Sněhová koule Země - Snowball Earth

Koulovat zemi hypotéza navrhuje, aby se v průběhu jednoho nebo více pozemských Icehouse podnebí, na povrchu planety se stal zcela nebo téměř úplně zmrzlý. Předpokládá se, že k tomu došlo někdy před 650 Mya (před miliony let) během kryogenianského období. Zastánci hypotézy tvrdí, že nejlépe vysvětluje usazená ložiska, o nichž se obecně věří, že jsou ledovcového původu v tropických paleozolatech a dalších záhadných rysech v geologickém záznamu. Odpůrci hypotézy zpochybňují, že důsledky geologických důkazů pro globální zalednění ageofyzikální proveditelnost oceánu pokrytého ledem nebo rozbředlým sněhem a zdůrazňují obtížnost úniku ze zmrzlého stavu. Zůstává řada nezodpovězených otázek, včetně toho, zda byla Země plná sněhová koule nebo „slushball“ s tenkým rovníkovým pásmem otevřené (nebo sezónně otevřené) vody.

Předpokládá se, že k epizodám sněhové koule a Země došlo před náhlým vyzařováním mnohobuněčných bioforem známých jako kambrijský výbuch . Nejnovější epizoda sněhové koule mohla spustit vývoj mnohobuněčnosti. Další, mnohem starší a delší epizoda sněhové koule, huronské zalednění , ke kterému by došlo 2 400 až 2 100 Mya, mohlo být vyvoláno prvním výskytem hojného kyslíku v atmosféře, který byl znám jako „ Velká oxidační událost “.

Dějiny


První důkaz starověkého zalednění

Dlouho předtím, než byla myšlenka globálního zalednění poprvé navržena, došlo k sérii objevů, které nashromáždily důkazy o starověkém prekambrickém zalednění. První z těchto objevů publikoval v roce 1871 J. Thomson, který našel ve skotském Islay starověký materiál přepracovaný na ledovec (dolit ) . Podobná zjištění následovala v Austrálii (1884) a Indii (1887). Čtvrté a velmi názorné zjištění, kterému se začalo říkat „ Reuschova moréna “, bylo hlášeno Hansem Reuschem v severním Norsku v roce 1891. Následovalo mnoho dalších nálezů, ale jejich porozumění bylo ztíženo odmítnutím kontinentálního driftu .

Navrhuje se globální zalednění

Sir Douglas Mawson (1882–1958), australský geolog a antarktický průzkumník, strávil velkou část své kariéry studiem neoproterozoické stratigrafie jižní Austrálie, kde identifikoval husté a rozsáhlé ledovcové sedimenty. Jako výsledek, na konci své kariéry spekuloval o možnosti globálního zalednění.

Mawsonovy představy o globálním zalednění však vycházely z mylného předpokladu, že geografická poloha Austrálie a jiných kontinentů, kde se nacházejí ledovcová ložiska s nízkou šířkou, zůstala v průběhu času konstantní. S rozvojem hypotézy o kontinentálním driftu a nakonec deskové tektonické teorii přišlo snazší vysvětlení glaciogenních sedimentů - byly uloženy v době, kdy byly kontinenty ve vyšších zeměpisných šířkách.

V roce 1964 se myšlenka globálního zalednění znovu objevila, když W. Brian Harland publikoval článek, ve kterém představil paleomagnetická data ukazující, že ledovcové tillity na Špicberkách a Grónsku byly uloženy v tropických zeměpisných šířkách. Z těchto paleomagnetických údajů a sedimentologických důkazů, že ledovcové sedimenty přerušují posloupnosti hornin běžně spojených s tropickými až mírnými zeměpisnými šířkami, tvrdil, že nastala doba ledová, která byla tak extrémní, že vedla k ukládání mořských ledovcových hornin v tropech.

V šedesátých letech vyvinul sovětský klimatolog Michail Budyko jednoduchý klimatický model energetické rovnováhy, který zkoumal vliv ledové pokrývky na globální klima . Pomocí tohoto modelu Budyko zjistil, že pokud ledová pokrývka postoupila dostatečně daleko z polárních oblastí, následovala smyčka zpětné vazby, kde zvýšená odrazivost ( albedo ) ledu vedla k dalšímu ochlazování a tvorbě dalšího ledu, dokud nebyla pokryta celá Země v ledu a stabilizován v nové rovnováze pokryté ledem.

Zatímco Budykův model ukázal, že k této stabilitě ledového albeda může dojít, dospěl k závěru, že se to ve skutečnosti nikdy nestalo, protože jeho model nenabídl žádný způsob, jak uniknout z takové smyčky zpětné vazby.

V roce 1971 americký fyzik Aron Faegre ukázal, že podobný model energetické rovnováhy předpovídal tři stabilní globální klima, z nichž jedním byla sněhová koule Země. Tento model představil koncept Edwarda Nortona Lorenze o nepřechodnosti, což naznačuje, že by mohlo dojít k velkému skoku z jednoho klimatu do druhého, včetně sněhové koule na Zemi.

Termín „sněhová koule Země“ vytvořil Joseph Kirschvink v krátkém článku publikovaném v roce 1992 v dlouhém svazku týkajícím se biologie proterozoického eónu. Hlavní příspěvky z této práce byly: (1) uznání, že přítomnost pásových železných útvarů je v souladu s takovou globální ledovcovou epizodou, a (2) zavedení mechanismu, kterým lze uniknout ze Země zcela pokryté ledem- konkrétně akumulace CO 2 ze sopečného odplyňování vedoucí k ultra skleníkovému efektu .

Franklyn Van Houtenův objev konzistentního geologického vzorce, ve kterém hladiny jezer stoupaly a klesaly, je nyní známý jako „Van Houtenův cyklus“. Jeho studie ložisek fosforu a pruhovaných železných útvarů v sedimentárních horninách z něj učinily raného stoupence hypotézy „Země sněhové koule“, která předpokládala, že povrch planety zamrzl před více než 650 miliony let.

Zájem o představu sněhové koule Země se dramaticky zvýšil poté, co Paul F. Hoffman a jeho spolupracovníci aplikovali Kirschvinkovy myšlenky na posloupnost neoproterozoických sedimentárních hornin v Namibii a hypotézu zpracovali v časopise Science v roce 1998 začleněním takových pozorování, jako je výskyt of cap uhličitanů .

