Sněhová koule Země je hypotéza [1] , která naznačuje , že Země byla zcela pokryta ledem během kryogenního a ediakarského období neoproterozoické éry a možná také v jiných geologických epochách. Hypotéza má vysvětlit ukládání ledovcových sedimentů v tropických zeměpisných šířkách během kryogenního období (před 720-635 miliony let) a další záhadné rysy jeho geologického záznamu. Po skončení posledního velkého zalednění se zrychlil vývoj mnohobuněčných organismů .
Vědci rozlišují dvě globální zalednění v kryogenním období:
Také zde lze připsat další zalednění, huronské (před 2,4-2,1 miliardami let) - nejdelší a největší dobu ledovou v celé historii Země, pokrývající siderské a ryasské období paleoproterozoika .
Když jsou silikátové horniny vystaveny vzduchu, podléhají chemickému zvětrávání , které odstraňuje oxid uhličitý z atmosféry. Obecně tyto reakce vypadají takto: minerál + CO 2 + H 2 O → kationty + hydrogenuhličitan + SiO 2 . Příkladem takové reakce je zvětrávání wollastonitu :
CaSiO 3 + 2 CO 2 + 2 H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + 2 HCO 3 -Uvolněné kationty vápníku reagují s rozpuštěným hydrogenuhličitanem v oceánu za vzniku uhličitanu vápenatého jako chemicky vysrážené horniny. Toto přenáší oxid uhličitý ze vzduchu do litosféry a v ustáleném stavu na geologických měřítkách času vyrovnává uvolňování oxidu uhličitého sopkami .
Když se Země ochladí (v důsledku přirozených klimatických výkyvů a změn slunečního záření), rychlost chemických reakcí se zpomalí a tento typ zvětrávání se zpomalí. V důsledku toho se z atmosféry odstraňuje méně oxidu uhličitého. Zvýšení koncentrace oxidu uhličitého, který je skleníkovým plynem , vede k opačnému efektu – Země se otepluje. Tato negativní zpětná vazba omezuje sílu chlazení. V době kryogeneze byly všechny kontinenty v tropickém pásu (blízko rovníku ), díky čemuž byl tento proces zadržování méně účinný, protože na souši byla udržována vysoká rychlost zvětrávání i během ochlazování Země. To umožnilo, aby se ledovce posunuly daleko od polárních oblastí. Když ledovec postoupil dostatečně blízko k rovníku, pozitivní zpětná vazba prostřednictvím zvýšení odrazivosti ( albedo ) vedla k dalšímu ochlazování, dokud nebyla celá Země zaledněna.
Globální teplota klesla tak nízko, že na rovníku bylo chladno jako v dnešní Antarktidě [2] . Tuto nízkou teplotu udržoval led, jehož vysoké albedo způsobilo, že většina přicházejícího slunečního záření se odrazila zpět do vesmíru. Tento efekt byl umocněn malým množstvím mraků způsobeným tím, že vodní pára byla zmrzlá.
Hladina oxidu uhličitého v atmosféře, nezbytná k rozmrazování Země, se odhaduje na 13 %, tedy 350krát více než dnes. Protože Země byla téměř celá pokryta ledem, oxid uhličitý nemohl být odstraněn z atmosféry zvětráváním silikátových hornin. Během milionů let se nahromadilo dostatek CO 2 a metanu , většinou vybuchovaného sopkami, aby způsobily skleníkový efekt, který roztaví povrchový led v tropech a vytvoří pás vody a země bez ledu; tento pás byl tmavší než led, a tak absorboval více sluneční energie, což vyvolalo pozitivní zpětnou vazbu .
Na kontinentech se při tání ledovců odkrylo velké množství ledovcových nánosů, které se začaly hroutit a zvětrávat.
Výsledné oceánské sedimenty, bohaté na živiny, jako je fosfor , spolu s množstvím CO 2 způsobily explozivní růst populací sinic . To vedlo k poměrně rychlému překysličení atmosféry, což může souviset se vznikem ediakarské bioty a následnou „ kambrickou explozí “ – velká koncentrace kyslíku umožnila vývoj mnohobuněčných forem. Tato pozitivní zpětná vazba rozpustila led v geologicky krátké době, možná méně než 1000 let; akumulace kyslíku v atmosféře a pokles obsahu CO 2 pokračovaly několik následujících tisíciletí.
