Ziemia-śnieżka to hipoteza głosząca, że Ziemia pod koniec prekambru została całkowicie pokryta lądolodem w wyniku ówczesnego zlodowcenia. Istnieje też wersja tej
hipotezy zakładająca kilkakrotne zlodowacenie całej planety.
1. Początki hipotezy
Pierwszym, który odkrył i opisał zjawisko zlodowacenia całego
globu i użył terminu 'Ziemia Śnieżka' (the Snowball Earth)
był John Kirschvink. Udowodnił on
swymi pomiarami paleomagnetycznymi że kluczowe dla tej idei osady
lodowcowe ery neoproterozoicznej
tworzyły się w obszarach okołorównikowych (podzwrotnikowych).
Jednak do popularyzacji tego poglądu doprowadził dopiero zespół
autorski na czele z P.F. Hoffmanem
(1998). Stworzył on model globalnego zlodowacenia tłumaczący szereg
czynników, które miałyby być odpowiedzialne za to niezwykłe (i nie
aktualistyczne zjawisko geologiczne).
Zgodnie z ich hipotezą, w prekambrze
pojawiła się epoka lodowcowa tak silna, że wszystkie oceany Ziemi zamarzły. Cała planeta została pokryta
ponad kilometrową czapą lodu. Jedynie
głębie oceaniczne podgrzewane wewnętrznym ciepłem Ziemi pozostały
niezamrożone.
2. Dane podstawowe hipotezy
Od lat 60. XX wieku wiadomo,
że jedyny istniejący wtedy na Ziemi kontynent podlegał w okresie od 750 mln do 580 mln lat temu zlodowaceniu. Paleontolog W. Brian Harland zauważył, że
wszystkie osady lądowe pochodzące z tego okresu noszą ślady
lodowca i zaproponował istnienie w tym
okresie epoki lodowcowej. Jednak
problemem okazało się to, że część ówczesnego kontynentu leżała na
równiku. Większość pozostałych
okresów zlodowaceń nie dotyczyło rejonów równikowych, bo zwykle
było tam zbyt ciepło. Dalsze badania dryfu kontynentów wykazały, że 750
mln lat temu jedyny superkontynent
(nazwany Rodinia) leżał prawie całkowicie
na równiku.
W tym momencie pojawiła się teoria Ziemi-śnieżki. Jeżeli równik
został pokryty lodem, oznaczało to pokrycie białą czapą całej
planety. Podstawą tego rozumowania był fakt, że wzrost ilości
lodu podwyższa albedo powierzchni planety. Biały lód odbija znacznie więcej ogrzewającego planetę
światła słonecznego, niż
woda czy ziemia. Jeżeli lodu zaczyna
przybywać, to Ziemia odbija coraz więcej ciepła w kosmos i lodu przybywa jeszcze
więcej - pojawia się dodatnie sprzężenie zwrotne.
Wyliczono, że przekroczenie przez lodowce równoleżnika 30 stopni na obu
półkulach lub 20 na jednej półkuli oznacza nieodwracalnie
zamrożenie całej planety. W takiej sytuacji bowiem ilość energii
absorbowanej jest już mniejszy od odbijanej przez czapę lodową.
Jeżeli stwierdzono obecność lodu na równiku oznacza to, że
proces zamarzania Ziemi musiał osiągnąć swój szczyt i cała planeta
zamieniła się w wielką "śnieżkę". Okres globalnego
zlodowacenia trwał według różnych wyliczeń nieprzerwanie od 85000
lat do nawet 1750000 lat. Pomiędzy okresami całkowitego
zamarznięcia powierzchni Ziemi pojawiały się ograniczone w zasięgu,
krótkotrwałe okresy ocieplenia (interglacjały) ale nie doprowadzały
one do wycofania się lodowców poza "limit 30-tego
stopnia".
Hipoteza Ziemi-śnieżki wywołała ogromne kontrowersje.
Niewyobrażalne wydawało się zamarznięcie całej planety. Na dodatek
wiadomo, że przed epoką lodu i po niej istniało życie. Co więcej, niedługo po odejściu lodu,
na Ziemi miała miejsce eksplozja
kambryjska. Planetę zasiedliła niezliczona ilość nowych
wielokomórkowych organizmów, które pozostawiły ogromną ilość
skamieniałości.
Wszystkie te argumenty przemawiały przeciw hipotezie
Ziemi-śnieżki.
3. Jak mogła zamarznąć cała Ziemia?
Ziemia pokryta lodem (wizja artystyczna)
Ziemia pokryta lodem (wizja artystyczna)
Naukowcy powszechnie zgadzają się, że ważnym czynnikiem
określającym temperaturę na Ziemi
jest ilość dwutlenku węgla
(CO2) w atmosferze. Wzrost
poziomu CO2 wywołany spalaniem przez człowieka paliw kopalnych powoduje wzrost średnich
temperatur na całej planecie. Zjawisko to nosi nazwę efektu cieplarnianego, który może, ale
nie musi być zależny od wpływu człowieka. Jednak co się stanie,
kiedy cieplarnianych gazów zacznie ubywać? W takiej sytuacji cała
planeta może się znacznie oziębić. Okazuje się, że erozja krzemianów może
doprowadzić do szybszego niż zwykle wiązania dwutlenku węgla w
glebie. Dodatkowo 750 mln lat temu na Ziemi
istniały już zdolne do fotosyntezy
bakterie. One również są w stanie wiązać
CO2, produkując związki organiczne. Nagły wzrost
aktywności takich organizmów oraz pochłaniania gazów cieplarnianych
przez glebę mógł spowodować tak silny spadek sprawności efektu
cieplarnianego, że średnie temperatury na całej planecie znacznie
się obniżyły. Powstający lód spowodował jeszcze większe obniżenie
temperatury (albedo Ziemi wynosiło prawie 1) i w końcu cała Ziemia
zamarzła. Podczas gdy w czasie ostatnich epok lodowych temp.
obniżała się o ok. 3 - 12°C ,wtedy średnia temp. Ziemi wynosiła
-50°C.
4. Jak Ziemia mogła rozmarznąć?
Zależności matematyczne opisujące proces zamarzania naszej
planety dają bezwzględny obraz zakutej w lód planety. Jeżeli cała
powierzchnia Ziemi zostałaby pokryta lodem, to temperatury stałyby
się niższe od największych mrozów znanych człowiekowi. Jak w takiej
sytuacji nasza planeta mogłaby się z powrotem zamienić w ciepły i
tętniący życiem świat, po którym wszyscy chodzimy? Rozpoczęto
modelowanie klimatu Ziemi-śnieżki. Wyliczono, że efekt cieplarniany
może zrównoważyć obniżenie przez lód albedo Ziemi, gdy dwutlenku
węgla jest w atmosferze 350 razy więcej niż obecnie. Wydawało się
niemożliwe, aby tak wiele tego gazu mogło się nagle pojawić.
Jednak dokładniejsze analizy wykazały, że zamrożenie całej
planety ma pewne dodatkowe skutki. Wytwarzany dziś dwutlenek węgla
rozpuszcza się w ogromnych ilościach w oceanach, gdzie pochłaniają
go glony. Jednak pokrycie oceanów lodem
zablokowało kontakt atmosfery z hydrosferą. Każda ilość CO2
wyrzucona do atmosfery musiała tam pozostać. Na lądach lód zalegał
w jeszcze większych ilościach niż w wodzie i prawdopodobnie
całkowicie zasłonił cały grunt. Reakcja skał z dwutlenkiem węgla
stała się całkowicie niemożliwa. Przez wiele milionów lat cały
dwutlenek węgla wyrzucany regularnie przez wulkany pozostawał w atmosferze. Efekt
cieplarniany stał się tak silny, że okowy lodu puściły. Jeżeli
niewielki fragment oceanu uwolnił się od białej pokrywy, to zaczął
przyjmować coraz więcej słonecznego ciepła. Pojawiło się dodatnie
sprzężenie zwrotne, które w bardzo krótkim (w skali geologicznej)
czasie mogło uwolnić całą planetę od lodu. Ziemia-śnieżka ponownie
stała się błękitnym klejnotem.
