Ziemia-śnieżka
Z Wikipedii
| Ziemia-Śnieżka |
|---|
| (milionów lat temu) |
|
|
Ziemia-śnieżka - hipoteza głosząca, że Ziemia pod koniec prekambru została całkowicie pokryta lądolodem w wyniku ówczesnego zlodowacenia. Istnieje też wersja tej hipotezy zakładająca kilkakrotne zlodowacenie całej planety.
Spis treści |
[edytuj] 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.
[edytuj] 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 mniejsza 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 85 tysięcy do nawet 1750 tysięcy 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 granicę 30. stopnia szerokości geograficznej.
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.
[edytuj] Jak mogła zamarznąć cała Ziemia?
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, to w po zamarznięciu całej planety jej średnia temperatura wynosiła –50°C.
[edytuj] 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?
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 tysięcy 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 – rzędu jednego tysiąca lat – mogło uwolnić całą planetę od lodu. Ziemia-śnieżka zamieniła się w glob podobny do dzisiaj nam znanego.
[edytuj] Gdzie przetrwało życie?
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.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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).
[edytuj] 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.
- Gabrielle Walker: 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.