Voda rozpustila zbývající CO 2 z atmosféry a vytvořila kyselinu uhličitou , která spadla jako kyselý déšť . Tím se zvýšením zvětrávání obnažených silikátových a karbonátových hornin (včetně snadno zvětralých ledovcových usazenin) uvolnilo velké množství vápníku, který po smytí do oceánu vytvořil jasně texturované karbonátové sedimenty. Podobné abiotické „korunovací karbonáty“, které lze nalézt na vrcholcích ledovcových tils, poprvé navrhly Zemi sněhovou kouli.
Možná hladina oxidu uhličitého klesla natolik, že Země znovu zamrzla; tento cyklus se mohl opakovat, dokud drift kontinentů nevedl k jejich přesunu do polárních šířek [3] .
Sedimentární horniny uložené ledovcem mají charakteristické rysy, které umožňují jejich identifikaci. Dlouho před hypotézou Země sněhové koule bylo mnoho neoproterozoických usazenin identifikováno jako ledovcové. Některé sedimentární horniny běžně spojované s ledovcem však mohou mít jiný původ. Mezi důkazy patří:
Při tvorbě hornin se magnetické domény ve feromagnetických minerálech přítomných v hornině seřazují v souladu se siločarami magnetického pole Země. Přesné měření tohoto směru umožňuje odhadnout zeměpisnou šířku (ale nikoli délku ), kde hornina vznikla. Paleomagnetické důkazy naznačují, že mnoho neoproterozoických ledovcových sedimentů bylo vytvořeno do 10 stupňů od rovníku [4] . Paleomagnetická data spolu s důkazy ze sedimentů (jako jsou bludné balvany) naznačují, že ledovce dosáhly hladiny moře v tropických zeměpisných šířkách. Není jasné, zda to ukazuje na globální zalednění nebo na existenci místních ledovců, případně vázaných na pevninu [5] .
Mořská voda obsahuje dva stabilní izotopy uhlíku : uhlík-12 (C-12) a vzácný uhlík-13 (C-13), které tvoří přibližně 1,109 % všech atomů uhlíku. Zapalovač C-12 se převážně podílí na biochemických procesech (například při fotosyntéze ). Oceánská fotosyntetika, jak protistové , tak řasy , jsou tedy v porovnání s primárními vulkanickými zdroji pozemského uhlíku poněkud ochuzeny o C-13. Proto v oceánu s fotosyntetickým životem bude poměr C-12/C-13 vyšší v organickém odpadu a nižší v okolní vodě. Organická složka litifikovaných sedimentů zůstává navždy malá, ale je měřitelně ochuzena o uhlík-13. Během předpokládaného globálního zalednění byly změny koncentrace C-13 rychlé a extrémní ve srovnání s pozorovanými normálními změnami [6] . To je v souladu s významným ochlazením, které zabilo většinu nebo téměř všechny fotosyntetické látky v oceánu. Hlavním problémem spojeným s touto hypotézou je určit simultánnost variací v poměru izotopů uhlíku, pro které neexistuje žádné geochronologické potvrzení.
Fero-křemičité formace jsou sedimentární horniny sestávající z vrstev oxidu železa a pazourku chudého na železo . V přítomnosti kyslíku železo rezaví a stává se nerozpustným ve vodě. Železo-křemičité útvary jsou obvykle velmi staré a jejich usazování je často spojováno s okyselením zemské atmosféry během paleoproterozoika , kdy rozpuštěné železo v oceánu kontaktovalo kyslík uvolněný fotosyntézou a vysrážený jako oxid. Vrstvy vzniklé na rozhraní mezi atmosférou bez kyslíku a atmosférou obsahující kyslík. Vzhledem k tomu, že moderní atmosféra je bohatá na kyslík (asi 21 % objemu), není možné nashromáždit dostatek oxidu železa k uložení formace železo-křemičitá. Jediné hromadné železito-křemičité útvary uložené po paleoproterozoiku jsou spojeny s glaciálními uloženinami kryogénu.
