查詞語
研究證實7.16億年前地球赤道曾被冰雪覆蓋
雪球地球-簡介
“雪球地球”(Snowball Earth)是地質(zhì)史上的一個名詞,描述了距今約8億到5.5億年前,地球表面從兩極到赤道全部結(jié)成冰,只有海底殘留了少量液態(tài)水。美國哈佛大學(xué)地球?qū)W家弗朗西斯·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)實施了這項研究,他和同事對夾在冰川沉積物之間的加拿大火山巖進(jìn)行了研究??茖W(xué)家可以通過冰川融化留下的殘骸以及因冰川活動而變形的沉淀物,確定這種冰川沉積物。2010年3月8日,據(jù)美國國家地理網(wǎng)站報道,最新一項研究稱,在距今7.16億年前,如今炎熱潮濕的地球赤道曾覆蓋著冰雪,這似乎為“雪球地球”理論進(jìn)一步提供了證據(jù)。
雪球地球-提出概念
最早提出“雪球地球”理論的美國加州理工學(xué)院研究小組發(fā)現(xiàn),使早期地球變成雪球的罪魁禍?zhǔn)缀芸赡苤皇且环N細(xì)菌,它釋放出的氧氣破壞了可使地球保持溫暖的關(guān)鍵氣體——甲烷。
科學(xué)家推測,在23億年前,一種叫藍(lán)菌或藍(lán)綠藻的細(xì)菌突然發(fā)育出分解水及釋放氧氣的能力,大量的氧氣使當(dāng)時大氣中豐富的溫室氣體甲烷很不穩(wěn)定。在至少10萬年的時間內(nèi),溫室效應(yīng)被破壞,地球沒有了甲烷,全球溫度下降到零下50攝氏度。地球進(jìn)入冰河期后變得十分寒冷,赤道海洋被大約1.6千米厚的冰層覆蓋,大量生物死亡,只有轉(zhuǎn)入地下或在熱溫泉中的生物才能得以生存下來。
研究小組還證明了一個機(jī)制,借助這一機(jī)制,地球才能擺脫“雪球地球”。在變成“雪球地球”后大約幾千萬年里,地球的二氧化碳積聚到一定程度,溫室效應(yīng)再一次發(fā)生了,地球溫度又逐漸升高,冰層融化,生命重返地球。研究小組的科學(xué)家認(rèn)為,如果現(xiàn)在地球環(huán)境繼續(xù)惡化,地球有可能再次成為“雪球”,地球上的生物將面臨被再次毀滅的危險。
雪球地球-研究
形成研究
多年以來科學(xué)家一直認(rèn)為8億—5.5億年前地球一直處于完全冰凍狀態(tài)。
通過對于地質(zhì)沉積物以及其他地質(zhì)證據(jù)的研究,科學(xué)家告訴人類地球上曾經(jīng)出現(xiàn)了兩次最著名的冰期,一次是發(fā)生在大約100萬年前的更新世,當(dāng)時人類剛剛開始進(jìn)化,因為地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道出現(xiàn)變化,整個北大西洋沿岸的大陸邊緣都鋪上了厚厚的冰層;另一次則是大概21000年前,北美和歐洲的大部分地區(qū)被厚達(dá)2公里的冰層覆蓋,并且導(dǎo)致海平面下降了120米之多,這次5億年以來最殘酷的冰期至少影響了地球表面30%的地區(qū)。但是這兩次冰期,都沒有發(fā)生在8億—5.5億年之間的全球性冰期事件來的更戲劇和更殘酷。
1964年,劍橋大學(xué)的B.W. Harland最早對全球范圍內(nèi)新元古代(大概8億—5.5億年前)的冰期沉積物做了研究,他提出在全世界各個大洲都有8億—5.5億年前的冰期沉積物。同時,他通過簡單的地磁學(xué)分析指出,當(dāng)時這些大洲其實并沒有像現(xiàn)在那樣被海洋分開,而是在赤道附近匯聚成一整塊巨大的大陸。而在當(dāng)時,板塊漂移學(xué)說也才慢慢被接受。但是由于分析手段缺乏,加上數(shù)據(jù)有限,所以B.W. Harland的說法并沒有明確的得到廣泛地證實,更沒有人能解釋,冰期沉積怎么到了赤道附近?
在B.W. Harland提出這個想法的同時,列寧格勒地球物理天文臺的Mikhail Budyko提出了一條能夠使赤道地區(qū)結(jié)冰的可能。那就是地球是通過吸收太陽光能來保持溫度的,而如果地球上有很多的冰雪覆蓋,把大部分太陽光反射出去(這個叫做反照率),地球表面沒法吸收那么多的太陽能,就會導(dǎo)致溫度接著下降,然后就會有冰雪繼續(xù)增加,這屬于反照率的一個正反饋?,F(xiàn)代地球的冰雪僅僅在極地附近,加上溫室氣體的保護(hù),所以反照率的影響并不大??墒侨绻麠l件極端一點,冰雪覆蓋到南北緯30°左右的時候,這個反饋就會失去控制,冰雪會繼續(xù)覆蓋到赤道附近。這樣的反照率引起的大災(zāi)難在其他星球曾經(jīng)發(fā)生過,它被認(rèn)為是不可逆轉(zhuǎn)的,那么如果發(fā)生在地球,“雪球”是如何解凍的呢?