V roce 2010, Francis A. Macdonald, odborný asistent na Harvardově univerzitě v oddělení Země a planetární vědy, a jiní, hlášeny důkazy, že Rodinia byl v rovníkové šířky během Cryogenian období se ledovce na nebo pod hladinou moře, a že spojené Sturtian zalednění bylo globální.

Důkaz

Hypotéza Země sněhové koule byla původně navržena tak, aby vysvětlovala geologické důkazy o zjevné přítomnosti ledovců v tropických zeměpisných šířkách. Podle modelování by zpětná vazba mezi ledem a albedem vedla k rychlému postupu ledového ledu k rovníku, jakmile se ledovce rozšíří do vzdálenosti 25 ° až 30 ° od rovníku. Přítomnost ledovcových ložisek v tropech proto naznačuje globální ledovou pokrývku.

Kritické pro posouzení platnosti teorie je proto pochopení spolehlivosti a významu důkazů, které vedly k přesvědčení, že led vůbec dosáhl tropů. Tento důkaz musí prokázat tři věci:

  1. že postel obsahuje sedimentární struktury, které mohly být vytvořeny pouze ledovcovou aktivitou;
  2. že postel byla uložena v tropech.
  3. že ledovce byly aktivní na různých globálních místech současně a že neexistují žádná jiná ložiska stejného věku.

Tento poslední bod je velmi obtížné dokázat. Před Ediacaran se biostratigraphic markery obvykle používaná pro korelaci skály chybí; proto neexistuje způsob, jak dokázat, že horniny na různých místech po celé zeměkouli byly uloženy přesně ve stejnou dobu. Nejlepší, co lze udělat, je odhadnout věk hornin pomocí radiometrických metod, které jsou zřídka přesné na více než milion let.

První dva body jsou často zdrojem sporů případ od případu. Mnoho glaciálních rysů lze také vytvořit nelaciálními prostředky a odhad přibližných zeměpisných šířek pevnin dokonce ještě  před 200 miliony let může být obtížně protkán.

Paleomagnetismus

Hypotéza o sněhové kouli Země byla nejprve navržena tak, aby vysvětlila, co se tehdy považovalo za ledovcová ložiska poblíž rovníku. Protože se tektonické desky v průběhu času pohybují pomalu, není snadné zjistit jejich polohu v daném bodě dlouhé historie Země. Kromě úvah o tom, jak by rozpoznatelné pevniny mohly do sebe zapadat, může být zeměpisná šířka, na které byla uložena hornina, omezena paleomagnetismem.

Když se vytvoří sedimentární horniny , magnetické minerály v nich mají sklon vyrovnat se s magnetickým polem Země . Přesným měřením tohoto paleomagnetismu je možné odhadnout zeměpisnou šířku (nikoli však délku ), kde byla vytvořena horninová matrice. Paleomagnetická měření ukázala, že některé sedimenty ledovcového původu v neoproterozoickém horninovém záznamu byly uloženy do 10 stupňů od rovníku, ačkoli přesnost této rekonstrukce je sporná. Tato paleomagnetická poloha zjevně ledovcových sedimentů (jako jsou kameny ) byla učiněna tak, aby naznačovala, že v době uložení sedimentů se ledovce táhly od pevniny k hladině moře v tropických zeměpisných šířkách. Není jasné, zda to znamená globální zalednění, nebo existenci lokalizovaných, možná vnitrozemských, ledovcových režimů. Jiní dokonce navrhli, že většina údajů neomezuje žádná ledovcová ložiska do 25 ° od rovníku.

Skeptici naznačují, že paleomagnetická data by mohla být poškozena, pokud by se starověké magnetické pole Země podstatně lišilo od dnešního. V závislosti na rychlosti ochlazování zemského jádra je možné, že během proterozoika se magnetické pole nepřibližovalo jednoduchému dipolárnímu rozložení, přičemž severní a jižní magnetický pól byly zhruba v souladu s osou planety jako dnes. Místo toho mohlo teplejší jádro cirkulovat energičtěji a dalo vzniknout 4, 8 nebo více pólům. Palaeomagnetická data by pak musela být znovu interpretována, protože sedimentární minerály by mohly být zarovnány tak, aby směřovaly spíše na 'západní pól' než na severní pól. Alternativně mohlo být dipolární pole Země orientováno tak, že póly byly blízko rovníku. Tato hypotéza byla navržena tak, aby vysvětlila mimořádně rychlý pohyb magnetických pólů implikovaný ediacaranským paleomagnetickým záznamem; údajný pohyb severního pólu by nastal přibližně ve stejnou dobu jako zalednění Gaskierů.

Další slabinou spoléhání na paleomagnetická data je obtížnost určení, zda je zaznamenaný magnetický signál původní, nebo zda byl resetován pozdější aktivitou. Například orogeneze budování hor uvolňuje horkou vodu jako vedlejší produkt metamorfních reakcí; tato voda může obíhat ve skalách vzdálených tisíce kilometrů a resetovat jejich magnetický podpis. To ztěžuje stanovení pravosti hornin starších než několik milionů let bez pečlivých mineralogických pozorování. Kromě toho se hromadí další důkazy o tom, že došlo k rozsáhlým událostem remagnetizace, které mohou vyžadovat revizi odhadovaných poloh paleomagnetických pólů.

V současné době existuje pouze jedno ložisko, australské ložisko Elatina, které bylo nepochybně uloženo v nízkých zeměpisných šířkách; jeho datum uložení je dobře omezeno a signál je prokazatelně originální.

Ledovcová ložiska s nízkou šířkou

Diamictite z Neoproterozoic Pocatello formace se „koulovat zemi“ -type záloha
EĹĄtina Fm diamictite pod Ediacaran GSSP místě v Flinders Ranges NP , Jižní Austrálie. Mince 1 $ za váhu.