Aby se tyto horniny bohaté na železo vytvořily, je zapotřebí anoxický oceán, kde se může nahromadit velké množství rozpuštěného železa jako oxidu železitého, než jej oxidační činidlo vysráží jako oxid železitý. Aby se oceán stal anoxickým, je nutné omezit výměnu plynů s kyslíkovou atmosférou. Zastánci hypotézy věří, že znovuobjevení železo-křemíkových útvarů je důsledkem omezené hladiny kyslíku v oceánu, vázaného ledem [7] .
Shora přecházejí neoproterozoické ledovcové uloženiny obvykle do chemicky uložených vápenců a dolomitů o mocnosti metrů až desítek metrů [8] . Tyto "korunové uhličitany" se někdy nacházejí v řadě sedimentů bez dalších uhličitanů, což naznačuje, že jejich tvorba je výsledkem hluboké změny v chemii oceánu [9] .
Tyto „korunovací karbonáty“ mají neobvyklé chemické složení a podivnou sedimentární strukturu, často interpretovanou jako velké sedimenty [10] . K vytvoření takových sedimentárních hornin mohlo dojít s velkým nárůstem alkality v důsledku vysokých rychlostí zvětrávání během extrémního skleníkového efektu po globálním zalednění.
Masivní zalednění by potlačilo život rostlin na Zemi a následně vedlo k výraznému poklesu koncentrace nebo dokonce úplnému vymizení kyslíku, což umožnilo vznik nezoxidovaných hornin bohatých na železo. Skeptici tvrdí, že takové zalednění mělo vést k úplnému vymizení života, což se nestalo. Zastánci hypotézy jim odpovídají, že život mohl přežít následujícími způsoby.
Ruský paleontolog Michail Fedonkin však poukazuje na to, že moderní údaje (jak paleontologické, tak molekulárně biologické) naznačují, že většina skupin eukaryotických organismů se objevila před neoproterozoickým zaledněním, považuje tento důkaz proti „extrémním paleoklimatickým modelům ve formě hypotézy Země sněhové koule“. aniž bychom popírali roli chlazení v eukaryotizaci biosféry [11] .
Neoproterozoikum bylo dobou výrazné diverzifikace mnohobuněčných organismů, zejména živočichů. Velikost a složitost zvířat vzrostla natolik, že ediakarská fosilní fauna s měkkým tělem umožnila IUGS (Mezinárodní unie geologických věd) rozlišit ediakarské období. Vývoj mnohobuněčných živočichů by mohl být výsledkem četných cyklů zalednění a skleníkového efektu, to znamená, že globální doba ledová by mohla „potlačit“ evoluci. Někteří zastánci teorie sněhové koule také poukazují na skutečnost, že poslední významné zalednění mohlo skončit několik milionů let před začátkem „ kambrické exploze “. M. Fedonkin zdůvodnil hypotézu o roli studenovodních biotopů při vzniku mnohobuněčných živočichů a vytěsnění prokaryot eukaryoty [12] .
Na základě výsledků modelování klimatu dospěl Dick Peltier z University of Toronto k závěru, že velké oceánské oblasti měly zůstat bez ledu, přičemž argumentoval, že „silná“ verze hypotézy je nepravděpodobná na základě energetické bilance a modelů globálního oběhu . 13] .
Sedimentární horninový diamiktit, obvykle interpretovaný jako ledovcové ložisko, byl také interpretován jako bahenní sediment (Eyles a Januszczak, 2004).
Jednou z konkurenčních hypotéz vysvětlujících přítomnost ledu na rovníkových kontinentech je vysoký sklon zemské osy, asi 60°, který zařadil zemskou pevninu do vysokých „šířkových šířek“. Slabší verze hypotézy předpokládá pouze migraci zemského magnetického pole k tomuto svahu, neboť čtení paleomagnetických dat, která hovoří o zaledněních v nízkých zeměpisných šířkách, je založeno na blízkosti magnetického a geografického pólu. V kterékoli z těchto dvou situací bude zalednění omezeno na relativně malou oblast, jako je tomu nyní, a radikální změny zemského klimatu nebudou potřeba.