5. Gdzie przetrwało życie?
Komin geotermalny
Komin geotermalny
Jeżeli lód pokrył całą planetę, a na powierzchni zapanowały
niespotykane mrozy, to jak przetrwało życie? Najbardziej oczywistą
odpowiedzią są kominy
geotermalne na dnie oceanów. Badania podmorskich grzbietów
ujawniły istnienie tam potężnych źródeł gorącej i bardzo
zanieczyszczonej wody. Jej źródłem są procesy wulkanicznie. Woda
jest gorąca i zawiera wiele związków siarki oraz żelaza.
Ogromnym zaskoczeniem dla badaczy stał się fakt, że kominy
geotermalne, to oazy tętniące życiem. Siarką żywią się bakterie
(archea) zdolne do czerpania z niej
energii. Bakterie są zjadane
przez inne organizmy i tak powstaje cały łańcuch pokarmowy z
krewetkami na szczycie. Szczególną cechą
tych ekosystemów jest całkowita
niezależność od światła Słońca.
Gdyby oceany zostały pokryte lodem, to organizmy żyjące wokół
kominów zupełnie by tego nie zauważyły. W ten sposób odnaleziono
miejsce, gdzie życie mogłoby się rozwijać na Ziemi-śnieżce.
Kominy geotermalne nie są środowiskiem, w którym mogłyby
przetrwać organizmy zdolne do fotosyntezy. Zapisy kopalne wyraźnie
pokazują, że przed okresem Ziemi-śnieżki oraz potem istniały dosyć
podobne formy bakterii zdolnych do fotosyntezy. Oznacza to, że
jakoś musiały przetrwać okres zamrożenia oceanów, w których żyją.
Odpowiedzią okazały się badania współczesnych lodowców szelfowych. Odnaleziono glony
zdolne do przetrwania pod bardzo grubą taflą lodu. Lód jest bardzo
przenikliwy dla światła. Z drugiej strony jego grubość na równiku
nie była większa niż kilometr. Obserwacje współczesnych glonów
wykazały, że byłyby one w stanie przeżyć w takich warunkach.
6. Naukowe dowody i poszlaki
Hipoteza Ziemi-śnieżki implikuje powstanie pewnych szczególnych
warunków na Ziemi, co mogło zaowocować powstaniem bogatych w żelazo
skał oraz wpłynąć na ewolucję życia.
6. 1. Prawie całkowity zanik życia roślinnego
W wodzie morskiej występują dwa izotopy
węgla - węgiel-12
oraz węgiel-13. Jeżeli ocean jest pełen roślinnego życia, to
mikroorganizmy szybciej pochłaniają
węgiel-12. W efekcie stężenie
węgla-13 staje się większe i to on przeważa w morskich osadach.
Kiedy ocean jest prawie pozbawiony roślin, przewaga jest po stronie
węgla-12. Właśnie takie zjawisko zaobserwowano ok. 750 mln lat
temu, co sugeruje, że rośliny prawie nie występowały na Ziemi.
6. 2. Skały bogate w żelazo
Zawarty w ziemskiej atmosferze tlen
reaguje z żelazem zawartym w skałach. Bogate w żelazo skały formują
się częściej, jeżeli tlenu jest mniej. Jeżeli Ziemia została
pokryta lodem, to rośliny prawie całkowicie zaprzestały produkcji
tlenu. Tlen ma skłonność do reagowania z innymi substancjami. Bez
stałych dostaw jego poziom na Ziemi-śnieżce znacznie się obniżył.
Niski poziom tlenu ułatwił formowanie się bogatych w żelazo skał.
Właśnie takie pokłady minerałów zostały odkryte przez geologów w osadach z okresu wielkiego
zlodowacenia.
6. 3. Pokłady węglanów
Wcześniej napisano, że do rozmrożenia Ziemi-śnieżki konieczny
był bardzo wysoki poziom dwutlenku węgla w atmosferze. Kiedy już
lody puściły gaz nie zniknął nagle z atmosfery. Temperatura
podniosła się do tak wysokiego poziomu, że gwałtowne parowanie
oceanów wywołało ogromne deszcze. Reakcja bogatej w CO2
atmosfery z wodą doprowadziła do powstania kwasu węglowego. Kwaśna woda znacznie przyspieszyła erozję
krzemianów. Wypłukane skały pokryły dno oceanów, tworząc bogatą
warstwę węglanów, co obserwuje się w
wielu osadach sprzed 580 mln lat. Jednocześnie osady te graniczą z
skałami polodowcowymi, co wyraźnie sugeruje silny związek obu
warstw.
6. 4. Eksplozja kambryjska
Zwolennicy teorii Ziemi-śnieżki zauważyli, że zakończenie okresu
zlodowacenia miało miejsce kilka milionów lat przed eksplozją kambryjską. Pojawiła się
sugestia, że zamrożenie planety mogło być czynnikiem zwiększającym
presję ewolucyjną, co zwiększyło tempo
rozwoju prymitywnych organizmów. Z drugiej strony po zakończeniu
epoki lodu warunki stały się bardzo cieplarniane, co pozwoliło na
rozwój ogromnej różnorodności żywych organizmów obserwowanej kilka
milionów lat później w osadach.
7. Ziemia zamieniła się w śnieżkę kilka razy
Istnieją hipotezy, które sugerują, że 2,3 mld lat temu planeta przeszła pierwszy okres
Ziemi-śnieżki. W tym okresie powstały pierwsze bakterie zdolne do
fotosyntezy. Wytworzony przez nie tlen spowodował rozkład zawartego
w atmosferze metanu. Gaz ten jest dużo
lepszym czynnikiem powodującym efekt cieplarniany niż dwutlenek
węgla. Jednocześnie astrofizycy
uważają, że 2,3 mld lat temu Słońce było trochę zimniejsze i
dostarczało Ziemi mniej energii. Niestety, z tego okresu dotrwało
do naszych czasów niewiele osadów i trudno jest jednoznacznie
potwierdzić lub zaprzeczyć istnieniu Ziemi-śnieżki 2,3 mld lat
temu. Jednak w tym okresie też pojawiły się pewne osady skał
zawierających dużo żelaza.
8. Inne hipotezy
Naukowcy próbowali wyjaśnić obecność lodu na równiku na kilka
innych sposobów:
* w tym okresie kąt pomiędzy osią obrotu Ziemi oraz płaszczyzną
orbity był inny, co powodowało
nierównomierne nagrzewanie planety,
* Biegun geomagnetyczny
Ziemi, znajdował się w większej odległości od osi obrotu planety,
niż dzisiaj. Położenie lądów z tego okresu wyznacza się na
podstawie zapisanych w skałach linii
pola magnetycznego. Badania geologiczne potwierdzają, że osady
formowały się daleko od ówczesnego bieguna geomagnetycznego, ale
możliwe, że znajdowały się blisko prawdziwego bieguna geograficznego Ziemi.
Każda z tych hipotez zakłada, że epoka lodowcowa miała tylko
lokalny charakter.
Część naukowców zdecydowanie zaprzecza istnieniu globalnego
zlodowacenia (np. Peltier et al., 2007).
9. Bibliografia (ang.)
* Paul F. Hoffman, Alan J. Kaufman, Galen P. Halverson, and
Daniel P. Schrag (1998), A Neoproterozoic Snowball Earth. Science
28 sierpnia, 281: 1342-1346.
* Kirschvink, J.L. (1992). Late Proterozoic low-latitude
glaciation: the snowball Earth. In: Schopf, J.W. and Klein, C.
(Editors), The Proterozoic Biosphere. Cambridge University Press,
Cambridge, 51-52.
* Walker Gabrielle: Snowball Earth. Bloomsbury
Publishing, 2003. ISBN 0-7475-6433-7.
* W. Richard Peltier, Yonggang Liu & John W. Crowley, 2007.
Snowball Earth prevention by dissolved organic carbon
remineralization. Nature, 450: 813-818 6 December.