Sedimentární horniny uložené ledovci mají charakteristické rysy, které umožňují jejich identifikaci. Dlouho před příchodem hypotézy Země o sněhové kouli bylo mnoho neoproterozoických sedimentů interpretováno jako ledovcového původu, včetně některých zjevně v tropických šířkách v době jejich uložení. Je však třeba si uvědomit, že mnoho sedimentárních rysů tradičně spojených s ledovci může být vytvořeno i jinými prostředky. Proto byl zpochybněn glaciální původ mnoha klíčových výskytů sněhové koule na Zemi. V roce 2007 existoval pouze jeden „velmi spolehlivý“ - stále zpochybňovaný - nulový bod identifikující tropické tility , což činí prohlášení o rovníkové ledové pokrývce poněkud opovážlivým. Důkazy o zalednění mořské hladiny v tropech během Sturtian se však hromadí. Důkazy o možném ledovcovém původu sedimentu zahrnují:

  • Dropstones (kameny spadlé do mořských sedimentů), které mohou ukládat ledovce nebo jiné jevy.
  • Varvy (roční sedimentové vrstvy v periglaciálních jezerech), které se mohou tvořit při vyšších teplotách.
  • Ledovcové pruhy (tvořené vloženými horninami oškrábanými o podloží): podobné pruhy čas od času tvoří proudění bahna nebo tektonické pohyby.
  • Diamiktity (špatně tříděné konglomeráty). Původně byla popsána jako ledovcová do , většina byla ve skutečnosti tvořena toky trosek .

Nánosy otevřené vody

Zdá se, že některá ložiska vytvořená během období sněhových koulí se mohla vytvořit pouze za přítomnosti aktivního hydrologického cyklu. Pásma ledovcových usazenin až do tloušťky 5 500 metrů, oddělená malými (metry) pásy neledovcových sedimentů, ukazují, že ledovce se tály a znovu vytvářely opakovaně po desítky milionů let; pevné oceány by nedovolovaly tento rozsah ukládání. Je považováno za možné, že tyto sekvence mohly způsobit ledové proudy , jaké jsou dnes vidět na Antarktidě . Dále lze v sedimentech pocházejících z období sněhové koule nalézt sedimentární rysy, které by se mohly tvořit pouze v otevřené vodě (například vlnité vlnění , daleko cestované úlomky ledu a indikátory fotosyntetické aktivity). I když mohou na zcela zamrzlé Zemi představovat „oázy“ tající vody , počítačové modelování naznačuje, že velké oblasti oceánu musely zůstat bez ledu; argumentovat, že „tvrdá“ sněhová koule není přijatelná z hlediska energetické bilance a obecných cirkulačních modelů.

Poměry izotopů uhlíku

V mořské vodě existují dva stabilní izotopy uhlíku : uhlík-12 ( 12 C) a vzácný uhlík-13 ( 13 C), který tvoří asi 1,109 procenta atomů uhlíku.

Biochemické procesy, z nichž fotosyntéza je jednou, mají tendenci přednostně začlenit lehčí 12 C izotop. Fotosyntetizátory žijící v oceánech, jak protisty, tak řasy , bývají ve 13 C velmi málo vyčerpány , vzhledem k hojnosti nalezené v primárních sopečných zdrojích zemského uhlíku. Proto bude mít oceán s fotosyntetickým životem nižší podíl 13 C/ 12 C v organických zbytcích a vyšší poměr v odpovídající oceánské vodě. Organická složka lithifikovaných sedimentů zůstane velmi mírně, ale měřitelně, vyčerpána při 13 C.

Během navrhované epizody sněhové koule na Zemi dochází k rychlým a extrémním negativním odchylkám v poměru 13 C až 12 C. Blízká analýza načasování 13 C 'špiček' v ložiscích po celém světě umožňuje rozpoznání čtyř, možná pěti, ledovcové události v pozdním neoproterozoiku.

Pruhované železné útvary

2,1 miliardy let stará skála s černým pásmem železného kamene

Pásové železné útvary (BIF) jsou sedimentární horniny vrstveného oxidu železa a rohoviny chudé na železo . V přítomnosti kyslíku železo přirozeně rezaví a stává se nerozpustným ve vodě. Pruhované formace železa jsou obvykle velmi staré a jejich ukládání často souvisí s oxidací zemské atmosféry během paleoproterozoické éry, kdy rozpuštěné železo v oceánu přišlo do styku s fotosynteticky vyráběným kyslíkem a vysráželo se jako oxid železa.

Pásy byly vytvořeny ve špičce mezi anoxickým a okysličeným oceánem. Vzhledem k tomu, že dnešní atmosféra je bohatá na kyslík (téměř 21% objemu) a ve styku s oceány, není možné nahromadit dostatek oxidu železa k uložení pruhované formace. Jediné rozsáhlé železné útvary, které byly uloženy po paleoproterozoiku (před 1,8 miliardami let), jsou spojeny s kryogenními ledovcovými ložisky.

Aby se mohly ukládat takové horniny bohaté na železo, musela by být v oceánu anoxie, takže by se mnoho rozpuštěného železa (jako oxid železnatý ) mohlo nahromadit dříve, než se setká s oxidantem, který by ho vysrážel jako oxid železitý . Aby se oceán stal anoxickým, musí mít omezenou výměnu plynu s okysličenou atmosférou. Zastánci hypotézy tvrdí, že opětovné objevení BIF v sedimentárním záznamu je důsledkem omezených hladin kyslíku v oceánu utěsněném mořským ledem, zatímco odpůrci naznačují, že vzácnost ložisek BIF může naznačovat, že se vytvořily ve vnitrozemských mořích.

Protože byla tato jezera izolována od oceánů, mohla být v hloubce stagnující a anoxická, podobně jako dnešní Černé moře ; dostatečný přísun železa by mohl poskytnout nezbytné podmínky pro tvorbu BIF. Dalším problémem, který naznačuje, že BIF označovaly konec zalednění, je to, že se nacházejí mezi sebou vložené do ledovcových sedimentů. BIF také během marinoanského zalednění nápadně chybí .

Uzavřete karbonátové skály

Současný ledovec

Kolem vrcholu neoproterozoických ledovcových ložisek je obvykle ostrý přechod do chemicky vysrážených sedimentárních vápenců nebo dolomitů tlustých až desítek metrů. Tyto karbonáty víček se někdy vyskytují v sedimentárních posloupnostech, které nemají žádné jiné karbonátové horniny, což naznačuje, že jejich ukládání je výsledkem hluboké aberace v oceánské chemii .

Sopky mohly hrát roli při doplňování CO
2, možná ukončení globální doby ledové v období kryogenianu .