Dalším alternativním vysvětlením získaných dat je koncept inerciálního skutečného posunutí pólů. Tento koncept navržený Kirschvinkem a dalšími v červenci 1997 naznačuje, že zemské hmoty by se mohly pohybovat mnohem rychleji, než se dříve myslelo, díky fyzikálním zákonům, které řídí rozložení hmoty na planetě jako celku. Pokud se kontinenty příliš vzdálily od rovníku, může se celá litosféra posunout a vrátit je zpět rychlostí stokrát vyšší než normální tektonické pohyby. Mělo by to vypadat, jako by se magnetický pól pohyboval, zatímco ve skutečnosti se vůči němu kontinenty přeskupovaly. Tuto myšlenku zpochybnili Torsvik (1998), Mert (Meert, 1999) a Torsvik a Rehnstorm (2001), kteří prokázali, že rozsah pohybu tyče navrhovaný Kirshvinkem (1997) je pro podporu hypotézy nedostatečný. I když je tedy geofyzikální mechanismus skutečného pohybu pólů věrohodný, totéž nelze říci o myšlence, že k podobné události došlo v kambriu.
Pokud k takovému rychlému pohybu došlo, musí být zodpovědné za existenci takových rysů zalednění v časových intervalech blízkých rovníkové poloze kontinentů. Inerciální skutečný pohyb pólů byl také spojen s kambrickou explozí , protože zvířata se musela přizpůsobit rychle se měnícímu prostředí.
Je nepravděpodobné, že by globální zalednění inicioval pouze jeden faktor. Naopak se muselo shodovat několik faktorů.
Globální zalednění vyžaduje nízkou úroveň skleníkových plynů : oxid uhličitý, metan a vodní páru.
Koncentrace kontinentů v blízkosti tropů je nezbytná pro nástup globálního zalednění. Více srážek v tropech vede ke zvýšení průtoku řeky, která pohřbívá více uhličitanů a odstraňuje oxid uhličitý z atmosféry. Polární kontinenty jsou kvůli nízkému odpařování příliš suché na tak velké ukládání uhlíku. Postupné zvyšování podílu izotopu uhlíku-13 vzhledem k uhlíku-12 v sedimentech, které předcházelo varjažskému zalednění , naznačuje, že se jedná o pomalý postupný proces [14] .
Sir Douglas Mawson, australský geolog a průzkumník Antarktidy, strávil většinu své kariéry zkoumáním geologie jižní Austrálie. Tam našel silná a rozšířená neoproterozoická ledovcová ložiska a následně spekuloval o možnosti celosvětového zalednění. [15] Mawsonova myšlenka však vycházela z mylného předpokladu, že Austrálie a další tropické kontinenty s důkazy o minulých zaledněních zůstávají po celou dobu ve stejné zeměpisné poloze. Následné přijetí teorie deskové tektoniky poskytlo jednodušší vysvětlení pro ledovce v nízkých šířkách: sedimenty se ukládaly ve vysokých šířkách a následně se kontinentálním driftem přesunuly do současných poloh v nízkých šířkách.
Myšlenka globálního zalednění byla oživena v roce 1964, kdy Brian Harland publikoval článek, ve kterém interpretoval paleomagnetická data jako důkaz, že ledovcové tility na Svalbardu a Grónsku byly uloženy v tropických zeměpisných šířkách. [16] To bylo následně potvrzeno sedimentologickými důkazy, že ledovcové usazeniny byly obsaženy v posloupnosti hornin normálně spojených s tropickými a mírnými zeměpisnými šířkami, a Harland dospěl k závěru, že doba ledová byla tak závažná, že se ledovcové usazeniny tvořily i v tropech.