解凍研究
在隨后的二三十年里面,通過科學(xué)家在海洋生物學(xué)、地球化學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)一步努力,獲得了不少新的進(jìn)展。1987年,加州理工學(xué)院的J.L. Kirschvink等研究了澳大利亞的一塊新元古代的粉沙巖之后,證實了它是屬于當(dāng)時沉積在赤道附近的淺海環(huán)境,確鑿地說明了冰川曾經(jīng)到達(dá)了赤道附近,而且這個研究成果也被后來的研究反復(fù)檢測所證實。其中就包括隨著古地磁學(xué)的發(fā)展,D.A.D. Evans等人在2000年研究了這個時期(8億—5.5億年前)各個大陸的冰川沉積地層學(xué)、地質(zhì)年代學(xué)、古地磁學(xué)后指出,許多冰期沉積的雜礫巖出現(xiàn)在南北緯10°以內(nèi),甚至沒有超過60°的。
1992年,J.L. Kirschvink首先提出在新元古代(8億—5.5億年前)曾經(jīng)出現(xiàn)過幾次(注意,不是一次,而是多次)“雪球地球”事件??梢韵胂?,赤道附近都結(jié)冰了,那么整個地球還不凍的嚴(yán)嚴(yán)實實,成為一個“雪球”?J.L. Kirschvink認(rèn)為,當(dāng)時在中高緯度的反照率是很高的,形成大量冰川,然后海平面下降,導(dǎo)致了陸地面積增加,陸地增加進(jìn)一步增加了地球的反照率;同時,熱帶地區(qū)大陸增加有利于硅酸巖風(fēng)化,有利于大氣中的CO2埋藏,加強(qiáng)了“冰室效應(yīng)”。這兩個因素的不斷影響,導(dǎo)致了地球不斷變冷,從而形成一個“雪球”。在形成“雪球”之后,因為地球的火山作用,不斷釋放出CO2等溫室氣體,經(jīng)過長期積累,這些氣體終于足夠強(qiáng)大,產(chǎn)生了巨大的“溫室效應(yīng)”,地球溫度升高,所以又融化了。
假說研究
在J.L. Kirschvink工作的基礎(chǔ)上,哈佛大學(xué)的P.F. Hoffman等人,進(jìn)一步發(fā)展了“雪球地球”假說。首先注意,8億年前地球上的大陸并不是分離的,而是在赤道附近連在一起在,我們稱為”Rodinia“超大陸;”Rodinia“超大陸因為一次著名的”超級地幔柱“的火山活動分裂了,形成幾個小的陸地,這個就使得陸地的海岸線增加了很多;海岸線的增加帶來兩個后果:一個是生物在岸邊的活動增加,光合作用的加強(qiáng)導(dǎo)致大量CO2被吸收,二個是同樣增加了大陸的硅酸巖風(fēng)化,而吸收了不少CO2,這兩個結(jié)果導(dǎo)致大氣的CO2迅速減少,“溫室”變“冰室”,產(chǎn)生巨大的冰雪覆蓋,進(jìn)而產(chǎn)生了失控的反照率事件,而最終形成了“雪球”。經(jīng)過計算,當(dāng)時冰蓋有1公里厚,推進(jìn)到赤道附近,地球溫度下降到零下50°C左右。因為被冰雪埋藏,光合作用和大陸的硅酸巖風(fēng)化作用都被終止,但是地球的火山活動還在繼續(xù),向外釋放了大量的CO2。經(jīng)過長達(dá)1000萬年的積累,這些CO2終于足夠強(qiáng)大,形成“溫室效應(yīng)”,從而迅速融化了“雪球地球”,在融化的時候整個海洋溫度能夠達(dá)到50°C以上。
雪球地球-爭議
之前科學(xué)家所認(rèn)為的雪球地球時期是地球形成期中冷凍最長、最深的時期,其證據(jù)來源于海洋深層沉淀物。科學(xué)家曾對地質(zhì)層進(jìn)行了碳13(C13)同位素的測定,碳13同位素是植物通過光合作用的沉積物質(zhì),可有力地說明當(dāng)時地球的氣候狀況。他們發(fā)現(xiàn)在成冰紀(jì)的上層和下層富含大量的碳13同位素,也就是說在成冰紀(jì)時期處于地球生物低潮期。聯(lián)系其他強(qiáng)烈的冰凍作用,科學(xué)家認(rèn)為成冰紀(jì)時期地球完全處于冰凍狀態(tài),厚厚冰層覆蓋著海洋并蔓延至熱帶地區(qū),甚至還到達(dá)了赤道。閃耀的亮白色冰層能反映太陽光線和熱量,因此雪球在2億年間一直處于像冰凍的雪球。最終,由火山噴發(fā)出的二氧化碳溫室氣體進(jìn)入空氣中,由此地球氣候逐漸轉(zhuǎn)暖,厚厚的冰層也慢慢融化。
“泥濘地球”說
對于雪球地球觀點的最早爭辯始于1989年,之后持反對觀點的科學(xué)家對此進(jìn)行了更加猛烈的攻擊,其中最具代表性的就是加拿大多倫多大學(xué)的三位物理學(xué)家。2008年4月,他們設(shè)計了一種新原生代末期二氧化碳計算機(jī)模擬,新原生代末期是海洋氧氣生成的重要時期。
這三位物理學(xué)家指出,計算機(jī)模擬顯示,持續(xù)的寒冷氣溫將使大氣中的氧氣散布到海洋底部,通過光合作用進(jìn)而轉(zhuǎn)化成為富含溶解有機(jī)碳的地質(zhì)層,最終形成二氧化碳?xì)怏w。這些二氧化碳?xì)怏w將從海洋中釋放回到大氣層中,通過溫室氣體效應(yīng)加熱大氣層空氣,在地球冰凍冷卻循環(huán)周期之前,誘導(dǎo)海洋冰層逐漸融化、冰河逐漸縮小。
換句話講,地球在8.5億—5.5億年前的成冰紀(jì)并不是一個冰凍的雪球,當(dāng)時的地球很可能是氣候溫和、土壤泥濘,熱帶地區(qū)的海水處于非冰凍狀態(tài),海水可以與陽光進(jìn)行充足的光合作用。這個時期并沒有大量火山噴發(fā)的二氧化碳?xì)怏w,也沒有持續(xù)冰凍上億年。
生命在冰封中的延續(xù)
生命在冰封中幸存有如下幾種可能:
1、深海地?zé)峥诟浇?
2、生命可以采取類似孢子休眠的方式來度過冰封期;
3、在低緯度冰原島峰地區(qū),火山作用和陽光輻射可能會在白天融化部分冰,產(chǎn)生臨時水洼;
4、冰層之下,類似于“礦物質(zhì)代謝”生態(tài)系統(tǒng)可以提供避風(fēng)港;
5、在冰蓋下面會存在液態(tài)水坑。類似于南極洲的沃斯托克湖一樣。
其他
例如,科學(xué)家認(rèn)為“雪球地球”時期的火山噴發(fā)向大氣層釋放了大量硫顆粒,阻滯陽光照射大地,從而使地球溫度下降。有專家甚至建議,現(xiàn)在,人類也可以采用人工方式阻滯陽光,用以解決全球氣候變暖。地質(zhì)科學(xué)家麥克唐納指出,這意味著調(diào)查這種地球歷史的“自然實驗”十分重要:“這會告訴我們遠(yuǎn)比電腦模型更多的東西。”
雪球地球-證據(jù)
褐紅色的冰河時代沉積物幫助證明這塊加拿大火山巖曾在“雪球地球”時代被冰雪覆蓋
2010年3月8日,據(jù)美國國家地理網(wǎng)站報道,最新一項研究稱,在距今7.16億年前,如今炎熱潮濕的地球赤道曾覆蓋著冰雪,這似乎為“雪球地球”理論進(jìn)一步提供了證據(jù)。
麥克唐納的研究小組利用極為精確的鈾·鉛年代質(zhì)譜測定法認(rèn)定火山巖和冰川沉積物是在大約7.16億年前沉淀的,那也是科學(xué)家所假設(shè)的“雪球地球”時期。接下來,研究人員將自己的發(fā)現(xiàn)與以前一系列研究結(jié)果進(jìn)行了對比,那些研究發(fā)現(xiàn)火山巖是在加拿大處于赤道附近時形成的。隨著時間的推移,地球構(gòu)造板塊的活動驅(qū)使火山巖向北移動,到了加拿大育空地區(qū)和西北地區(qū)。
麥克唐納稱,圍繞“雪球地球”還有許多謎團(tuán)尚未解開,例如,僅憑借一個冰封的赤道,科學(xué)家無法確定當(dāng)時地球上冰雪覆蓋的程度。地球可能一直處于完全的“深度冰凍”狀態(tài),或者可能只是受制于不斷活動的冰川和冰山,或是介于兩者之間的冰體。
事實上,連“雪球地球”這一名稱可能同樣需要重新考慮。麥克唐納說,地球可能不是“一個白球,而更有可能是一個泥球”。由于向外噴射灰燼的火山經(jīng)常爆發(fā),可能使得地球表面“布滿灰塵”。據(jù)麥克唐納介紹,在“雪球地球”時期,部分有機(jī)體存活下來,甚至形成新的物種,這增加了一種假說的可信度,即“雪球地球”具有開放水域的避難所,或至少是冰層裂縫,舉例來說,現(xiàn)在,南極洲附近的冰縫就“充滿”單細(xì)胞生命形式。