Tyto karbonáty čepic mají neobvyklé chemické složení a také podivné sedimentární struktury, které jsou často interpretovány jako velké vlnky. Tvorba takových sedimentárních hornin by mohla být způsobena velkým přílivem kladně nabitých iontů , což by bylo způsobeno rychlým zvětráváním během extrémního skleníku po události sněhové koule na Zemi. Δ 13 C izotopový podpis na víčko uhličitanů je blízko -5 ‰, v souladu s hodnotou pláště-tak nízkou hodnotu, je obvykle / by mohla být přijata znamenat absenci života, protože fotosyntéza se obvykle působí na zvýšení hodnoty; alternativně by uvolňování metanových usazenin mohlo snížit jeho hodnotu z vyšší hodnoty a vyvážit účinky fotosyntézy.

Přesný mechanismus podílející se na tvorbě čepičkových uhličitanů není jasný, ale nejcitovanější vysvětlení naznačuje, že při tání sněhové koule Země by voda rozpustila hojné CO
2z atmosféry za vzniku kyseliny uhličité , která by padala jako kyselý déšť . To by vystavilo povětrnostním vlivům silikátové a uhličitanové horniny (včetně snadno napadených ledovcových úlomků) a uvolnilo by velké množství vápníku , který by po vyplavení do oceánu vytvořil výrazně texturované vrstvy karbonátové sedimentární horniny. Takový abiotický sediment „ cap carbonate “ lze nalézt na vrcholu ledovce, dokud nevznikla hypotéza o sněhové kouli Země.

Existují však určité problémy s určením glaciálního původu k zakrytí karbonátů. Za prvé, vysoká koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře způsobí, že oceány okyselí a rozpustí veškeré uhličitany uvnitř - ostře v rozporu s ukládáním víček uhličitanů. Kromě toho je tloušťka některých karbonátů víčka mnohem vyšší, než by bylo možné rozumně vyrobit při relativně rychlých deglaciích. Příčina je dále oslabena nedostatkem čepičkových uhličitanů nad mnoha sekvencemi jasného ledovcového původu v podobném čase a výskytem podobných uhličitanů v sekvencích navrhovaného ledovcového původu. Alternativním mechanismem, který mohl přinést přinejmenším karbonát Doushantuo cap, je rychlé, rozšířené uvolňování metanu. To představuje neuvěřitelně nízké hodnoty - až -48 ‰ - δ 13 C. hodnoty - stejně jako neobvyklé sedimentární rysy, které se zdají být vytvořeny prouděním plynu skrz sedimenty.

Změna kyselosti

Izotopy prvku boru naznačují, že pH oceánů dramaticky kleslo před a po marinoanském zalednění. To může znamenat nahromadění oxidu uhličitého v atmosféře, z nichž některé by se rozpustily v oceánech za vzniku kyseliny uhličité . Ačkoli variace bóru mohou být důkazem extrémních klimatických změn , nemusí znamenat globální zalednění.

Vesmírný prach

Zemský povrch je velmi vyčerpán v prvku iridium , které primárně sídlí v zemském jádru. Jediným významným zdrojem prvku na povrchu jsou kosmické částice, které dosáhnou Země. Během sněhové koule Země by se iridium hromadilo na ledových příkrovech a když led roztál, výsledná vrstva sedimentu by byla bohatá na iridium. Iridium anomálie byl objeven u paty formací karbonátových cap, a byl používán k naznačují, že ledová epizoda trvala po dobu nejméně 3 miliony let, ale nemusí to nutně znamenat globální rozsah k zalednění; vskutku, podobnou anomálii lze vysvětlit dopadem velkého meteoritu .

Cyklické výkyvy klimatu

Pomocí poměru mobilních kationtů k těm, které zůstávají v půdě během chemického zvětrávání (chemický index změn), bylo ukázáno, že chemické zvětrávání se cyklicky měnilo v ledové posloupnosti, zvyšovalo se během meziledových období a snižovalo během chladu a sucha doby ledové. Tento vzorec, pokud je skutečným odrazem událostí, naznačuje, že „Země sněhové koule“ se více podobaly cyklům pleistocénní doby ledové než zcela zamrzlé Zemi.

Ledovcové sedimenty tillitského souvrství Port Askaig ve Skotsku navíc jasně ukazují propletené cykly ledovcových a mělkých mořských sedimentů. Význam těchto vkladů velmi závisí na jejich datování. Ledovcové sedimenty jsou obtížně datovatelné a nejbližší datované lože ke skupině Portaskaig je 8 km stratigraficky nad zájmovými lůžky. Jeho datování na 600 Ma znamená, že postele mohou být předběžně korelovány se sturtianským zaledněním, ale mohou představovat postup nebo ústup sněhové koule Země.

Mechanismy

Jedna počítačová simulace podmínek během období sněhové koule Země

Zahájení akce Země sněhové koule by zahrnovalo nějaký počáteční chladicí mechanismus, což by mělo za následek zvýšení pokrytí Země sněhem a ledem. Zvýšení pokrytí sněhu a ledu Zemí by zase zvýšilo albedo Země , což by mělo za následek pozitivní zpětnou vazbu pro chlazení. Pokud se nashromáždí dostatek sněhu a ledu, dojde ke zchlazení. Tuto pozitivní zpětnou vazbu usnadňuje rovníková kontinentální distribuce, která by umožnila akumulaci ledu v oblastech blíže k rovníku, kde je sluneční záření nejpřímější.

Mnoho možných spouštěcích mechanismů by mohlo představovat začátek sněhové koule Země, jako je výbuch supervulkánu , snížení atmosférické koncentrace skleníkových plynů, jako je metan a/nebo oxid uhličitý , změny ve výrobě sluneční energie nebo poruchy Země oběžná dráha . Bez ohledu na spoušť má počáteční ochlazení za následek zvětšení plochy povrchu Země pokryté ledem a sněhem a dodatečný led a sníh odráží více sluneční energie zpět do vesmíru, dále ochlazuje Zemi a dále zvětšuje plochu povrchu Země pokrytou led a sníh. Tato smyčka pozitivní zpětné vazby by nakonec mohla vytvořit zmrazený rovník studený jako moderní Antarktida .

