[科普中国]-雪球地球：地球是否被完全快速封冻？事实可能并非如此

众所周知，地球历史上最近的一次冰期，是距今大约2万年前的末次盛冰期，当时地球上百分之24的陆地被冰雪覆盖，全球海平面比现在低将近130米，北美和北欧被厚厚的冰盖所覆盖；但是这次冰期和“雪球地球”事件的程度相比，则差距甚远。那么什么是“雪球地球”呢？“雪球地球”：地球的平均温度低于现在全南极的平均气温“雪球地球”“雪球地球”这一说法通常是指距今6.5亿年前后地球整个地表或者几乎整个地表被冰雪覆盖的时期。地球曾一度变得极为寒冷，地质学家们通常称这一时期为“雪球地球（Snowball Earth）”。科学家认为，在雪球地球时期，地球的平均温度低于现在全南极的平均气温，和现在南极内陆的平均温度接近，达到了零下40-50摄氏度。我国南极昆仑站所在的南极冰穹A区域，年平均温度约为-54摄氏度，是南极最冷的区域之一。雪球地球时期，地球从高纬度的极地到低纬度的赤道区域，无论陆地还是海洋，全被被冰雪覆盖，冰层的平均厚度可以达到1公里，大约是333层楼高。不过，至今，雪球地球的说法仍然是一种假说，其存在的证据主要来自地球低纬度区域发现的冰川沉积以及古地磁、碳同位素等地质学方面的研究结果。雪球地球是否存在的争议主要来自于缺少全球性的冰川作用地质学证据和海洋被冰雪封冻的地球物理学观测证据。另外，如果雪球地球存在，那么当时地球的一些生命形式可能无法存活，但有证据显示当时地球上存在复杂的光合作用有机体。这也涉及到本文下面要讨论的问题——雪球地球的冰冻范围和程度。如果雪球地球时期，地球仍有少量近赤道的低纬度区域有未被封冻的海洋，那么就可以解释早起生命形式逃过雪球地球的浩劫，而且，还可以引出地球后续的“寒武纪生命大爆发”事件。关于雪球地球的形成原因、雪球地球的冰雪覆盖程度和冰冻冰退速度，一般认为是初期的某个变冷机制，导致地球冰雪覆盖增多，进而增加了反照率，促发正反馈，最终导致地球整个被冰雪覆盖。科学家认为，这种快速冻结通常是由“冰反射率反馈”机制造成的。这就是说，冰层一旦形成，太阳光就会因冰的高反射率而更多地散射到太空中，从而让大气的温度降低，大气温度的降低则会反过来让冰层更厚，如此循环往复。在这种情况下，变冷的过程被不断“雪上加霜”，导致地球的大部分地区被冻结。那么，到底是什么样的事件和原因导致地球开始变冷，最终迈入雪球地球时期呢？一种说法是超级火山的爆发。有研究表明，在大约7亿年前，从现在的阿拉斯加到格陵兰的区域爆发了灾难性的火山活动。大规模的、长期的火山喷发产生的气溶胶可能是导致“雪球地球”的罪魁祸首。地球漫长的历史过程中，同样规模的火山爆发发生过多次，但这次的火山爆发有其特殊性。一方面，当时的火山喷发，地底的火山岩穿过了富硫沉积物层，这些沉积物以二氧化硫的形式进入大气，阻断了太阳辐射，导致地球出现明显的降温。例如，1991年发生在菲律宾的皮纳图博火山爆发，出现过类似的情况，当时的火山爆发向大气中喷射了两千万吨二氧化硫，导致当年全球平均气温降低了约0.5摄氏度。另一方面，在大约7亿年前，由于大陆漂移的结果，此次大型火成岩区位于靠近赤道的位置——这一区域的太阳辐射对保持地球温暖具有重要的作用，而火山释放的二氧化硫气体正好笼罩了这个地方，从而导致地球的变冷。最后是火山爆发时机。通常在地球非常温暖的历史时期，火山爆发的冷却效应不会有很重大的影响，但在寒冷的时期，地球的气候变得特别容易受这种火山爆发的影响。多种因素作用下，促发了地球的进一步连续降温，使地球进入雪球地球时期。第二种说法是温室气体减少。这一观点认为，在雪球地球之前，原本位于赤道附近的超大陆的裂解，增加了赤道附近海洋的面积，海洋中的生命形式迅速消耗大气中的二氧化碳，造成大气中二氧化碳含量迅速减少。二氧化碳是我们熟知的温室气体，也是被认为导致现在全球变换的主要因素。