«Земля — снежный ком» ( или Земля-снежок) — гипотезаКраткое упрощённое описание — см. в книге Tjeerd van Andel New Views on an Old Planet: A History of Global Change (Cambridge University Press) (1985, second edition 1994)., предполагающая, что Земля была полностью покрыта льдом в части криогенового и эдиакарского периодов неопротерозойской эры, а также, возможно, в другие геологические эпохи. Гипотеза призвана объяснить отложения ледниковых осадков в тропических широтах во время криогения (720—635 млн лет назад) и другие загадочные черты геологической истории Земли. После окончания последнего большого оледенения произошёл качественный скачок эволюции многоклеточных.
Учёные выделяют в криогеновом периоде два глобальных оледенения: Стертское (717—~660 млн лет назад) Мариноанское (или Протерозойское; 650—635 млн лет назад) Также сюда можно отнести ещё одно оледенение, Гуронское (2,4—2,1 млрд лет назад) — самый длительный и самый масштабный ледниковый период за всю историю Земли, охватывающий сидерийский и рясийский период палеопротерозоя.
Формулировка гипотезы
Начало ледникового периода Соприкасаясь с воздухом, силикатные горные породы подвергаются химическому выветриванию, которое удаляет диоксид углерода из атмосферы. В общем виде эти реакции выглядят так: минерал + CO2 + H2O → катионы + бикарбонат + SiO2. Пример подобной реакции — выветривание волластонита: CaSiO3 +2 CO2 +H2O → Ca2+ + SiO2 + 2 HCO3−
Освобождённые катионы кальция реагируют с растворённым бикарбонатом в океане, образуя карбонат кальция как химически осаждённую горную породу. Это переводит углекислый газ из воздуха в литосферу, и в стабильном состоянии на геологических масштабах времени компенсирует выделение углекислого газа вулканами.
Когда Земля охлаждается (из-за естественных климатических флуктуаций и изменений в солнечной радиации), скорость химических реакций падает, и этот тип выветривания замедляется. В результате из атмосферы извлекается меньшее количество углекислого газа. Повышение концентрации диоксида углерода, являющегося парниковым газом, приводит к обратному эффекту — Земля разогревается. Эта отрицательная обратная связь лимитирует силу похолодания. Во времена криогения все континенты находились в тропическом поясе (возле экватора), что делало этот сдерживающий процесс менее эффективным, так как высокая скорость выветривания сохранялась на суше даже во время охлаждения Земли. Это позволило ледникам продвинуться далеко от полярных регионов. Когда ледник продвинулся достаточно близко к экватору, положительная обратная связь через увеличение отражательной способности (альбедо) привела к дальнейшему похолоданию, пока Земля целиком не обледенела.
Во время ледникового периода Глобальная температура упала так низко, что на экваторе было так же холодно, как в современной Антарктиде . Эта низкая температура поддерживалась льдом, высокое альбедо которого приводило к тому, что большая часть приходящего солнечного излучения отражалась обратно в космос. Этот эффект усиливало малое количество облаков, вызванное тем, что водяной пар был заморожен.
Окончание ледникового периода Уровень углекислого газа в атмосфере, необходимый для разморозки Земли, оценивается как 13 %, то есть в 350 раз больше современного. Так как Земля была почти полностью покрыта льдом, диоксид углерода не мог быть удалён из атмосферы путём выветривания силикатных пород. За миллионы лет накопилось количество CO2 и метана, в основном извергнутых вулканами, достаточное для возникновения парникового эффекта, растопившего поверхностный лёд в тропиках до образования пояса свободных ото льда воды и суши; этот пояс был темнее, чем лёд, и поэтому поглощал больше солнечной энергии, запуская положительную обратную связь.
На материках таяние ледников обнажило большое количество ледниковых отложений, которые начали разрушаться и выветриваться.
Попавшие в результате этого в океан осадки, богатые такими биогенами, как фосфор, вкупе с обилием CO2, вызвали взрывной рост популяций цианобактерий. Это привело к относительно быстрой реоксигенации атмосферы, которая может быть связана с возникновением эдиакарской биоты и последующим «Кембрийским взрывом» — большая концентрация кислорода позволила развиться многоклеточным формам. Эта петля положительной обратной связи растопила лёд в геологически короткое время, возможно, меньшее, чем 1000 лет; накопление в атмосфере кислорода и падение содержания CO2 продолжалось несколько последующих тысячелетий.
Вода растворила остатки CO2 из атмосферы, образовав угольную кислоту, выпавшую в виде кислотных дождей. Это, усилив выветривание обнажённых силикатных и карбонатных горных пород (включая легко выветриваемые ледниковые наносы), освободило большие количества кальция, который, будучи смыт в океан, сформировал ясно текстурированные карбонатные осадки. Подобные абиотические «венчающие карбонаты», которые могут быть найдены на вершине ледниковых тилей, впервые навели на мысль о Земле-снежке.
Возможно, уровень углекислого газа упал настолько, что Земля вновь замёрзла; этот цикл мог повторяться до тех пор, пока дрейф континентов не привёл к их перемещению в более полярные широты.
Аргументы в пользу гипотезы
Ледниковые отложения в низких широтах Осадочные горные породы, отложенные ледником, имеют характерные черты, позволяющие идентифицировать их. Задолго до появления гипотезы Snowball Earth многие отложения неопротерозоя были идентифицированы как ледниковые. Однако некоторые осадочные породы, обычно связываемые с ледником, могут иметь и другое происхождение. Свидетельства включают в себя: эрратические валуны (камни, упавшие в морские осадки), которые могут быть вызваны ледником или другими причинами; слоистость (ежегодные отложения осадков в приледниковых озёрах); ледниковая исчерченность (образуется, когда обломки пород, подхваченные ледником, царапают подстилающую породу): подобная исчерченность иногда вызывается селями. Очень низкий (ледниковый) изотопный состав кислорода (δ18O) в породах, подвергшихся взаимодействию с ледниковыми водами в низких широтах, например в Карелии, которая находилась близко к экватору во время Гуронских оледенений 2,4 миллиарда лет назад.
Палеомагнетизм При формировании горных пород магнитные домены в ферромагнитных минералах, имеющихся в породе, выстраиваются в соответствии с силовыми линиями магнитного поля Земли. Точное измерение этого направления позволяет оценить широту (но не долготу), где была сформирована порода. Палеомагнитные данные говорят о том, что многие неопротерозойские осадки ледникового происхождения были образованы в пределах 10 градусов от экватора. Палеомагнитные данные вместе со свидетельствами, полученными из осадков (такие, как эрратические валуны) говорят о том, что ледники доходили до уровня моря в тропических широтах. Неясно, говорит ли это о глобальном оледенении или о существовании локальных, возможно ограниченных сушей, ледников.
Соотношение изотопов углерода: отсутствие фотосинтеза В морской воде присутствуют два стабильных изотопа углерода: углерод-12 (С-12) и редкий углерод-13 (С-13), составляющий примерно 1,109 % всех атомов углерода. В биохимические процессы (в фотосинтез, например) преимущественно вовлекается более легкий С-12. Таким образом, океанические фотосинтетики, и протисты, и водоросли, несколько обеднены С-13 относительно первичных вулканических источников земного углерода. Поэтому у океана с фотосинтетической жизнью отношение С-12/С-13 будет выше в органических остатках и ниже в окружающей воде. Органический компонент литифицированных осадков навсегда остается немного, но измеряемо обеднен углеродом-13. Во время предполагаемого глобального оледенения вариации концентрации С-13 были быстрыми и экстремальными относительно наблюдаемых нормальных вариаций. Это согласуется со значительным похолоданием, убившим большинство или почти всех фотосинтетиков в океане. Основной вопрос, связанный с этой гипотезой, состоит в определении одновременности вариаций в соотношении изотопов углерода, геохронологическое подтверждение чего отсутствует.
