Формулировка гипотезы
Начало «Snowball Earth»
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 в выветривание волластонита:
CaSiO3 + CO2 + H2O Ca2+ + SiO2 + HCO3-
Освобожденные катионы кальция реагируют с растворенным бикарбонатом в океане, образуя карбонат кальция как химически осажденную горную породу. Это переводит углекислый газ, парниковый 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 меньшее количество диоксида углерода извлекается из атмосферы. Повышение концентрации диоксида углерода, являющегося парниковым газом, приводит к обратному эффекту в Земля разогревается. Эта отрицательная обратная связь лимитирует силу похолодания. Во времена криогения все континенты были в тропиках 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) привело 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.[источник не указан 247 дней] 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, необходимый для разморозки Земли, оценивается как в 350 раз превышающий современный, примерно 13 % атмосферы. Так как Земля почти полностью была покрыта льдом, диоксид углерода не мог быть удален из атмосферы путем выветривания силикатных пород. За миллионы лет накопилось количество CO2 и метана, в основном извергнутых вулканами, достаточное для парникового эффекта, растопившего поверхностный лёд в тропиках до образования пояса свободных ото льда воды и суши; этот пояс будет темнее, чем лёд, и поэтому будет поглощать больше солнечной энергии, запуская «положительную обратную связь».
На континентах таяние ледников обнажит большое количество ледниковых отложений, которые начнут эродировать и выветриваться.
Попавшие в результате этого в океан осадки, богатые биогенами, такими, как фосфор, вкупе с обилием CO2 вызовет взрывной рост популяций цианобактерий, что вызовет относительно быструю реоксигенацию атмосферы, которая может быть связана с возникновением эдиакарской биоты и последующим «Кембрийским взрывом» в 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» (англ. «cap carbonates»), которые могут быть найдены на вершине ледниковых тилей, впервые навели на мысль о Snowball Earth.
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 многие черты осадков, 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 отлождения осадков в приледниковых озёрах);
ледниковая исчерченность (образуется, когда обломки пород, подхваченные ледником, царапают подстилающую породу): подобная исчерченность иногда вызывается селями.
Палеомагнетизм
При формировании горных пород слагающие их магнитные минералы выстраиваются в соответствии с магнитным полем Земли. Точное измерение этого палеомагнетизма позволяет оценить широту (но не долготу), где была отложена 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, такие, как фотосинтез, 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, убившем большинство или почти всех фотосинтетиков в океане. Основной вопрос, связанный с этой идеей, состоит в определении одновременности вариаций в соотношении изотопов углерода, геохронологическое подтверждение чего отсутствует.
Железисто-кремниевые формации
Камень с железисто-кремниевыми формациями возрастом 2,1 млрд лет
Железисто-кремниевые формации в 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 растворенное 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 протерозоя, связаны с ледниковыми отложениями криогения. Для того, чтобы сформировались подобные богатые железом горные породы, необходим бескислородный океан, где большое количество растворенного 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 в результат ограниченного уровня кислорода в океане, скованном льдом.
«Венчающие карбонаты»
Сверху неопротерозойские ледниковые отложения обычно переходят в химически осажденные 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 в 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 жизни во время ледниковых периодов
Черный курильщик, разновидность геотермальных источников
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 в 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 (не многоклеточных растений, которых тогда скорее всего ещё не было), дававших небольшие количества кислорода, достаточные для поддержания некоторых оксифильных организмов. Такой вариант возможен и в том случае, если океан замерз полностью, но небольшие участки льда были достаточно тонки, чтобы пропускать свет.
На нунатаках в тропиках, где днем тропическое солнце или вулканическое тепло разогревали скалы, защищенные от холодного ветра, и образовывали временные талые водоемы, замерзавшие после заката.
Яйца, споры и покоящиеся стадии, вмороженные в лёд, могли пережить наиболее тяжелые 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 замерзших озёрах антарктических сухих долин.
Однако Михаил Федонкин, указывая, что современные данные (как палеонтологические, так и молекулярнобиологические) указывают на то, что большинство групп эукариотических организмов появилось ещё до неопротерозойского оледенения, считает это свидетельством против «крайних палеоклиматических моделей в виде гипотезы Snowball Earth», не отрицая роль похолодания в эукариотизации биосферы.
Эволюция жизни
Неопротерозой был временем значительной диверсификации многоклеточных организмов, особенно животных. Размер и сложность животных увеличились настолько, что эдиакарская фауна мягкотелых ископаемых позволила IUGS (International Union of Geological Sciences) выделить эдиакарский период. Развитие многоклеточных животных могло быть результатом многочисленных циклов оледенение-парниковый эффект, то есть глобальный ледниковый период мог «подтолкнуть» эволюцию. Некоторые сторонники теории Snowball Earth также указывают на тот факт, что последнее значительное оледенение могло закончиться за несколько миллионов лет до начала «кембрийского взрыва». М. Федонкин обосновал гипотезу о роли холодноводных местообитаний в появлении многоклеточных животных и вытеснении эукариотами прокариотов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий