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雪球地球

來自中國氣象局 的圖片

• 「雪球地球」即全球冰凍現象，是20世紀90年代初美國科學家約瑟夫·科什文克提出的概念，它在地球歷史中至少出現過3次。雪球地球是地質史上的一個名詞。指的是地球表面從兩極到赤道全部被結成冰，地球被冰雪覆蓋，變成一個大雪球。
• 地球歷史上曾出現過兩次雪球地球事件，一次是在大約距今約8億到5.5億年之間，地球表面從兩極到赤道全部結成冰，只有海底殘留了少量液態水。還有一次則出現在地球剛剛出現生物的時候。
• 2023年4月，中國地質大學（武漢）教授童金南團隊提出了一種全新的「雪球地球」模型，修正了許多人推崇的全球冰封假說，認為「雪球地球」時期中緯度和低緯度地區都存在開闊水域。這為當時的宏體生物生存和演化提供了新證據。相關研究成果發表於《自然-通訊》。

信息

中文名:雪球地球

適用領域:生物 地理

外文名：snow ball earth

應用學科：地理 化學 物理

簡介

• 通過對於地質沉積物以及其他地質證據的研究，多年以來科學家一直認為8億到5.5億年之間地球一直處於完全冰凍狀態。
• 地球上曾經出現了兩次最著名的冰期。一次是發生在大約100萬年前的更新世，當時人類剛剛開始進化，因為地球圍繞太陽的公轉軌道出現變化，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被厚達2公里的冰層覆蓋，並且導致海平面下降了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。
• 但是這兩次冰期，都沒有發生在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。在很久之前發生的雪球地球事件使得整個地球被凍成一個大雪球，導致無數物種滅絕。

研究歷史

形成研究

• 1964年，劍橋大學的B.W. Harland最早對全球範圍內新元古代（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分析指出，當時這些大洲其實並沒有被海洋分開，而是在赤道附近匯聚成一整塊巨大的大陸。
• 而在當時，板塊漂移學說也才慢慢被接受。而且由於分析手段缺乏，加上數據有限，所以B.W. Harland的說法並沒有明確的得到廣泛地證實，更沒有人能解釋，冰期沉積怎麼到了赤道附近。

地質研究

• 在隨後的二三十年裡面，通過科學家在海洋生物學、地球化學等領域的進一步努力，獲得了不少新的進展。
• 1987年，加州理工學院的J.L. Kirschvink等研究了澳大利亞的一塊新元古代的粉砂岩之後，證實了它是屬於當時沉積在赤道附近的淺海環境，確鑿地說明了冰川曾經到達了赤道附近，而且這個研究成果也被後來的研究反覆檢測所證實，其中就包括隨着古地磁學的發展。
• 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、地質年代學、古地磁學後指出，許多冰期沉積的雜礫岩出現在南北緯10°以內，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）曾經出現過幾次「雪球地球」事件。可以想象，赤道附近都結冰了，那麼整個地球還不凍的嚴嚴實實，成為一個「雪球」？
• 在隨後的二三十年裡面，通過科學家在海洋生物學、地球化學等領域的進一步努力，獲得了不少新的進展。
• 1987年，加州理工學院的J.L. Kirschvink等研究了澳大利亞的一塊新元古代的粉砂岩之後，證實了它是屬於當時沉積在赤道附近的淺海環境，確鑿地說明了冰川曾經到達了赤道附近，而且這個研究成果也被後來的研究反覆檢測所證實，其中就包括隨着古地磁學的發展。
• 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、地質年代學、古地磁學後指出，許多冰期沉積的雜礫岩出現在南北緯10°以內，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）曾經出現過幾次「雪球地球」事件。可以想象，赤道附近都結冰了，那麼整個地球還不凍的嚴嚴實實，成為一個「雪球」？

假說研究

• 億年前地球上的大陸並不是分離的，而是在赤道附近連在一起，我們稱為羅迪尼亞超大陸。
• 羅迪尼亞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後果：一個是生物在岸邊的活動增加，光合作用的加強導致大量CO2被吸收，二個是同樣增加了大陸的硅酸岩風化，而吸收了不少CO2，這兩個結果導致大氣的CO2迅速減少，「溫室」變「冰室」，產生巨大的冰雪覆蓋，進而產生了失控的反照率事件，而最終形成了「雪球」。
• 經過計算，當時冰蓋有1公里厚，推進到赤道附近，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岩風化作用都被終止，但是地球的火山活動還在繼續，向外釋放了大量的CO2。經過長達1000萬年的積累，這些CO2終於足夠強大，形成「溫室效應」，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到50°C以上。

解凍研究

• 美國加州理工學院研究小組還證明了一個機制，藉助這一機制，地球才能擺脫「雪球地球」。在變成「雪球地球」後大約幾千萬年裡，地球的二氧化碳積聚到一定程度，閃耀的亮白色冰層能反映太陽光線和熱量，因此雪球在2億年間一直處於像冰凍的雪球。
• 最終，由火山噴發出的二氧化碳溫室氣體進入空氣中，由此地球氣候逐漸轉暖，厚厚的冰層也慢慢融化。溫室效應再一次發生了，地球溫度又逐漸升高，冰層融化，生命重返地球。研究小組的科學家認為，如果地球環境繼續惡化，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。

消融研究

• 2023年9月，中國科學技術大學沈延安課題組在中國華南等地進行系統研究，首次提出「冰層消融誘發大規模火山噴發」等地球與生命演化新機制，對探索現代極端氣候變化和地球宜居性具有重要啟示意義。9月7日，國際知名學術期刊《科學·進展》發表了這項研究成果。