Железисто-кремниевые формации
Железисто-кремниевые формации — осадочная порода, состоящая из слоев оксида железа и бедного железом кремня. В присутствии кислорода железо ржавеет и становится нерастворимым в воде. Железисто-кремниевые формации обычно очень старые, и их отложение часто связано с окислением земной атмосферы во время Палеопротерозоя, когда растворённое железо в океане контактировало с выделенным фотосинтетиками кислородом и осаждалось в виде оксида. Слои формировались на границе между бескислородной и кислородсодержащей атмосферой. Так как современная атмосфера богата кислородом (примерно 21 % по объёму), невозможно накопить достаточно оксида железа для откладки железисто-кремниевой формации. Единственные массовые железисто-кремниевые формации, отложенные после палеопротерозоя, связаны с ледниковыми отложениями криогения.
Для того, чтобы сформировались подобные богатые железом горные породы, необходим бескислородный океан, где большое количество растворённого железа в виде оксида железа (II) может накопиться до того, как окислитель осадит его в виде оксида железа (III). Чтобы океан стал бескислородным, необходимо ограничение газообмена с кислородной атмосферой. Сторонники гипотезы считают, что повторное появление железисто-кремниевых формаций — результат ограниченного уровня кислорода в океане, скованном льдом.
«Венчающие карбонаты» Сверху неопротерозойские ледниковые отложения обычно переходят в химически осаждённые известняки и доломиты толщиной от метров до десятков метров. Эти «венчающие карбонаты» иногда находятся в последовательности осадков, не имеющих других карбонатов, что позволяет предположить, что их формирование — результат глубокого изменения химии океана.
Эти «венчающие карбонаты» имеют необычный химический состав и странную осадочную структуру, часто интерпретируемую как большие наносы. Формирование таких осадочных пород могло случиться при большом увеличении щелочности из-за высоких темпов выветривания во время экстремального парникового эффекта, последующего за глобальным оледенением.
Выживание во время ледниковых периодов
Грандиозное оледенение должно было подавить растительную жизнь на Земле и, следовательно, привести к значительному снижению концентрации или даже полному исчезновению кислорода, что позволило образоваться неокисленным, богатым железом породам. Скептики утверждают, что такое оледенение должно было привести к полному исчезновению жизни, чего не произошло. Сторонники гипотезы отвечают им, что жизнь могла выжить следующими путями. Оазисы анаэробной и аноксифильной жизни, питаемые энергией глубоководных гидротерм, выживали в глубине океанов и коры — но фотосинтез был там невозможен. В открытом океане, вдалеке от суперконтинента Родиния или его осколков после его распада, могли остаться небольшие участки открытой воды, сохранившие жизнь с доступом света и углекислого газа для фотосинтетиков, дававших небольшие количества кислорода, достаточные для поддержания некоторых оксифильных организмов. Такой вариант возможен и в том случае, если океан замёрз полностью, но небольшие участки льда были достаточно тонки, чтобы пропускать свет. На нунатаках в тропиках, где днём тропическое солнце или вулканическое тепло разогревали скалы, защищённые от холодного ветра, и образовывали временные талые водоёмы, замерзавшие после заката. Споры и покоящиеся стадии живых организмов, вмороженные в лёд, могли пережить наиболее тяжёлые фазы оледенения. Под слоем льда, в хемолитотрофных экосистемах, теоретически ожидаемых в ложах современных ледников, высокогорной и арктической вечной мерзлоте. Особенно вероятно это в зонах вулканизма или геотермальной активности. В бассейнах жидкой воды внутри и под слоем льда, подобно озеру Восток в Антарктиде. Согласно теории, эти экосистемы подобны микробным сообществам, живущим в постоянно замёрзших озёрах антарктических сухих долин.