Globální oteplování spojené s velkými akumulacemi oxidu uhličitého v atmosféře po miliony let, emitované primárně vulkanickou aktivitou, je navrhovaným spouštěčem tání sněhové koule Země. Vzhledem k pozitivní zpětné vazbě na tání by případné tání sněhu a ledu pokrývající většinu zemského povrchu vyžadovalo jen tisíciletí.

Kontinentální distribuce

Tropické rozložení kontinentů je, možná neintuitivně, nutné k tomu, aby mohla vzniknout sněhová koule Země. Za prvé, tropické kontinenty odrážejí více než otevřený oceán, a proto absorbují méně slunečního tepla: většina absorpce sluneční energie na Zemi dnes probíhá v tropických oceánech.

Kromě toho tropické kontinenty podléhají většímu množství srážek, což vede ke zvýšenému vypouštění řek - a erozi. Když jsou silikátové horniny vystaveny vzduchu, podléhají povětrnostním reakcím, které z atmosféry odstraňují oxid uhličitý. Tyto reakce probíhají v obecné formě: minerál tvořící horniny + CO 2 + H 2 O → kationty + bikarbonát + SiO 2 . Příkladem takové reakce je zvětrávání wollastonitu :

CaSiO 3 + 2CO 2 + H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + 2HCO 3 -

Uvolněné vápenaté kationty reagují s rozpuštěným hydrogenuhličitanem v oceánu za vzniku uhličitanu vápenatého, jako chemicky vysrážené sedimentární horniny . To přenáší oxid uhličitý , skleníkový plyn, ze vzduchu do geosféry a v ustáleném stavu na geologických časových stupnicích kompenzuje oxid uhličitý emitovaný ze sopek do atmosféry.

V roce 2003 bylo obtížné určit přesnou kontinentální distribuci během neoproterozoika, protože pro analýzu bylo příliš málo vhodných sedimentů. Některé rekonstrukce směřují k polárním kontinentům - což byly rysy všech ostatních velkých zalednění, což je bod, na kterém může led nukleakovat. Změny v cirkulaci oceánů pak mohly poskytnout spoušť sněhové koule Země.

Mezi další faktory, které mohly přispět k nástupu neoproterozoické sněhové koule, patří zavedení atmosférického volného kyslíku, který mohl dosáhnout dostatečného množství pro reakci s metanem v atmosféře , oxidací na oxid uhličitý, mnohem slabší skleníkový plyn a mladší —Tak slabší — Slunce, které by v novoproterozoiku vyzařovalo o 6 procent méně záření.

Normálně, jak se Země ochlazuje v důsledku přirozených klimatických výkyvů a změn příchozího slunečního záření, ochlazení tyto reakce zvětrávání zpomaluje. Výsledkem je, že se z atmosféry odstraní méně oxidu uhličitého a Země se zahřívá, jak se tento skleníkový plyn hromadí - tento proces „ negativní zpětné vazby “ omezuje velikost ochlazování. Během kryogenínského období však byly všechny kontinenty Země v tropických zeměpisných šířkách, což způsobilo, že tento proces moderování byl méně účinný, protože vysoké míry zvětrávání pokračovaly na souši, i když se Země ochlazovala. To umožnilo ledu postupovat za polární oblasti. Jakmile led postoupil do 30 ° od rovníku, mohla by následovat pozitivní zpětná vazba, takže zvýšená odrazivost ( albedo ) ledu vedla k dalšímu ochlazování a tvorbě dalšího ledu, dokud nebude celá Země pokryta ledem.

Polární kontinenty jsou kvůli nízké rychlosti odpařování příliš suché na to, aby umožnily podstatné ukládání uhlíku - což omezuje množství atmosférického oxidu uhličitého, který lze odstranit z uhlíkového cyklu . Postupný nárůst podílu izotopu uhlík-13 ve srovnání s uhlíkem-12 v sedimentech před datováním „globálního“ zalednění naznačuje, že CO
2 stahování před sněhovou koulí Země bylo pomalý a kontinuální proces.

Začátek sněhových koulí Země jsou vždy poznamenány prudkým poklesem hodnoty sedimentů δ 13 C, což je charakteristický znak, který lze přičíst havárii biologické produktivity v důsledku nízkých teplot a oceánů pokrytých ledem.

V lednu 2016 Gernon et al. navrhl „hypotézu mělkého hřbetu“ zahrnující rozpad superkontinentu Rodinia , spojující erupci a rychlou změnu hyaloklastitů podél mělkých hřebenů s masivním zvýšením zásaditosti v oceánu se silnou ledovou pokrývkou. Gernon a kol. prokázali, že zvýšení alkality v průběhu zalednění je dostatečné k vysvětlení tloušťky čepičkových uhličitanů vytvořených v důsledku událostí Snowball Earth.

Během zmrazeného období

Globální ledové příkrovy mohly vytvořit překážku potřebnou pro vývoj mnohobuněčného života.

Globální teplota klesla tak nízko, že rovník byl chladný jako moderní Antarktida . Tuto nízkou teplotu udržovalo vysoké albedo ledových příkrovů, které odráželo většinu přicházející sluneční energie do vesmíru. Tento efekt zesílil nedostatek mraků zadržujících teplo způsobených vymrznutím vodní páry z atmosféry.

Prolomení globálního zalednění

Úroveň oxidu uhličitého nezbytná k rozmrazení Země byla odhadnuta na 350krát větší než dnes, což je asi 13% atmosféry. Vzhledem k tomu, že Země byla téměř úplně pokryta ledem, nemohl být oxid uhličitý stažen z atmosféry uvolněním iontů alkalických kovů zvětrávajících se ze křemičitých hornin . Více než 4 až 30 milionů let, dostatek CO
2a metan , emitovaný převážně sopkami, ale také produkovaný mikroby přeměňujícími organický uhlík zachycený pod ledem na plyn, by se hromadil, aby nakonec způsobil dostatek skleníkového efektu k roztavení povrchového ledu v tropech, dokud se pás trvale ledové půdy a vody rozvinutý; to by bylo tmavší než led, a tím by absorbovalo více energie ze Slunce - což by iniciovalo „ pozitivní zpětnou vazbu “.

Destabilizace podstatných ložisek hydrátů metanu uzavřených v permafrostu s nízkou zeměpisnou šířkou mohla také působit jako spouštěč a/nebo silná pozitivní zpětná vazba na deglaciaci a oteplování.

