地球歷史上有過多次氣候異常狀況。5500萬年前是地球歷史上最熱的時期之一，那時全球氣溫平均升高了9℃；2.1萬年前，北美和歐洲的大部分地區(qū)是冰天雪地，海平面下降了一百多米……如果要說地球歷史上最極端的氣候時期，那應(yīng)該算是6億或7億年前的“雪球地球”了。
“冰雪地球”假說認(rèn)為，在距今約7.5億到5.8億年前，地球曾進(jìn)入了漫長的冰河時期——瓦蘭吉爾時期。從太空看，地球宛如一個巨大的雪球。那時候不僅陸地被冰雪覆蓋，就連海洋表面也全都結(jié)成冰層。地球液態(tài)水僅存在于1公里厚的冰層一下。曾經(jīng)一度有科學(xué)家對“冰雪地球”假說提出質(zhì)疑，但是近年來發(fā)現(xiàn)的一些事實卻為支持這一假說提供了有力的證據(jù)。
銥是伴隨隕星物質(zhì)散落在地球上的化學(xué)元素，維也納大學(xué)的一個地球化學(xué)研究小組經(jīng)研究認(rèn)為，富含銥元素的宇宙塵埃會在一個“冰雪地球”上不斷沉積，直到冰雪突然融化，已經(jīng)沉積下來的銥元素便會積聚到很薄的單層海底沉積物中。地球的冰封期越長，那么沉積物中的銥元素含量越高。只有地球曾經(jīng)完全冰封才可能出現(xiàn)這種沉積，即便有一部分海洋沒有結(jié)冰，銥元素也不會積聚。
研究人員通過對三份來自贊比亞和剛果銅礦中的巖芯樣本進(jìn)行分析，在取自冰川沉積物頂層的數(shù)厘米沉積物中發(fā)現(xiàn)了在某些時期銥元素非常豐富。在三份樣本中都發(fā)現(xiàn)了瓦蘭吉爾冰期沉積的銥元素。據(jù)研究人員推測，地球那一段的冰雪時期大概持續(xù)了一千多年的時間。
在“冰雪地球”假說中，地球歷史上的冰期出現(xiàn)過好幾次。這種極端寒冷的氣候并沒有一直持續(xù)，而是分為了好幾段冰河時期，在這幾段時期內(nèi)存在著比較溫暖的“間冰期”。地質(zhì)學(xué)家們在全球范圍內(nèi)搜尋能夠證明新元古代冰期事件的證據(jù)，他們推斷最多出現(xiàn)了四次嚴(yán)寒的地球冰期，它們分別是凱噶斯冰期、司圖特冰期、馬林諾冰期和噶斯奇厄斯冰期。其中只有司圖特冰期和馬林諾冰期被證實曾經(jīng)分布全球，其余兩個冰期只在地球少數(shù)地方出現(xiàn)。所以我們平常所說的“冰雪地球”就是指司圖特和馬林諾這兩次冰期，這兩次冰期之間也存在著數(shù)千萬年的“間冰期”。
關(guān)于地球是如何變成一個“雪球”的，這個問題一直眾說紛紜。有人認(rèn)為，地球進(jìn)入冰雪時期是因為地球繞太陽公轉(zhuǎn)的時候，一個厚重的云層朝地球落入了大量的塵埃粒子，這些粒子擋住了太陽的熱輻射，因此導(dǎo)致地球溫度下降，最終形成“冰雪地球”；有人認(rèn)為是小行星或者彗星的撞擊激起大量塵土遮天蔽日，從而導(dǎo)致了“冰雪地球”形成；還有人認(rèn)為，地球冰期同太陽輻射強度有關(guān)�，F(xiàn)代高緯地區(qū)出現(xiàn)冰川就是因為那里太陽輻射弱的緣故，倘若新元古代的地球地軸發(fā)生了傾斜，使得氣候的分布和今天相反，那么冰川作用便只會作用在中低緯度，兩級便不會出現(xiàn)冰川。這就可以用來解釋為什么當(dāng)時在赤道附近有冰川出現(xiàn)。這些假設(shè)都沒有確鑿的證據(jù)支持，于是很多科學(xué)家從地球系統(tǒng)內(nèi)部尋找“冰雪地球”的成因。
20世紀(jì)60年代，地球物理學(xué)家布迪科提出的“冰川災(zāi)變”模型吸引了科什溫克的注意。眾所周知，太陽是地球熱量的主要來源，而地球上的冰雪便能像鏡子一樣將太陽光反射出去。如果這面“鏡子”足夠大，就會反射足夠多的太陽光，從而導(dǎo)致地球氣溫降低�，F(xiàn)代地球只有兩級地區(qū)覆蓋著冰雪，所以反射太陽光降低溫度的作用不是很明顯。如果兩級的冰雪面積達(dá)到一定程度的話，就很可能導(dǎo)致地球溫度大幅度下降。這樣一來又會使得反射的太陽光進(jìn)一步增加，溫度進(jìn)一步下降。如此便形成了一個惡性循環(huán)。布迪科認(rèn)為，如果冰雪覆蓋到南北緯30°左右的時候，整個地球的氣候系統(tǒng)便失去控制，冰雪會進(jìn)一步蔓延到赤道附近，使得全部地球被冰雪覆蓋。
類似這樣的冰雪災(zāi)難在其他星球上是出現(xiàn)過的，而且是不可逆轉(zhuǎn)的。那么為什么地球卻可以化險為夷呢？又是什么最早觸發(fā)了地球兩極冰蓋的擴張，導(dǎo)致“冰川災(zāi)變”開始的呢？面對一系列的疑問，科什溫克以及后來的霍夫曼等人終于找到了解決這些問題的一個關(guān)鍵，即大氣中的二氧化碳的變化。
9億年前，大陸板塊在赤道附近重新組合成一個新大陸，即“羅迪尼亞”超大陸。但是到了8.2億年前左右的時候，一次巨大的火山事件使得羅迪尼亞大陸發(fā)生分裂，這次大分裂使得各個大陸的海岸線大大加長。增長后的海岸線使得海洋得到了更多的來自大陸的營養(yǎng)物質(zhì)，海洋中的微生物和藻類生長的更加旺盛。通過光合作用，微生物和藻類將大量的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機體并埋藏在地下。大氣中二氧化碳的減少造成了地球的“冰室效應(yīng)”，地球溫度下降便進(jìn)一步推動了“冰川災(zāi)變”，從而使得地球氣候失去控制并最終形成了“冰雪地球”。
在“雪球地球”時期，大面積的冰雪覆蓋使得生物無法進(jìn)行光合作用，巖石的風(fēng)化作用也幾乎完全終止。那時候只有火山是活躍的，它們持續(xù)不斷的釋放二氧化碳，幾百萬年后，大氣中的二氧化碳已經(jīng)是現(xiàn)在大氣的350倍了，因此地球上便出現(xiàn)了“超級溫室效應(yīng)”，使得地球上的冰雪迅速融化。
關(guān)于溫室氣體的變化，法國國家科學(xué)研究中心的唐納狄歐和他的合作者認(rèn)為，“超級地幔柱”能夠在赤道附近形成大規(guī)模的玄武巖。玄武巖可以和大氣中的二氧化碳發(fā)生風(fēng)化作用。如果“超級地幔柱”能夠產(chǎn)生足夠大面積的玄武巖，那么通過風(fēng)化作用便可以大大消耗掉二氧化碳，短期內(nèi)降低大氣中二氧化碳濃度。那時候的太陽輻射比現(xiàn)在要弱，所以這就能夠觸發(fā)“冰室效應(yīng)”，最終導(dǎo)致“雪球地球”產(chǎn)生。
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