雪球地球初期空气中温室气体的减少，导致了地球温度的降低，最终促发了地球后续的变冷过程。第三种说法是板块构造。板块构造理论是在上世纪60年代末形成的一种理论，即地壳和上地幔由多个板块组成，这些板块会缓慢移动，从而发生分离或碰撞。地球是太阳系中唯一适用板块构造理论的星球，其他行星更常见的是只有一个固体外壳。研究表明地球的板块构造运动在8亿到6亿年前开始，从单一的固体外壳分离为多个板块。板块构造运动可能引发了地球表面的变化，通过重新分布大陆、增加爆炸弧火山作用和刺激地幔柱来扰乱海洋和大气，从而导致了雪球地球的出现。当然，还有其他说法，包括当时太阳能量的变化和地球轨道的扰动等。虽然通过现有的证据可以推断出雪球地球的多种可能的成因，但是目前还很难确定到底是什么原因导致地球进入了雪球地球时期，可能是其中之一，也可能是多种原因的共同作用。“雪球地球”是极速形成的吗？雪球地球的不同的成因，导致的雪球地球的形成速度肯定是不同的。2017年的一项研究，科学家通过分析埃塞俄比亚的一个岩石层序，发现了一种名为“混杂陆源沉积岩”的7.17亿年前的岩石。由于这种岩石只能是大块的岩石通过冰川作用的长距离输送才能形成，因此，推测距今7.17亿年前左右，这一区域存在冰川作用，证明了雪球地球存在的可能性。更为重要的是，科学家在混杂陆源沉积岩层的下发现了更古老的碳酸盐层。这些碳酸岩是在早前超级大陆分解时期由海洋微生物在非常温暖的海水中形成的。由此推测，在当时，这里先后经历了温暖的海洋环境和寒冷的冰川环境，而这一转变过程可能持续了1000到10万年。虽然无法从该地的快速变冷过程准确判断出雪球地球的形成速度，但是通过最快千年的时间尺度可以推测，雪球地球的形成速度可能是非常快的。关于雪球地球消退的说法，则主要是认为地球后来的火山爆发，产生了大量的温室气体，这些温室气体导致地球开始升温，地表的冰层开始向极地方向退缩，地表对太阳能量的吸收增强，从而进入升温的良性循环，最终将地球从雪球地球时期拯救出来。“雪球地球”时期完全冰封了吗？在雪球地球时期，地球被完全冰封还是在相对温暖的赤道区域仍存有少量的开放海域，是雪球地球的重要争议之一。自上世纪90年代雪球地球的概念被首次提出后，地球被冰雪完全覆盖的观点受到了多方面证据的挑战。来自雪球地球时期的沉积物记录显示，相关的沉积物的一些特征只能在开放海域或者冰层发生进退的过程中产生；从碎屑岩中观察到的地球化学旋回性特征中发现雪球地球时期存在冷暖交替，类似于南极冰芯记录中的冰期-间冰期旋回现象；如果认为地球被完全封冻，基于该认识的雪球地球气候计算机模式无法建立。当然，还有无法解释当时地球上的有机体如何能够幸存的原因。近期，我国的科学家通过对华南马里诺冰期(6.51亿~6.35亿年前)的沉积记录开展的沉积学研究，发现这一时期存在多次冰进-冰退的旋回，进一步表明“雪球地球”时期，地球的气候存在冷暖交替，并不是被完全封冻的。南极冰穹C的80万年深冰芯气候记录和海洋沉积物气候记录最后，雪球地球发生在距今5-8亿年的地质历史时期，是地球经历的一段特殊的冰冻过程，了解雪球地球的成因、形成过程和消退等，对于认识地球的历史演化和未来演变有重要的科学价值。来自地质学等方面的证据和研究，对于认识这一时期有重要的帮助。不过，关于雪球地球仍存在诸多争议和不确定性，甚至不同的地质学证据之间，也存在不一致性。总之，关于雪球地球时期的地球气候演化过程，学者们一直在进行研究，但由于各地的考察对象不同，一些结论在细节上可能暂时无法完全统一。但是问题中对于雪球地球讨论的是两个方面：速度与程度，所以是不相矛盾的。作者 | 崔祥斌 中国极地研究中心研究人员文章由“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”