Na kontinentech by tání ledovců uvolnilo obrovské množství ledovcového nánosu, který by erodoval a zvětral. Výsledné sedimenty dodávané do oceánu by měly vysoký obsah živin, jako je fosfor , který se kombinoval s množstvím CO
2by vyvolalo explozi populace sinic , což by způsobilo relativně rychlou reoxygenaci atmosféry, což mohlo přispět ke vzestupu ediacaranské bioty a následné kambrijské explozi - vyšší koncentrace kyslíku umožňující rozvoj velkých mnohobuněčných forem života. Ačkoli by smyčka pozitivní zpětné vazby roztavila led v geologickém krátkém pořadí, možná méně než 1 000 let, doplnění atmosférického kyslíku a vyčerpání CO
2úrovně by trvalo další tisíciletí .

Je možné, že hladiny oxidu uhličitého klesly natolik, že Země mohla znovu zmrznout; tento cyklus se mohl opakovat, dokud se kontinenty nedostaly do více polárních šířek.

Novější důkazy naznačují, že s chladnějšími oceánskými teplotami vedla výsledná vyšší schopnost oceánů rozpouštět plyny k rychlejšímu oxidaci obsahu uhlíku v mořské vodě na oxid uhličitý. To přímo vede ke zvýšení atmosférického oxidu uhličitého, zvýšenému skleníkovému oteplování zemského povrchu a prevenci úplného stavu sněhové koule.

Během milionů let by se kryokonit nahromadil na ledu a uvnitř ledu. Psychrofilní mikroorganismy, sopečný popel a prach z míst bez ledu by se usadily na ledu pokrývajícím několik milionů kilometrů čtverečních. Jakmile začne led tát, tyto vrstvy se stanou viditelnými a zabarví ledové povrchy na tmavo, což pomůže proces urychlit.

Ultrafialové světlo ze Slunce by při dopadu na molekuly vody také produkovalo peroxid vodíku (H 2 O 2 ). Peroxid vodíku se obvykle rozkládá na slunci, ale někteří by byli uvězněni uvnitř ledu. Když se ledovce začaly tát, byly by uvolněny jak v oceánu, tak v atmosféře, kde byly rozděleny na molekuly vody a kyslíku, což vedlo ke zvýšení atmosférického kyslíku.

Slushball Země hypotéza

Zatímco přítomnost ledovců není sporná, představa, že celá planeta byla pokryta ledem, je spornější, což vedlo některé vědce k vytvoření „slushball Earth“, ve které zůstává pás bez ledu nebo ledově tenkých vod kolem rovníku , což umožňuje pokračující hydrologický cyklus .

Tato hypotéza apeluje na vědce, kteří pozorují určité rysy sedimentárního záznamu, který lze vytvořit pouze pod otevřenou vodou nebo rychle se pohybujícím ledem (k jehož přesunu by bylo zapotřebí někam bez ledu). Nedávný výzkum pozoroval geochemickou cyklicitu v klastických horninách , což ukazuje, že období „sněhové koule“ byla přerušována teplými kouzly, podobně jako cykly doby ledové v nedávné historii Země. Pokusy o konstrukci počítačových modelů sněhové koule Země se také snažily přizpůsobit globální ledovou pokrývku bez zásadních změn v zákonech a konstantách, které ovládají planetu.

Méně extrémní hypotéza Země o sněhové kouli zahrnuje neustále se vyvíjející kontinentální konfigurace a změny v oceánské cirkulaci. Syntetizované důkazy přinesly modely označující „slushball Zemi“, kde stratigrafický záznam neumožňuje postulovat úplné globální zalednění. Kirschivinkova původní hypotéza poznala, že se na Zemi sněhové koule očekává výskyt teplých tropických kaluží.

Hypotéza Země sněhové koule nevysvětluje střídání glaciálních a interglaciálních událostí ani oscilaci okrajů ledovcových vrstev.

Vědecký spor

Argument proti hypotéze je důkazem kolísání ledové pokrývky a tání během ložisek „sněhové koule Země“. Důkazy pro takové tání pocházejí z důkazů o ledovcových kamenech, geochemických důkazech cyklickosti klimatu a vložených ledovcových a mělkých mořských sedimentů. Delší záznam z Ománu, omezený na 13 ° severní šířky, pokrývá období před 712 až 545 miliony let-časové období obsahující sturtianské a marinoanské zalednění-a ukazuje jak ledovcovou, tak i bezledovou depozici.

Při vytváření globálních klimatických modelů došlo k potížím při obnově sněhové koule . Jednoduché GCM se smíšenými vrstvami oceánů lze přimět zmrazit k rovníku; sofistikovanější model s plně dynamickým oceánem (i když jen primitivní model mořského ledu) nedokázal vytvořit mořský led k rovníku. Kromě toho úrovně CO
2 nezbytné k roztavení globální ledové pokrývky byly vypočteny na 130 000 ppm, což někteří považují za nepřiměřeně velké.

Bylo zjištěno, že izotopická data stroncia jsou v rozporu s navrhovanými modely vypouštění křemičitanu na Zemi během zalednění a rychlých sazeb bezprostředně po zalednění. Proto bylo navrženo uvolňování metanu z permafrostu během mořské transgrese jako zdroj velké naměřené exkurze uhlíku v době bezprostředně po zalednění.

Hypotéza „zipové trhliny“

Nick Eyles naznačuje, že neoproterozoická sněhová koule Země se ve skutečnosti nelišila od jakéhokoli jiného zalednění v historii Země a že úsilí o nalezení jediné příčiny pravděpodobně skončí neúspěchem. Hypotéza „zipová trhlina“ navrhuje dva impulzy kontinentálního „rozepínání“-nejprve rozpad superkontinentu Rodinia, který tvoří protopacifický oceán; pak rozdělení kontinentu Baltica z Laurentie , tvořící protoatlantik-se shodovalo s obdobími zaledněnými. S tím spojený tektonický vzestup by vytvořil vysoké plošiny, stejně jako je východoafrická trhlina zodpovědná za vysokou topografii; tato vyvýšená země pak mohla hostit ledovce.