提出假說

冰室效應說

• 最早提出「雪球地球」理論的美國加州理工學院研究小組發現，使早期地球變成雪球的罪魁禍首很可能只是一種細菌，它釋放出的氧氣破壞了可使地球保持溫暖的關鍵氣體——甲烷。
• 科學家推測，在23億年前，一種叫藍菌或藍綠藻的細菌突然發育出分解水及釋放氧氣的能力，大量的氧氣使當時大氣中豐富的溫室氣體甲烷很不穩定。在至少10萬年的時間內，溫室效應被破壞，地球沒有了甲烷，全球溫度下降到零下50攝氏度。地球進入冰河期後變得十分寒冷，赤道海洋被大約1.6千米厚的冰層覆蓋，大量生物死亡，只有轉入地下或在熱溫泉中的生物才能得以生存下來。

泥濘地球說

• 對於雪球地球觀點的最早爭辯始於1989年，之後持反對觀點的科學家對此進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的三位物理學家。2008年4月，他們設計了一種新原生代末期二氧化碳計算機模擬，新原生代末期是海洋氧氣生成的重要時期。
• 這三位物理學家指出，計算機模擬顯示，持續的寒冷氣溫將使大氣中的氧氣散布到海洋底部，通過光合作用進而轉化成為富含溶解有機碳的地質層，最終形成二氧化碳氣體。這些二氧化碳氣體將從海洋中釋放回到大氣層中，通過溫室氣體效應加熱大氣層空氣，在地球冰凍冷卻循環周期之前，誘導海洋冰層逐漸融化、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並不是一個冰凍的雪球，當時的地球很可能是氣候溫和、土壤泥濘，熱帶地區的海水處於非冰凍狀態，海水可以與陽光進行充足的光合作用。這個時期並沒有大量火山噴發的二氧化碳氣體，也沒有持續冰凍上億年。

陽光阻隔說

• 科學家認為「雪球地球」時期的火山噴發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。地質科學家麥克唐納指出，這意味着調查這種地球歷史的「自然實驗」十分重要：「這會告訴我們遠比電腦模型更多的東西。」

反射學說

• J.L. Kirschvink認為，當時在中高緯度的反照率是很高的，形成大量冰川，然後海平面下降，導致了陸地面積增加，陸地增加進一步增加了地球的反照率；同時，熱帶地區大陸增加有利於硅酸岩風化，有利於大氣中的CO2埋藏，加強了「冰室效應」。這兩個因素的不斷影響，導致了地球不斷變冷，從而形成一個「雪球」。在形成「雪球」之後，因為地球的火山作用，不斷釋放出CO2等溫室氣體，經過長期積累，這些氣體終於足夠強大，產生了巨大的「溫室效應」，地球溫度升高，所以又融化了。

研究證據

• 美國哈佛大學地球學家弗朗西斯·麥克唐納和同事對夾在冰川沉積物之間的加拿大火山岩進行了研究。科學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澱物，確定這種冰川沉積物，褐紅色的冰河時代沉積物證明這塊加拿大火山岩曾在「雪球地球」時代被冰雪覆蓋。
• 麥克唐納的研究小組利用極為精確的鈾-鉛放射性年代測定法認定火山岩和冰川沉積物是在大約7.16億年前沉澱的。接下來，研究人員將自己的發現與以前一系列研究結果進行了對比，那些研究發現火山岩是在加拿大處於赤道附近時形成的。隨着時間的推移，地球構造板塊的活動驅使火山岩向北移動，到了加拿大育空地區和西北地區。
• 通過對前寒武紀全球冰川沉積物的磁性礦物的測量，指出8-5.5億年之間，有一次大規模的「雪球地球」事件，以及在』雪地球『事件之間的暖期。在此之前的一次，發生在24.5-22.2億年前。
• 之前科學家所認為的雪球地球時期是地球形成期中冷凍最長、最深的時期，其證據來源于海洋深層沉澱物。科學家曾對地質層進行了碳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，可有力地說明當時地球的氣候狀況。他們發現在成冰紀的上層和下層富含大量的碳13同位素，也就是說在成冰紀時期處於地球生物低潮期。聯繫其他強烈的冰凍作用，科學家認為成冰紀時期地球完全處於冰凍狀態，厚厚冰層覆蓋着海洋並蔓延至熱帶地區，甚至還到達了赤道。
• 這個學說的主要證據，是發現碳酸鹽沉積物，這種典型的低緯度沉積物堆積在冰川沉積物之上；況且海洋中出現沉積鐵礦層，表明缺氧的環境也與冰川事件相吻合。』雪地球『事件的成因還很不清楚，但認為與當時大陸聚集在熱帶地區有關，因此增加地球反射的陽光，使全球變冷。
• 麥克唐納稱，圍繞「雪球地球」還有許多謎團尚未解開，例如，僅憑藉一個冰封的赤道，科學家無法確定當時地球上冰雪覆蓋的程度。地球可能一直處於完全的「深度冰凍」狀態，或者可能只是受制於不斷活動的冰川和冰山，或是介於兩者之間的冰體。
• 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」。由於向外噴射灰燼的火山經常爆發，可能使得地球表面「布滿灰塵」。

生命進化

• 據麥克唐納介紹，在「雪球地球」時期，部分物種存活下來，進化成了新的物種。「雪球地球」具有開放水域的避難所，或至少是冰層裂縫，例如南極冰層下面就有生命存在，使得地球生命得以在冰封中延續。
• 生命在冰封中倖存有如下幾種可能：

1、深海地熱口附近； 2、生命可以採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，火山作用和陽光輻射可能會在白天融化部分冰，產生臨時水窪； 4、冰層之下，類似於「礦物質代謝」生態系統可以提供避風港； 5、在冰蓋下面會存在液態水坑。類似於南極洲的沃斯托克湖一樣。

視頻

好多人都不知道地球以前是什麼樣子，被冰封的大雪球？