A Snowball Earth egy hipotézis [1] , amely azt sugallja , hogy a Földet teljesen beborította a jég a neoproterozoikum korszak kriogén és ediakár időszakában , és valószínűleg más geológiai korszakokban is. A hipotézis célja, hogy megmagyarázza a trópusi szélességi körökben a glaciális üledékek lerakódását a kriogén időszakban (720-635 millió évvel ezelőtt), valamint a geológiai feljegyzések egyéb rejtélyes jellemzőit. Az utolsó nagy eljegesedés vége után a többsejtű szervezetek evolúciója felgyorsult .
A tudósok két globális eljegesedést különböztetnek meg a kriogén időszakban:
Szintén itt tulajdonítható egy másik eljegesedés, a huron (2,4-2,1 milliárd évvel ezelőtt) - ez a leghosszabb és legnagyobb jégkorszak a Föld teljes történetében, amely a paleoproterozoikum szidériai és ryasi időszakát fedi le .
Levegőnek kitéve a szilikát kőzetek kémiai mállásnak vannak kitéve , ami eltávolítja a szén-dioxidot a légkörből. Általában ezek a reakciók így néznek ki: ásvány + CO 2 + H 2 O → kationok + bikarbonát + SiO 2 . Ilyen reakció például a wollastonit mállása :
CaSiO 3 +2 CO 2 +2 H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + 2 HCO 3 -A felszabaduló kalciumkationok reakcióba lépnek az óceánban oldott bikarbonáttal, így kalcium - karbonátot képeznek kémiailag kicsapott kőzetként. Ez a szén-dioxidot a levegőből a litoszférába továbbítja , és a geológiai időskálák szerinti állandósult állapotban ellensúlyozza a vulkánok szén-dioxid-kibocsátását .
Amikor a Föld lehűl (a természetes éghajlati ingadozások és a napsugárzás változása miatt), a kémiai reakciók sebessége lelassul, és lelassul az ilyen típusú mállás. Ennek eredményeként kevesebb szén-dioxid távozik a légkörből. Az üvegházhatású gáznak számító szén-dioxid koncentrációjának növekedése az ellenkező hatáshoz vezet - a Föld felmelegszik. Ez a negatív visszacsatolás korlátozza a hűtés erejét. A kriogén folyamat idején az összes kontinens a trópusi övben (az Egyenlítő közelében ) volt, ami kevésbé volt hatékony ez a visszatartási folyamat, mivel a szárazföldön még a Föld lehűlése alatt is magas mállási sebesség maradt fenn. Ez lehetővé tette, hogy a gleccserek távolabb kerüljenek a sarki régióktól. Amikor a gleccser elég közel haladt az Egyenlítőhöz, a pozitív visszacsatolás a fényvisszaverő képesség növekedésén keresztül ( albedó ) további lehűléshez vezetett, mígnem az egész Föld eljegesedett.
A globális hőmérséklet olyan alacsonyra esett, hogy az Egyenlítőnél olyan hideg volt, mint a mai Antarktiszon [2] . Ezt az alacsony hőmérsékletet a jég tartotta fenn, amelynek magas albedója miatt a beérkező napsugárzás nagy része visszaverődött az űrbe. Ezt a hatást súlyosbította a vízgőz megfagyása miatt kialakult kis mennyiségű felhő.
A Föld lefagyásának feloldásához szükséges szén-dioxid szint a légkörben a becslések szerint 13%, azaz 350-szer több, mint ma. Mivel a Földet szinte teljesen jég borította, a szén-dioxidot a szilikát kőzetek mállása nem tudta eltávolítani a légkörből. Évmilliók során elegendő mennyiségű CO 2 és metán halmozódott fel, amelyek többnyire vulkánok által törtek ki, hogy üvegházhatást váltsanak ki, amely megolvasztja a trópusokon a felszíni jeget, és jégmentes vízből és szárazföldből álló övet képez; ez az öv sötétebb volt, mint a jég, és így több napenergiát nyelt el, ami pozitív visszacsatolást váltott ki .
A kontinenseken a gleccserek olvadása nagy mennyiségű gleccser üledéket tárt fel, amelyek elkezdtek összeomlani és időjárást okozni.
A keletkező óceáni üledékek, amelyek tápanyagokban, például foszforban gazdagok, és rengeteg CO 2 -vel párosulva robbanásszerű növekedést okoztak a cianobaktériumok populációjában . Ez a légkör viszonylag gyors újraoxigénezéséhez vezetett, ami összefüggésbe hozható az Ediacaran élővilág megjelenésével és az azt követő „ kambriumi robbanással ” – a nagy oxigénkoncentráció lehetővé tette a többsejtű formák kialakulását. Ez a pozitív visszacsatolási hurok geológiailag rövid idő alatt, talán kevesebb, mint 1000 év alatt megolvasztotta a jeget; az oxigén felhalmozódása a légkörben és a CO 2 -tartalom csökkenése több évezredig folytatódott.