Pásové železné útvary byly považovány za nevyhnutelný důkaz pro globální ledovou pokrývku, protože ke vzniku vyžadují rozpuštěné ionty železa a anoxické vody ; omezený rozsah neoproterozoických páskovaných ložisek železa však znamená, že se nemusely vytvořit ve zmrzlých oceánech, ale místo toho ve vnitrozemských mořích. Taková moře mohou zažít širokou škálu chemikálií; vysoké rychlosti odpařování by mohly koncentrovat ionty železa a periodický nedostatek oběhu by mohl umožnit tvorbu anoxické spodní vody.

Continental rifting, as tím spojený pokles, má tendenci produkovat takové vnitrozemské vodní útvary. Toto rifting a související pokles by poskytly prostor pro rychlé ukládání sedimentů, což by vyvrátilo potřebu obrovského a rychlého tavení ke zvýšení globální hladiny moře.

Hypotéza vysoké šikmosti

Konkurenční hypotézou vysvětlující přítomnost ledu na rovníkových kontinentech bylo, že axiální náklon Země byl poměrně vysoký, v blízkosti 60 °, což by umisťovalo zemskou zemi do vysokých „zeměpisných šířek“, ačkoli podpůrných důkazů je málo. Méně extrémní možností by bylo, že by k tomuto sklonu putoval pouze magnetický pól Země , protože magnetické údaje, které naznačovaly kontinenty naplněné ledem, závisí na tom, že magnetické a rotační póly jsou relativně podobné. V každé z těchto dvou situací by zmrazení bylo omezeno na relativně malé oblasti, jako je tomu dnes; závažné změny klimatu Země nejsou nutné.

Inerciální výměna pravá polární vandr

Důkazy pro ledovcová ložiska s nízkou šířkou během předpokládaných epizod Země s sněhovou koulí byly reinterpretovány prostřednictvím konceptu inerciální výměny skutečného polárního putování (IITPW). Tato hypotéza, vytvořená za účelem vysvětlení paleomagnetických dat, naznačuje, že orientace Země vzhledem k její ose otáčení se během obecného časového rámce připisovaného Zemi sněhové koule jednou nebo vícekrát posunula. To by proveditelně mohlo vést ke stejné distribuci ledovcových usazenin, aniž by bylo nutné, aby kdokoli z nich byl uložen na rovníkové šířce. Zatímco fyzika za návrhem je zdravá, odstranění jednoho vadného datového bodu z původní studie způsobilo, že aplikace konceptu za těchto okolností je neopodstatněná.

Bylo navrženo několik alternativních vysvětlení důkazů.

Přežití života prostřednictvím zmrazených období

Černý kuřák , což je typ hydrotermální průduchu

Obrovské zalednění by omezilo fotosyntetický život na Zemi, čímž by se vyčerpal atmosférický kyslík, a tím by se umožnilo vytvářet neoxidované horniny bohaté na železo.

Kritici tvrdí, že tento druh zalednění by zcela vyhynul život. Mikrofosílie , jako jsou stromatolity a oncolity, dokazují, že přinejmenším v mělkém mořském prostředí život neutrpěl žádnou poruchu. Místo toho život vyvinul trofickou složitost a přežil chladné období bez úhony. Zastánci tvrdí, že je možné, aby život přežil těmito způsoby:

  • V nádržích anaerobního života a života s nízkým obsahem kyslíku poháněného chemikáliemi v hlubokých oceánských hydrotermálních průduchech přežívajících v hlubokých oceánech a kůře Země ; ale fotosyntéza by tam nebyla možná.
  • Pod vrstvou ledu se v chemolitotrofních (minerálně metabolizujících) ekosystémech teoreticky podobají těm, které existují v moderních ledovcových korytech, vysokohorském a arktickém talusovém permafrostu a bazálním ledovcovém ledu. To je zvláště pravděpodobné v oblastech vulkanismu nebo geotermální činnosti.
  • V kapsách tekuté vody uvnitř a pod ledovými čepičkami, podobné jezeru Vostok v Antarktidě. Tento systém může teoreticky připomínat mikrobiální komunity žijící v trvale zmrzlých jezerech antarktických suchých údolí. Fotosyntéza může probíhat pod ledem až do tloušťky 100 m a při teplotách předpovídaných modely by ekvatoriální sublimace zabránila překročení rovníkové tloušťky ledu nad 10 m.
  • Jako vejce a spící buňky a spory hluboce zmrazené na led v nejtěžších fázích zmrazeného období.
  • V malých oblastech otevřené vody v hlubokých oceánských oblastech zachovávajících malé množství života přístup ke světlu a CO
    2    aby fotosyntetizátory (nikoli mnohobuněčné rostliny, které ještě neexistovaly) generovaly stopy kyslíku, které byly dostatečné k udržení některých organismů závislých na kyslíku. To by se stalo, i kdyby moře úplně zamrzlo, kdyby malé části ledu byly dostatečně tenké, aby propouštěly světlo. Tyto malé otevřené vodní oblasti se mohly objevit v hlubokých oceánských oblastech daleko od superkontinentu Rodinia nebo jeho zbytků, když se rozpadl a unášel na tektonických deskách .
  • Ve vrstvách „špinavého ledu“ v horní části ledové pokrývky pokrývající mělké moře níže. Zvířata a bahno z moře by byly zmrazeny do spodní části ledu a postupně se soustředily na vrchol, jak se led nahoře odpařuje. Malé rybníky vody by se díky toku živin ledem hemžily životem. Taková prostředí mohla pokrývat přibližně 12 procent globální povrchové plochy.
  • V malých oázách kapalné vody, jaké by se nacházely poblíž geotermálních horkých míst připomínajících dnes Island .
  • V oblastech nunataků v tropech , kde denní tropické slunce nebo sopečné teplo zahřívalo holé skály chráněné před studeným větrem a vytvářelo malé dočasné tající tůně, které by při západu slunce zamrzly.
  • Okysličená subglaciální meltwater spolu se sedimenty bohatými na železo rozpuštěnými v ledové vodě vytvořily při vstupu do oceánu kyslíkové čerpadlo z taveniny, kde poskytlo eukaryotům trochu kyslíku a fotosyntetickým i chemosyntetickým organismům dostatek živin na podporu ekosystému. Sladká voda by se také mísila s hypersalinní mořskou vodou, což vytvářelo oblasti méně nepřátelské vůči eukaryotickému životu než jinde v oceánu.