V 60. letech 20. století vytvořil sovětský klimatolog Michail Budyko jednoduchý model klimatické energetické bilance, aby studoval vliv ledové pokrývky na globální klima. Pomocí tohoto modelu Budyko zjistil, že pokud se ledovce posunou dostatečně daleko od polární zóny, pak pozitivní zpětná vazba zvyšující se odrazivosti (albeda) ledového příkrovu povede k dalšímu ochlazování a většímu zalednění, dokud nebude celá Země pokryta ledem. [17] Po zalednění se Země v tomto stavu stabilizuje díky vysokému albedu ledu, který odráží většinu slunečního záření. Protože Budykův model vykazoval takovou stabilitu zalednění, dospěl k závěru, že se to nikdy nestalo: v jeho modelu nebyl žádný způsob, jak se z tohoto stabilního stavu dostat.
James Gleick ve své populárně vědecké knize o historii teorie chaosu , Chaos: Creating a New Science (1987), pojednávající o glaciální rovnováze zemského klimatu (nazývaného jím „Bílá Země“), také dospěl k závěru, že situace je pouze teoretickou možností, která se nikdy v historii Země nestala.
V roce 1992 Joseph Lynn Kirschvink, profesor geobiologie na Kalifornském technologickém institutu, vymyslel termín „Země sněhové koule“ v krátkém článku publikovaném v mezioborovém svazku o biologii proterozoika [7] . V této práci Kirschvink navrhl mechanický proces k vysvětlení záhadných ledovcových usazenin v nízkých zeměpisných šířkách: samoudržující se proces růstu ledu a albeda vede k zalednění Země, které končí po dlouhodobém vypouštění oxidu uhličitého vulkány. ultra-skleníkový efekt, způsobující rychlé tání ledové pokrývky. Jeho hlavním přínosem bylo, že předvedl cestu výstupu Země z ledového stavu popsaného v The End of the Ice Age .
Zájem o hypotézu Země sněhové koule výrazně vzrostl poté, co Paul F. Hoffman, profesor geologie na Harvardské univerzitě a spoluautoři, publikoval článek v časopise Science aplikující Kirschwinkovy myšlenky na sekvenci neoproterozoických sedimentů v Namibii [18] .
Skupina autorů, založená na sedimentární chemii kryogenu v Ománu , popsala aktivní hydrologické cykly a změny klimatu, které vyvedly Zemi z plně zaledněného stavu. Pomocí poměru mobilních kationtů k těm, které zůstaly v půdě během chemického zvětrávání (index chemické alterace), došli k závěru, že intenzita chemického zvětrávání se cyklicky měnila, rostla během interglaciálů a klesala během studených a suchých zalednění [19] .
V současné době debata kolem hypotézy pokračuje pod záštitou International Geoscience Programme – projekt 512 „Neoproterozoic Ice Age“ [20] .
Hypotéza Země sněhové koule byla použita k vysvětlení ledovcových usazenin v kanadské huronské superskupině, ačkoli paleomagnetický důkaz pro ledovce v nízkých zeměpisných šířkách je kontroverzní. [21] [22] Ledovcová ložiska jihoafrického souvrství McGuyen jsou o něco mladší než huronská ledovcová ložiska (stáří přibližně 2,25 miliardy let) a vznikla v tropických zeměpisných šířkách. [23] Předpokládalo se, že zvýšení koncentrace volného kyslíku během této části paleoproterozoika odstranilo metan z atmosféry, čímž došlo k jeho oxidaci. Vzhledem k tomu, že Slunce bylo v té době mnohem slabší než nyní, byl to metan jako silný skleníkový plyn, který dokázal zabránit zamrznutí zemského povrchu. Při absenci metanového skleníkového efektu teploty klesly a došlo ke globálnímu zalednění [22] .
Objev karbonských ledovcových ložisek v Indii a Jižní Africe , nyní umístěných v tropech, vedl k časným spekulacím, že zalednění v té době dosáhlo tropů, nicméně objev kontinentálního driftu ukázal, že všechna ledovcová území byla seskupena kolem jižního pólu v r. superkontinent Gondwana .
interakce: Původ nejnižší známé delty O-18 silikátové horniny na Zemi v paleoproterozoické Karelské trhlině. Geologie, 38, 631-634. doi:10.1130/G30968.1
Země | ||
---|---|---|
Historie Země | ![]() | |
Fyzikální vlastnosti Země | ||
Skořápky Země | ||
Geografie a geologie | ||
životní prostředí | ||
viz také | ||
|