A víz feloldotta a maradék CO 2 - t a légkörből , szénsavat képezve , amely savas esőként hullott le . Ez a feltárt szilikát és karbonát kőzetek mállásának fokozásával (beleértve a könnyen málladozó jeges lerakódásokat is) nagy mennyiségű kalciumot szabadított fel, amely az óceánba mosva világos szerkezetű karbonát üledékeket képezett. Hasonló abiotikus "koronázó karbonátok", amelyek a jégkorongok tetején találhatók, először a Hógolyó Földet javasolták.
Talán annyira leesett a szén-dioxid szintje, hogy a Föld ismét megfagyott; ezt a ciklust addig lehetett ismételni, amíg a kontinensek elsodródása a polárisabb szélességi körök felé való elmozduláshoz vezetett [3] .
A gleccser által lerakott üledékes kőzetek olyan jellegzetes tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik azonosításukat. Jóval a Snowball Earth hipotézise előtt számos neoproterozoikum lerakódást gleccsernek azonosítottak. A gleccserhez általában kapcsolódó üledékes kőzetek egy része azonban más eredetű is lehet. A bizonyítékok közé tartozik:
A kőzetek kialakulása során a kőzetben jelen lévő ferromágneses ásványokban a mágneses domének a Föld mágneses terének erővonalainak megfelelően sorakoznak fel. Ennek az iránynak a pontos mérése lehetővé teszi a kőzet keletkezési helyének szélességi (de nem hosszúsági ) becslését. A paleomágneses bizonyítékok arra utalnak, hogy sok neoproterozoikum gleccserüledék keletkezett az Egyenlítő 10 fokán belül [4] . A paleomágneses adatok, valamint az üledékekből származó bizonyítékok (például a változékony sziklák) arra utalnak, hogy a gleccserek a trópusi szélességi fokokon érték el a tengerszintet. Nem világos, hogy ez globális eljegesedést vagy helyi, esetleg szárazföldhöz kötött gleccserek létezését jelzi [5] .
A tengervíz a szén két stabil izotópját tartalmazza : a szén-12- t (C-12) és a ritka szén-13-at (C-13), amelyek az összes szénatom körülbelül 1,109%-át teszik ki. A könnyebb C-12 túlnyomórészt biokémiai folyamatokban vesz részt (például a fotoszintézisben ). Így az óceáni fotoszintetikus anyagok – mind a protisták , mind az algák – némileg kimerültek a C-13-ban a szárazföldi szén elsődleges vulkáni forrásaihoz képest. Ezért egy fotoszintetikus élettel rendelkező óceánban a C-12/C-13 arány magasabb lesz a szerves törmelékben, és alacsonyabb a környező vízben. A litifikált üledékek szerves komponense örökre kicsi marad, de mérhetően kimerült a szén-13-ban. A feltételezett globális eljegesedés során a C-13 koncentrációváltozások gyorsak és szélsőségesek voltak a megfigyelt normál ingadozásokhoz képest [6] . Ez összhangban van egy jelentős lehűléssel, amely megölte az óceánban található fotoszintetikus anyagok nagy részét vagy majdnem az összeset. A hipotézishez kapcsolódó fő probléma a szénizotópok arányának változásai egyidejűségének meghatározása, amelyre nincs geokronológiai megerősítés.
A ferroszilíciás képződmények vas-oxid rétegekből és vasszegény kovakőből álló üledékes kőzetek . Oxigén jelenlétében a vas megrozsdásodik és vízben oldhatatlanná válik. A vas-kovás képződmények általában nagyon régiek, és lerakódásuk gyakran összefügg a Föld légkörének a paleoproterozoikum idején bekövetkezett savasodásával , amikor az óceánban oldott vas érintkezik a fotoszintetikus folyamatok során felszabaduló oxigénnel, és oxidként kicsapódik. A rétegek az oxigénmentes és oxigéntartalmú atmoszféra határán keletkeztek. Mivel a modern légkör oxigénben gazdag (körülbelül 21 térfogatszázalék), nem lehet elegendő vas-oxidot felhalmozni a vas-szilícium-dioxid képződmény lerakásához. Az egyetlen tömeges vas-kovás képződmények, amelyek a paleoproterozoikum után rakódtak le, a kriogén jeges lerakódásaihoz kapcsolódnak.
Ahhoz, hogy ezek a vasban gazdag kőzetek kialakuljanak, anoxikus óceánra van szükség, ahol nagy mennyiségű oldott vas vas(II)-oxidként halmozódhat fel, mielőtt az oxidálószer vas(III)-oxidként kicsapja. Ahhoz, hogy az óceán anoxikussá váljon, korlátozni kell a gázcserét az oxigén légkörrel. A hipotézis támogatói úgy vélik, hogy a vas-szilícium képződmények újbóli megjelenése a jég által megkötött óceán korlátozott oxigénszintjének az eredménye [7] .
Felülről a neoproterozoos gleccser üledékek általában méter-tíz méter vastagságú, kémiailag lerakódott mészkövekké és dolomitokká mennek át [8] . Ezek a "koronás karbonátok" néha olyan üledékekben találhatók meg, amelyekben nincs más karbonát, ami arra utal, hogy képződésük az óceánok kémiájának mélyreható változásának eredménye [9] .
Ezek a "koronás karbonátok" szokatlan kémiai összetételűek és furcsa üledékszerkezettel rendelkeznek, amelyet gyakran nagy üledékként értelmeznek [10] . Az ilyen üledékes kőzetek kialakulása a globális eljegesedést követő extrém üvegházhatás során bekövetkezett nagy mállás miatti lúgosság jelentős növekedésével történhetett.
Egy hatalmas eljegesedés elnyomta volna a növényi életet a Földön, következésképpen az oxigén koncentrációjának jelentős csökkenéséhez vagy akár teljes eltűnéséhez vezetett volna, ami lehetővé tette oxidálatlan, vasban gazdag kőzetek kialakulását. A szkeptikusok azzal érvelnek, hogy egy ilyen eljegesedésnek az élet teljes eltűnéséhez kellett volna vezetnie, ami nem történt meg. A hipotézis hívei azt válaszolják nekik, hogy az élet a következő módokon maradhatott fenn.
Mihail Fedonkin orosz paleontológus azonban rámutat arra, hogy a modern adatok (mind a paleontológiai, mind a molekuláris biológiai) arra utalnak, hogy az eukarióta élőlények többsége a neoproterozoos eljegesedés előtt jelent meg, ezt a bizonyítékot a "szélsőséges paleoklimatikus modellekkel szemben a Hógolyó Föld hipotézisében" tartja. nem tagadva a hűtés szerepét a bioszféra eukariotizálódásában [11] .
A neoproterozoikum a többsejtű szervezetek, különösen az állatok jelentős diverzifikációja volt. Az állatok mérete és összetettsége annyira megnőtt, hogy az ediacarai lágytestű fosszilis fauna lehetővé tette az IUGS-nek (International Union of Geological Sciences) az ediacarai időszak megkülönböztetését. A többsejtű állatok fejlődése a jegesedés-üvegházhatás számos ciklusának eredménye lehet, vagyis egy globális jégkorszak "lenyomhatja" az evolúciót. A Snowball Earth elmélet egyes támogatói arra a tényre is rámutatnak, hogy az utolsó jelentős eljegesedés több millió évvel a „ kambriumi robbanás ” kezdete előtt véget érhetett. M. Fedonkin alátámasztotta azt a hipotézist, hogy a hidegvízi élőhelyek szerepet játszanak a többsejtű állatok megjelenésében és a prokarióták eukarióták általi kiszorításában [12] .
Dick Peltier, a Torontói Egyetem munkatársa a klímamodellezés eredményei alapján arra a következtetésre jutott, hogy a nagy óceáni területeknek jégmentesnek kellett volna maradniuk, azzal érvelve, hogy a hipotézis „erős” változata az energiaegyensúly és a globális keringési modellek alapján valószínűtlen . 13] .
Az általában glaciális lerakódásként értelmezett üledékes kőzetdiamictit iszapfolyási üledékként is értelmezhető (Eyles és Januszczak, 2004).
Az egyik versengő hipotézis, amely megmagyarázza a jég jelenlétét az egyenlítői kontinenseken, a Föld tengelyének nagy, körülbelül 60 ° -os dőlése, amely a földet magas "szélességi fokokra" helyezte. A hipotézis gyengébb változata csak a Föld mágneses mezejének erre a lejtőre való vándorlását feltételezi, mivel az alacsony szélességi eljegesedésekről beszélő paleomágneses adatok leolvasása a mágneses és a földrajzi pólusok közelségén alapul. E két helyzet bármelyikében az eljegesedés a jelenlegihez hasonlóan viszonylag kis területre korlátozódik, és nem lesz szükség radikális változásokra a föld klímájában.
A kapott adatok másik alternatív magyarázata a pólusok tehetetlenségi valós elmozdulásának fogalma. A Kirschvink és mások által 1997 júliusában javasolt koncepció azt sugallja, hogy a szárazföldi tömegek sokkal gyorsabban mozoghatnak, mint korábban gondolták, a bolygó egészére kiterjedő tömegeloszlást szabályozó fizikai törvények miatt. Ha a kontinensek túl messzire kerültek az Egyenlítőtől, az egész litoszféra elmozdulhat, hogy a normál tektonikus mozgásoknál több százszor gyorsabban visszahozza őket. Úgy kell kinéznie, mintha a mágneses pólus mozogna, miközben valójában a kontinensek átrendeződnek hozzá képest. Ezt az elképzelést megkérdőjelezték Torsvik (1998), Mert (Meert, 1999), valamint Torsvik és Rehnstorm (2001), akik kimutatták, hogy a pólusmozgás Kirshink (1997) által javasolt tartománya nem elegendő a hipotézis alátámasztására. Így, bár a valódi pólusmozgás geofizikai mechanizmusa hiteles, ugyanez nem mondható el arról az elképzelésről, hogy hasonló esemény történt a kambriumban.
Ha ilyen gyors mozgás történt, akkor annak kell felelősnek lennie az eljegesedés ilyen jellemzőinek meglétéért a kontinensek közel egyenlítői helyéhez közel eső időintervallumokban. Az inerciális valódi pólusmozgás a kambriumi robbanáshoz is kapcsolódik , mivel az állatoknak alkalmazkodniuk kellett a gyorsan változó környezetekhez.
Nem valószínű, hogy a globális eljegesedést csak egy tényező váltotta ki. Ellenkezőleg, több tényezőnek egybe kellett esnie.
A globális eljegesedés megkezdéséhez alacsony mennyiségű üvegházhatású gázra van szükség : szén-dioxidra, metánra és vízgőzre.
A kontinensek trópusokhoz közeli koncentrációja szükséges a globális eljegesedés kialakulásához. A több csapadék a trópusokon a folyók áramlásának növekedéséhez vezet, ami több karbonátot temet el, és eltávolítja a szén-dioxidot a légkörből. A sarki kontinensek az alacsony párolgás miatt túl szárazak egy ekkora szénlerakódáshoz. A varangi eljegesedést megelőző üledékekben a szén-13 izotóp arányának a szén-12- hez viszonyított fokozatos növekedése azt jelzi, hogy ez egy lassú, fokozatos folyamat [14] .
Sir Douglas Mawson, egy ausztrál geológus és Antarktisz-kutató, karrierje nagy részét Dél-Ausztrália geológiájának feltárásával töltötte. Ott vastag és kiterjedt neoproterozoikum gleccserekre bukkant, és ezt követően a világméretű eljegesedés lehetőségéről töprengett. [15] Mawson ötlete azonban azon a téves feltételezésen alapult, hogy Ausztrália és más trópusi kontinensek, ahol a múltbeli eljegesedés jelei vannak, mindig ugyanazon a földrajzi helyen maradnak. A lemeztektonika elméletének későbbi elfogadása egyszerűbb magyarázatot adott az alacsony szélességi gleccserekre: az üledékek magas szélességeken rakódtak le, majd a kontinensek sodródásával kerültek jelenlegi alacsony szélességi pozíciójukba.
A globális eljegesedés gondolata 1964-ben újjáéledt, amikor Brian Harland publikált egy tanulmányt, amelyben a paleomágneses adatokat annak bizonyítékaként értelmezte, hogy Svalbardon és Grönlandon a gleccserek trópusi szélességi körein rakódtak le. [16] Ezt később üledéktani bizonyítékok is megerősítették, miszerint a gleccser üledékek egy olyan kőzetsoron belül voltak, amelyek általában trópusi és mérsékelt szélességi körökhöz kapcsolódnak, és Harland arra a következtetésre jutott, hogy a jégkorszak olyan súlyos volt, hogy a trópusokon is jégkorszak keletkeztek.
Az 1960-as években Mikhail Budyko szovjet klimatológus egy egyszerű éghajlati energiamérleg-modellt készített a jégtakaró globális éghajlatra gyakorolt hatásának tanulmányozására. Ezzel a modellel Budyko azt találta, hogy ha a gleccserek kellő távolságra elmozdulnak a sarki zónától, akkor a jégtakaró növekvő reflexiós képességének (albedójának) pozitív visszacsatolása további lehűléshez és eljegesedéshez vezet, amíg az egész Földet jég borítja. [17] Miután eljegesedett, a Föld ebben az állapotban stabilizálódik a jég magas albedója miatt, visszaverve a napsugárzás nagy részét. Mivel Budyko modellje ilyen glaciális stabilitást mutatott, arra a következtetésre jutott, hogy ez soha nem történt meg: a modelljében nem volt mód arra, hogy kikerüljön ebből a stabil állapotból.
James Gleick a káoszelmélet történetéről szóló népszerű tudományos könyvében, a Chaos : Creating a New Science (1987), amely a Föld klímájának glaciális egyensúlyát tárgyalja (amelyet ő „Fehér Földnek” nevez), szintén arra a következtetésre jutott, hogy egy helyzet csak elméleti lehetőség, ami a Föld történetében még nem fordult elő.
1992-ben Joseph Lynn Kirschvink, a Kaliforniai Műszaki Egyetem geobiológia professzora megalkotta a "Hógolyó Föld" kifejezést a proterozoikus biológiáról szóló interdiszciplináris kötetben [7] megjelent rövid írásában . Ebben a munkában Kirschvink egy mechanikai eljárást javasolt a rejtélyes, alacsony szélességi gleccserlerakódások magyarázatára: a jég és az albedó önfenntartó folyamata a Föld eljegesedéséhez vezet, amely a vulkánok hosszan tartó szén-dioxid-kibocsátása után ér véget. ultra-üvegházhatás, ami a jégtakaró gyors olvadását okozza. Legfőbb hozzájárulása az volt, hogy bemutatta a Föld jeges állapotból való kilépésének útját, amelyet A jégkorszak vége című könyvben leírtak .
A Snowball Earth hipotézis iránti érdeklődés jelentősen megnőtt, miután Paul F. Hoffman, a Harvard Egyetem geológus professzora és társszerzői cikket publikáltak a Science -ben , amelyben Kirschwink elképzeléseit alkalmazta a namíbiai neoproterozoos üledékszekvenciára [18] .
A szerzők egy csoportja az ománi kriogén üledékkémiája alapján olyan aktív hidrológiai ciklusokat és éghajlatváltozásokat írt le, amelyek a Földet kihozták a teljesen eljegesedett állapotból. A mozgékony kationok és a talajban maradó kationok arányát a kémiai mállás során (kémiai változási index) felhasználva arra a következtetésre jutottak, hogy a kémiai mállás intenzitása ciklikusan változott, az interglaciális időszakokban nőtt, hideg és száraz eljegesedések során pedig csökken [19] .
Jelenleg a hipotézis körüli vita a Nemzetközi Geotudományi Program – 512 „Neoproterozoic Ice Age” projekt [20] – égisze alatt folyik .
A Snowball Earth hipotézisre hivatkoztak a kanadai Huron Supergroup gleccsereinek magyarázatára, bár az alacsony szélességi gleccserek paleomágneses bizonyítékai ellentmondásosak. [21] [22] A dél-afrikai McGuyen Formáció gleccserei valamivel fiatalabbak, mint a huroni gleccser üledékek (körülbelül 2,25 milliárd évesek), és a trópusi szélességi fokokon keletkeztek. [23] Feltételezték, hogy a szabad oxigén koncentrációjának növekedése a paleoproterozoikum ezen szakaszában eltávolította a metánt a légkörből, oxidálva azt. Mivel a Nap akkoriban sokkal gyengébb volt, mint most, a metán volt, mint erős üvegházhatású gáz, amely meg tudta akadályozni a Föld felszínének fagyását. A metán üvegházhatás hiányában a hőmérséklet csökkent, és globális eljegesedés következett be [22] .
A ma a trópusokon található karbon -gleccsertelepek felfedezése Indiában és Dél-Afrikában korai feltételezésekhez vezetett, hogy a jegesedés ekkor érte el a trópusokat, azonban a kontinensek sodródásának felfedezése azt mutatta, hogy az összes gleccserterület a déli pólus körül csoportosult. a szuperkontinens Gondwana .
kölcsönhatás: A Föld legalacsonyabb ismert delta O-18 szilikát kőzetének eredete a paleoproterozoos karéliai hasadékban. Geology, 38, 631-634. doi:10.1130/G30968.1
föld | ||
---|---|---|
A Föld története | ![]() | |
A Föld fizikai tulajdonságai | ||
A Föld héjai | ||
Földrajz és geológia | ||
Környezet | ||
Lásd még | ||
|
tömeges kihalás | |
---|---|
A tudomány |
|
kihalások | |
A kihalást befolyásoló meteoritok | |
Vulkánkitörések, amelyek hozzájárultak a kihaláshoz |