Organismy a ekosystémy, pokud to lze určit na základě fosilních záznamů, podle všeho neprošly významnou změnou, kterou by bylo možné očekávat masovým vyhynutím . S příchodem přesnějšího datování se ukázalo, že událost vyhynutí fytoplanktonu, která byla spojena se sněhovou koulí Země, předcházela zalednění o 16 milionů let. I kdyby se život držel ve všech výše uvedených ekologických útočištích, zalednění celé Země by vedlo k biotě se znatelně odlišnou diverzitou a složením. Tato změna rozmanitosti a složení dosud nebyla pozorována - ve skutečnosti organismy, které by měly být nejvíce náchylné ke klimatickým změnám, vyvstávají bez úhony ze sněhové koule Země. Jednou vyvrácenou skutečností je skutečnost, že v mnoha z těchto míst, kde se argumentuje proti masovému vymírání způsobenému sněhovou koulí Země, je kryogenický fosilní záznam mimořádně zbídačený.

Dopady

Sněhová koule Země má hluboké důsledky v historii života na Zemi. Přestože bylo předpokládáno mnoho refugií , globální ledová pokrývka by určitě zpustošila ekosystémy závislé na slunečním světle. Geochemické důkazy z hornin spojených s ledovcovými ložisky s nízkou šířkou byly interpretovány tak, aby ukazovaly havárii v oceánském životě během ledovců.

Protože asi polovina vody oceánů byla zmrzlá pevná jako led, zbývající voda by byla dvakrát slanější než dnes, což by snížilo její bod tuhnutí. Když ledový příkrov roztál, pokryl oceány vrstvou horké sladké vody o tloušťce až 2 kilometry. Teprve poté, co se horká povrchová voda smíchala s chladnější a hlubší slanou vodou, se moře vrátilo do teplejšího a méně slaného stavu.

Tání ledu mohlo představovat mnoho nových příležitostí pro diverzifikaci a ve skutečnosti mohlo vést k rychlému vývoji, který se odehrál na konci kryogenianského období.

Vliv na ranou evoluci

Dickinsonia costata , ediakarský organismus neznámé afinity, s prošívaným vzhledem

Neoproterozoic byla doba pozoruhodné diverzifikace mnohobuněčných organismů, včetně zvířat. Velikost a složitost organismu se po skončení zalednění sněhové koule značně zvýšila. Tento vývoj mnohobuněčných organismů mohl být důsledkem zvýšených evolučních tlaků vyplývajících z několika cyklů led-skleník ; v tomto smyslu epizody sněhové koule na Zemi mohly „napumpovat“ evoluci. Roli může hrát také kolísající hladina živin a stoupající kyslík. Další velká ledová epizoda možná skončila jen několik milionů let před kambrijskou explozí .

Jedna hypotéza, která v posledních letech získává měnu: že rané sněhové koule Země tolik neovlivnily vývoj života na Zemi, jako důsledek toho. Ve skutečnosti se tyto dvě hypotézy vzájemně nevylučují. Myšlenka je taková, že formy života Země ovlivňují globální uhlíkový cyklus, a tak velké evoluční události mění uhlíkový cyklus, přerozdělují uhlík v různých nádržích v systému biosféry a v procesu dočasně snižují atmosférický (skleníkový) zásobník uhlíku, dokud se revidovaný systém biosféry neusadí do nového stavu. Epizoda Snowball I ( huronského zalednění 2,4 až 2,1 miliardy let) a Snowball II (z prekambrianského kryogenianu mezi 580 a 850 miliony let a která sama měla řadu odlišných epizod) jsou podle všeho způsobeny vývojem kyslíku fotosyntéza a poté vzestup pokročilejšího mnohobuněčného života zvířat a životní kolonizace země.

Účinky na cirkulaci oceánů

Globální ledová pokrývka, pokud existuje, mohla - ve shodě s geotermálním ohřevem - vést k živému, dobře smíšenému oceánu s velkou vertikální konvekční cirkulací.

Výskyt a načasování

Neoproterozoikum

Během pozdního neoproterozoika existovaly tři nebo čtyři významné doby ledové . Z nich byl Marinoan nejvýznamnější a také sturtianské zalednění bylo skutečně rozšířené. I přední zastánce sněhové koule Hoffman souhlasí, že 350 tisíc let trvající zalednění Gaskierů nevedlo ke globálnímu zalednění, i když to bylo pravděpodobně tak intenzivní jako pozdní ordovické zalednění . Stav kaigasského „zalednění“ nebo „ochlazovací události“ je v současné době nejasný; někteří vědci to neuznávají jako glaciál, jiní mají podezření, že to může odrážet špatně datované vrstvy sturtianské asociace a další se domnívají, že to může být skutečně třetí doba ledová. Bylo to určitě méně významné než sturtianské nebo marinoanské zalednění a pravděpodobně to nebylo globální. Objevující se důkazy naznačují, že Země během novoproterozoika prošla řadou zalednění, což by silně stálo v rozporu s hypotézou sněhové koule.

Paleoproterozoikum

Hlavní článek: huronské zalednění

Hypotéza o sněhové kouli Země byla vyvolána k vysvětlení ledovcových usazenin v Huronské superskupině Kanady, ačkoli paleomagnetické důkazy, které naznačují ledové příkrovy v nízkých zeměpisných šířkách, jsou sporné. Ledovcové sedimenty makganyenské formace Jižní Afriky jsou o něco mladší než hurónská ledovcová ložiska (staré ~ 2,25 miliardy let) a byly uloženy v tropických zeměpisných šířkách. Bylo navrženo, aby vzestup volného kyslíku, ke kterému došlo během Velké okysličovací události, odstranil metan v atmosféře oxidací. Vzhledem k tomu, že Slunce bylo v té době výrazně slabší, mohlo se zemské klima spoléhat na metan, silný skleníkový plyn, který udržuje povrchové teploty nad bodem mrazu.

Bez tohoto metanového skleníku se teploty snížily a mohlo dojít k sněhové kouli.

Karoo Doba ledová

Před teorií kontinentálního driftu vedla ledovcová ložiska v karbonských vrstvách v tropických kontinentálních oblastech, jako je Indie a Jižní Amerika, ke spekulacím, že zalednění doby ledové Karoo dosáhlo v tropech. Kontinentální rekonstrukce však ukazuje, že led byl ve skutečnosti omezen na polární části superkontinentu Gondwana .

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy