雪球地球

最近估計的新元古代冰河期之時間與其長度。注意到有非常大的不確定性出現在Gaskiers冰河期之前。Kaigas 的狀態目前仍不明。可能出現在更早期且為期更長的休倫冰河時期在此處並未顯示。

雪球地球（Snowball Earth）也稱冰室地球（Icehouse Earth），是地史學上為了解釋一些史前地質現象而提出的假說，認為在地球地質歷史上曾經出現過冰雪覆蓋所有地表（陸地和海洋）的冰河期。此詞通常專指成冰紀大冰期（Cryogenian Ice Age），即元古宙新元古代成冰紀發生過至少一次嚴重的全球性冰期，以至於地球上的陸地和海洋全部被凍結，僅僅在厚達兩公里的冰層下存有少量因地熱活動而融化的液態水。

加州理工學院地質教授約瑟夫·柯世韋因克於1992年首度使用「雪球地球」這個詞，並得到了哈佛大學地質教授保羅·菲利克斯·霍夫曼及其同事丹尼爾·施拉格的大力支持和完善。但學術界對此也有爭議，主要針對冰凍圈是否完全覆蓋了整個行星表面且在赤道附近的陸地和海洋，是否有液態缺口——即所謂的「雪泥地球」（Slushball Earth）。

## 概述

從1960年代以來，人們就假想地球諸大陸曾經遭受過一次嚴重的冰凍，時間是迄今約7.5億到5.8億年前。這個時期地史上稱為冰河期。後來古生物學家W. Brian Harland指出該時期的冰漬沉積物遍布全球，並提出那個時候全球冰封的觀點。

該假說的問題在於，儘管全球各處均遍布冰川痕跡，但是在赤道地區除高山地區外並無冰川痕跡。板塊構造學說使得這種冰川分布的不連續性顯得更加撲朔迷離：板塊構造理論認為各大陸在那個時候曾經是一個整體，聚集在赤道附近，叫做羅迪尼亞超大陸。

總而言之，雪球地球理論就是綜合了7億到6億多年前留下的諸多地熱證據而得出的一個理論。

由冰漬殘留地點的廣布，該理論認為地球曾經一度被全部冰凍起來。然而這個過程的機理卻不明。有一種理論認為當時由於冰川的延伸，導致部分陸地被冰面覆蓋，從而延緩了岩石的風化過程（岩石風化會吸收二氧化碳），導致溫室效應增強。火山活動不斷地產生二氧化碳，於是冰川到一定時候會停止蔓延。由於當時超大陸集中在赤道附近，陸地表面冰川很難被全部覆蓋。日積月累，當風化過程慢慢消耗完溫室氣體後，冰川開始肆無忌憚地蔓延開來，直到全球凍結。彼時，整個地球表面全部被冰川覆蓋。日照輻射被白雪皚皚的地球反射回太空，地球一片冰冷。由於水氣蒸騰作用被大幅減少，大氣變得無比乾燥。當時大氣中唯一的溫室氣體就是水氣本身，高高在上的則是令人炫目的陽光。

雪球地球終究還是融化了，而融化的原因則成了現在的一個研究課題。

透過電腦的模擬，也得到了一個完全冰封的地球，這個模擬得到的狀態稱為「白地球」。

## 雪球地球的融化

根據計算，解封雪球地球所需的二氧化碳濃度大約為今天的350倍，也就是占比需要達到大氣含量的13%。鑑於當時的地球幾乎完全被冰封，大氣中的二氧化碳無法與矽質岩進行風化反應，所以其含量會一直緩慢上升。大約經過了3千萬年時間，隨著火山噴發以及冰面以下微生物對有機碳的轉化，地球大氣中積累了足夠的二氧化碳與甲烷，足以產生強大的溫室效應。隨後，地球熱帶的冰層開始融化，並最終產生了一部分無冰的陸地與永久流動的河流。裸露的陸地表面顏色要比冰面更暗，所以它們可以吸收更多來自太陽的熱量——從而啟動一種「正反饋」進程。

被封鎖在低緯度地區永久凍土中的，大量不穩定的甲烷水合物也許也是冰川消融、氣候暖化的誘因之一。

在大陸上，融化後的冰川會暴露出大量冰川沉積，這些冰川沉積會參與到後續的侵蝕與風化作用中，侵蝕與風化的產物隨後會進入海洋。這些對海洋生物而言營養豐富的風化產物以及大氣中充足的二氧化碳促成了後續藍藻的爆發。藍藻幫助地球大氣重新氧化，而氧含量的升高可能是後續埃迪卡拉生物群以及寒武紀生命大爆發的推動力之一。冰川消融的正反饋進程可能只需要不足一千年時間，但大氣二氧化碳與氧氣含量仍需要幾百萬年才能達到穩定的狀態。

大氣二氧化碳含量的降低可能導致了地球的再次凍結，這種凍結-融化的循環可能持續了許多次，直到後來大陸漂移到更靠近極地的位置。

最近發現的證據顯示，在較低的溫度下，海洋可以吸收更多氣體，導致海洋中的含碳物質更加快速的氧化為二氧化碳。這個過程可以顯著增加大氣中二氧化碳的含量，增強溫室氣體對地球表面的暖化作用，並防止了一個完全雪球地球的產生。

在數百萬年時間裡，冰層表面與內部會積聚冰晶粉末，嗜冷微生物、火山灰以及塵土會混合在冰層之中，面積可以達到幾百萬平方公里。一旦冰層開始融化，這些混合在冰塊中的雜質就裸露了出來，冰面的顏色會變得更深，進一步加快融化的進程。

此外，來自太陽的紫外線會與水蒸氣發生反應，產生過氧化氫（H2O2）。一般情況下，過氧化氫會在陽光下分解，但還有一些會被困在冰層里。當冰川開始融化，這些過氧化氫會被釋放到大氣與海洋，當它溶解於水中時會產生氧氣，從而增加大氣氧含量。

## 證據

支持者用來舉證的地質沉積物包括富含鐵的鐵燧岩和碳酸鹽殼岩。雪球地球事件與5.4到5.0億年前發生的寒武紀大爆發之間的關聯也非常引人注目。

### 光合作用參與者的缺乏

海水裡含有兩種碳同位素：碳12和碳13。在生化過程中，生物體優先利用較輕的碳12，這就使海洋裡的光合作用參與者比如原生生物和海藻一類慢慢地排空了碳13同位素。假如海洋裡存在光合作用參與者，那麼這些光合作用參與者死亡後形成的有機質沉積裡碳13的含量就會比較低，而從海水裡析出的碳酸鹽沉積物里碳13含量就會相對較高。研究發現，在理論所指的那段時間內形成的海水碳酸鹽沉積物裡碳13的平均含量非常明顯地比其他正常時期沉積物的低。這就支持了雪球地球理論，因為這說明當時冰封大地的條件下，幾乎所有的光合作用參與者都被嚴寒凍死了。

### 條狀鐵層建造

在地球富氧大氣裡，自然界的鐵一般會被氧化為三價態的氧化鐵沉積下來形成條狀鐵層。只有在缺氧的條件下鐵才能形成二價態的氧化亞鐵礦石。由於氧化亞鐵礦發現只存在於與雪球地球對應的地質年代裡，這就又進一步支持了雪球地球理論的正確。

易溶於水的亞鐵鹽遇到空氣裡的氧氣會被氧化成易水解的鐵鹽，進而形成難溶的氧化鐵從水裡沉澱出來。這個過程使多達20倍於現存大氣層氧氣的氧被帶狀鐵沉積封鎖在岩石裡。地球上的鐵礦都是在寒武紀前形成的。在寒武紀後的顯生宙地層中鮮有鐵礦存在。

支持者們認為氧氣在大氣層裡是不穩定的，因為有太多的反應可以消耗氧氣，主要是鐵和矽的氧化過程。要維持大氣層氧氣的含量，必須依靠來自生物圈源源不斷的氧氣供給。雪球地球時期，冰凍殺死了大多數生物，造成氧氣逐漸減少甚至消失，這就使氧化亞鐵礦能夠得以形成。反對者們認為雪球地球時期生命不可能倖存下來，然而事實上沒有發生生命徹底滅絕。支持者們反駁道，在海洋的深處完全有可能存在厭氧和低耗氧微生物群落存在，依靠地熱維生而倖存下來。

除此之外還有一種可能。在遠離大陸的海面可能會存在少量未凍結的水域，庇護著一些好氧生物群落。另外在赤道附近也會有一些地區的水在白天融化形成水窪，晚上則重新凍結起來。

### 蓋層碳酸鹽岩

據估計，當時大氣層二氧化碳濃度需要達到比現在高350倍的程度才能形成足夠的溫室效應把冰川融化。但這個濃度是可以積累起來的，因為當時主要消耗二氧化碳的過程是矽酸鹽岩石的風化過程，冰川覆蓋了岩石，阻止了岩石的風化，於是大氣層二氧化碳就能逐漸積累到很高的濃度。

很可能由於火山作用的緣故，大氣層二氧化碳濃度逐漸增加，最後在赤道附近出現了一條無冰的水域。這條水域通過吸收太陽輻射，融化了更多的冰川，更多的水域又吸收了更多了太陽輻射，如此反覆。與此同時，二氧化碳濃度的增加為藍藻生物提供了充足的食物。藍藻通過光合作用釋放出氧氣，使大氣層氧氣濃度迅速升高，這最終導致了寒武紀生命大爆發，產生了新的多細胞生命體。

在短短1000年的時間裡，雪球地球得以解凍，而大氣層中的二氧化碳與氧氣含量穩定則花了比這更長的時間。

剛開始大氣層二氧化碳濃度仍然比正常值高出100倍。雨水的洗刷作用轉移了大量的大氣層二氧化碳。二氧化碳被溶解轉化為碳酸，碳酸進一步腐蝕矽酸鹽岩石，形成的碳酸鹽沉澱被沖入大海，變為海底的沉積岩。

最後，二氧化碳濃度降至最低，地球溫度下降，海水開始結冰，一切又重新開始循環，直到羅迪尼亞大陸瓦解為止。

### 生命演化

新元古代是一個非常時代，大量的多細胞生物在此時產生，尤其是動物。動物的大小和複雜程度日新月異。

這種多細胞生物的發育有可能是演化壓力增長的結果，而演化壓力的增長則是地球凍了又融，融了又凍造成的。可以說，雪球地球推動了生物演化。一些支持者指出，最後一個重要的雪球地球結束的時期剛剛離寒武紀生命大爆發僅幾百萬年之遙。

## 生命在冰封中的延續

生命在冰封中倖存有如下幾種可能：

- 海底熱泉附近。
- 生命可以採取類似孢子休眠的方式來度過冰封期。
- 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。
- 冰層之下，類似於「礦物質代謝」生態系統可以提供避風港。
- 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。

## 其他雪球地球事件

還有一種雪球地球理論認為最早的一次全球冰封時期——休倫冰河期發生在23億年前的古元古代，一種解釋是原因與大氣層中首次出現游離態氧氣有關，因為大氧化事件消耗了原始大氣中的強溫室氣體——甲烷，加上當時太陽輻射強度比較弱，因此導致了氣溫的驟降。這個理論的證據比較弱，但是這個時期的確形成了一些富鐵的岩層。另外的解釋則認為由於顯生宙沒有再次重現雪球地球現象，提出了星爆引起的星雲冬天假說、以及真核藻類崛起釋放到大氣中的二甲基硫醚導致雲層增加效應假說等。

另一種解釋赤道附近發生冰封原因的理論認為當時地球的黃赤交角比現在大，有近60度，導致赤道地區變成「高緯地區」，而這可能與地磁偏角發生變化有關。

## 外部連結

- Snowball Earth web site 雪球地球的網上資源
- "The Snowball Earth" Paul F. Hoffman和Daniel P. Schrag的概述,1999年8月8日
- One-page Snowball Earth Poster by Paul F. Hoffman (pdf格式, 7.22 MB).
- Scientific American article on snowball earth by Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag （需要訂閱）
- Gabrielle Walker, 'Snowball Earth" in Muse 2004