一步增加了地球的反照率；同时，热带地区大陆增加有利于硅酸岩风化，有利于大气中的CO2埋藏，加强了“冰室效应”。这两个因素的不断影响，导致了地球不断变冷，从而形成一个“雪球”。在形成“雪球”之后，因为地球的火山作用，不断释放出CO2等温室气体，经过长期积累，这些气体终于足够强大，产生了巨大的“温室效应”，地球温度升高，所以又融化了。

研究证据

• 美国哈佛大学地球学家弗朗西斯·麦克唐纳和同事对夹在冰川沉积物之间的加拿大火山岩进行了研究。科学家可以通过冰川融化留下的残骸以及因冰川活动而变形的沉淀物，确定这种冰川沉积物，褐红色的冰河时代沉积物证明这块加拿大火山岩曾在“雪球地球”时代被冰雪覆盖。
• 麦克唐纳的研究小组利用极为精确的铀-铅放射性年代测定法认定火山岩和冰川沉积物是在大约7.16亿年前沉淀的。接下来，研究人员将自己的发现与以前一系列研究结果进行了对比，那些研究发现火山岩是在加拿大处于赤道附近时形成的。随着时间的推移，地球构造板块的活动驱使火山岩向北移动，到了加拿大育空地区和西北地区。
• 通过对前寒武纪全球冰川沉积物的磁性矿物的测量，指出8-5.5亿年之间，有一次大规模的“雪球地球”事件，以及在’雪地球‘事件之间的暖期。在此之前的一次，发生在24.5-22.2亿年前。
• 之前科学家所认为的雪球地球时期是地球形成期中冷冻最长、最深的时期，其证据来源于海洋深层沉淀物。科学家曾对地质层进行了碳13（C13）同位素的测定，碳13同位素是植物通过光合作用的沉积物质，可有力地说明当时地球的气候状况。他们发现在成冰纪的上层和下层富含大量的碳13同位素，也就是说在成冰纪时期处于地球生物低潮期。联系其他强烈的冰冻作用，科学家认为成冰纪时期地球完全处于冰冻状态，厚厚冰层覆盖着海洋并蔓延至热带地区，甚至还到达了赤道。
• 这个学说的主要证据，是发现碳酸盐沉积物，这种典型的低纬度沉积物堆积在冰川沉积物之上；况且海洋中出现沉积铁矿层，表明缺氧的环境也与冰川事件相吻合。’雪地球‘事件的成因还很不清楚，但认为与当时大陆聚集在热带地区有关，因此增加地球反射的阳光，使全球变冷。
• 麦克唐纳称，围绕“雪球地球”还有许多谜团尚未解开，例如，仅凭借一个冰封的赤道，科学家无法确定当时地球上冰雪覆盖的程度。地球可能一直处于完全的“深度冰冻”状态，或者可能只是受制于不断活动的冰川和冰山，或是介于两者之间的冰体。
• 事实上，连“雪球地球”这一名称可能同样需要重新考虑。麦克唐纳说，地球可能不是“一个白球，而更有可能是一个泥球”。由于向外喷射灰烬的火山经常爆发，可能使得地球表面“布满灰尘”。

生命进化

• 据麦克唐纳介绍，在“雪球地球”时期，部分物种存活下来，进化成了新的物种。“雪球地球”具有开放水域的避难所，或至少是冰层裂缝，例如南极冰层下面就有生命存在，使得地球生命得以在冰封中延续。
• 生命在冰封中幸存有如下几种可能：

1、深海地热口附近； 2、生命可以采取类似孢子休眠的方式来度过冰封期； 3、在低纬度冰原岛峰地区，火山作用和阳光辐射可能会在白天融化部分冰，产生临时水洼； 4、冰层之下，类似于“矿物质代谢”生态系统可以提供避风港； 5、在冰盖下面会存在液态水坑。类似于南极洲的沃斯托克湖一样。

视频

好多人都不知道地球以前是什么样子，被冰封的大雪球？