冰雪地球

魏科

仰望星空，科学家一直在深空中寻找另一个适宜人类居住的家园。所谓“宜居”，通常的标准是指行星与恒星距离合适，在一定范围内水能够以液态形式存在，因为液态水是生命生存所不可缺少的元素。

如果将这一标准向前推到约7亿年前来看我们的地球的话，你会发现，那时的地球可能并不宜居，因为地球当时正处于全球冰封的“冰雪地球”时代。

全球冰封的时代

所谓冰雪地球，英文名称为snowball Earth，指的是包括大陆和海洋在内的整个地球完全被冰雪覆盖，在此期间，地表气温降到-50℃，陆地和海洋白茫茫一片，海冰厚度可达一两千米，陆地上的冰川和积雪厚度可达数千米，整个地球变成了一个巨大的冰雪球。相对于文章后面提到的其他冰雪地球假说，此时的地球也可以叫作“硬壳雪球”（hard snowball Earth）。

这种全球覆盖冰川的情况在地球发展历史上可能出现过多次，最被认可的有三次，第一次发生在距今24亿～22亿年以前，第二次发生在距今7.5亿～6亿年前。这两个时代都出现在地球臭氧层形成（大概距今6亿年）和寒武纪生命大爆炸（距今5.41亿年前）之前。第三次在2.8亿年前左右，被认为可能是造成二叠纪生物大灭绝的原因之一。

理论的源起

冰雪地球这一理论假说的提出至少可以追溯到1909年，提出者为澳大利亚地质学家兼南极探险家道格拉斯·莫森。他在南澳大利亚发现了疑似新元古代（NP， Neoproterozoic，距今10亿～5.4亿年前）的冰川沉积物。当时的主流观点认为，澳大利亚在新元古代位于热带。于是，道格拉斯·莫森提出了global glaciation（全球冰川）的猜想，时间大概是1909年。这个猜想在当时是一个非常大胆的假设，但尚未形成影响力。

到了1964年，剑桥大学地质学家沃尔特·布赖恩·哈兰德进一步提出了新元古代的全球性冰川假说，他的主要依据有两个：其一，基本上在地球上所有的大陆均发现新元古代时期的冰川遗迹，甚至连曾经是热带的格陵兰岛都有冰川。其二，现在的大陆在新元古代时期基本上都在热带。既然连当年在热带地区的大陆都有冰川，中高纬度更应该为冰雪覆盖，所以当时出现了全球冰川。

然而，直到1992年，正式的冰雪地球假说和“Snowball Earth”这个词语才被加州理工大学的地质学家约瑟夫·科什文克教授首先提出。科什文克是个古怪点子比较多的人，比如他就能狂想到了snowball earth，并且预测和发现了化石磁小体（magneto fossils），化石磁小体本来用于生物地层学，现在甚至在火星探测中都有很大用处。当然，他的冰雪地球假说依旧没什么影响力，估计是因为该理论是藏在专业书籍《The Proterozoic Biosphere（元古代生物圈）》上，全球看过这本书的人估计寥寥无几。

真正使得冰雪地球成为古气候和地质界热点话题的人是哈佛大学的保罗·霍夫曼教授，他于1998年在《科学》杂志上发表了题为《A Neoproterozoic snowball earth（新元古代冰雪地球）》的文章，在这篇四页半的文章里，他主要讨论了关于全球性冰川问题，并对冰雪地球假说提出了更多的地质证据和解释。根据其在非洲西南部国家纳米比亚的科考，保罗·霍夫曼认为，在新元古代时期，地球经历了数次（2～4次）全球性冰川时期。在冰川覆盖期间，地表气温降到-50℃，地球的陆地和海洋完全为冰雪覆盖，海冰厚度可达一两千米，陆地上的冰川和积雪厚度可达数千米，整个地球变成一个巨大的冰雪球。

冰雪地球假说当然是一个对古气候的大胆假设，因为时代久远，谁也没法回到过去看看那时候到底发生了什么。该假说涉及古地质、古生物和古气候等地球科学领域的许多基本问题，一经提出便在地学界引起了巨大的反响和争论，大家必然会问以下四个问题：第一，有什么证据表明冰雪地球存在过？第二，地球是怎么冰封的？第三，地球是如何解冻的？第四，全球冰封的时候，生命在哪里？

冰雪地球确实存在过

接下来，我们就逐一探究上面四个问题的答案。

首先，可以表明冰雪地球存在的证据。

第一個证据是全球冰川记录。如前所述，剑桥大学地质学家沃尔特·布瑞恩·哈兰德根据各项证据提出，全球所有的大陆上均发现新元古代时期冰川遗留的痕迹，其次是新元古代时期这些大陆基本上都集中在赤道附近。

他在这里用了一个巧妙的证据，地球火山喷发出来岩浆在冷却变硬之前，因为地球磁场的作用，岩浆中含有的铁矿颗粒的磁场方向应该与当地的地球磁场方向保持一致。如果当时的大陆位于赤道附近， 这些颗粒的磁场方向应该是水平的;如果大陆位于地球的两极附近，这些颗粒的磁场方向是差不多垂直的。当岩石变硬之后，如果铁矿颗粒的磁场方向没有受到其他因素的影响，它们的磁场方向便能够记录在岩石形成时大陆所在的纬度。研究显示，新元古代时期冰川残迹层中岩石的磁场竟然全都是水平的。这表明那时候的大陆基本上都集中在热带地区。20世纪60年代，大陆漂移学说已经被学界接受，所以新元古代时期陆地集中在热带地区这一观点也是可以被接受的。

第二个证据是碳酸盐岩帽。

大气中的二氧化碳被雨水冲刷带到地面后，会与岩石中的硅酸盐发生化学反应生成碳酸氢盐，这些碳酸氢盐随着河水进入海洋，并进一步与钙、镁等发生反应生成碳酸盐而沉淀于海底。

如果全球被冰雪覆盖，大气中的二氧化碳无法完成上述反应，从而造成碳酸盐（碳酸氢盐都是可溶的，它们最终都要生成碳酸盐）的缺失;如果冰封的地球大范围解冻，这时候二氧化碳能够参与上述反应，会在冰川层上形成一层深厚的碳酸盐覆盖物。它与下面的冰川沉积物的界限一般很明显，像盖在冰川沉积上的帽子，因此也被称作碳酸盐岩帽（cap carbonate）。目前，碳酸盐岩帽已在全球多地被发现，这就印证了地球曾经经历过冰雪覆盖-解冻的过程。

第三个证据是条带状铁矿层（BIF铁矿）。

在24亿年以前的古元古代，因为光合作用尚未形成，地球大气和海洋中严重缺氧，导致海洋中的二价铁离子不断在海水中富集，从而形成全球性的条带状铁矿石层（Banded Iron Formation，BIF）。当氧气产生之后，地球上的BIF铁矿逐渐消失。然而当冰雪地球形成时，由于海冰覆盖的影响，海洋处于缺氧状态，由此造成来自洋中脊和洋底沉积物淋滤出的二阶铁离子在底部海水中富集。一旦冰期结束，大气中的氧会进入海洋中并与铁发生化学反应，使铁从海水中沉淀出来并混合到冰川残余物里，由此造成在冰雪地球对应的地层中发现的条状铁矿远多于相邻地质时期的条状铁矿的情况。这也成为冰雪地球曾经发生过的又一项证据。

海洋中主要有两种稳定的碳同位素——12C和13C，其中13C的丰度比12C低很多，约为1.109%左右。13C和12C的比值与有机生命体的活动有关：海洋中的原生生物和藻类的光合作用更倾向于吸收12C，所以在其生命繁盛时期，13C/12C的比值明显偏高。而在冰雪地球时期，大量有机生命体死亡，造成生物吸收的12C显著减少，使得13C/12C的比值明显偏低。现有证据表明，在冰川残积层上面的碳酸盐层中，12C与其同位素13C的比值在冰川期前后明显偏低。这是第四个证据。

另外一个证据则是碳酸盐岩底部异常高的铱沉积。

根据在赞比亚和刚果的钻探结果，研究人员发现在6.3亿年前形成的碳酸盐岩底部有异常高的铱沉积。只有在地球长期处于完全被冰封的状态下，源于太空中的铱（陨石和彗星尘埃）才能在地表不断累积;否则，它将被冲刷到海洋里。根据现今太空物质的累积速度，人们估计地球在6.3亿年前被冰封了至少300万年甚至1200万年。

冰雪地球是怎么形成的

事实上，不管形成冰雪地球的原因是什么，全球最终为冰雪覆盖，必定要启动地球气候系统的冰雪-太阳辐射正反馈机制，即开始因为某种原因导致气温下降，降温之后冰雪开始发展，冰雪发展导致地表反照率增加，被地球系统吸收的太阳辐射减少，产生持续降温，进而导致冰雪进一步发展，由此愈发不可收拾，最终出现全球性的大降温和冰雪封冻。专家对此也有不同的解释。

科什文克认为，新元古代的全球性冰川期与新元古代特殊的大陆分布有关。他对雪球事件的解释为，当陆地位于热带地区，并且在基本不被冰雪覆盖时，有利于CO2与岩石发生化学反应;热带较强的降雨也使得大气中的CO2更多地被带到地面，与岩石中的硅酸盐发生化学反应生成碳酸氢盐。这些碳酸氢盐随河水进入海洋后，进一步与钙、镁等反应进而沉淀到海底，即前文所述碳酸盐岩帽的形成机理。与之对比，如果陆地大部分位于中高纬度地区，考虑到高纬度的陆地常年被冰雪覆盖，不利于大气中的CO2与地面岩石间的化学反应，因此当陆地在热带地区的时候，容易大量消耗大气中的CO2，可能会让大气中的CO2浓度降到相当低的程度，温室效应减弱，容易形成全球性的冰川。

然而自新元古代之后，大陆向中高纬度漂移。现在的地球上，陆地大部分位于中高纬度地区，这不利于大气中的CO2与地面岩石间发生化学反应而消耗CO2，其结果是CO2含量保持稳定，不容易发生全球性冰川。因此冰雪地球的出现是新元古代全球海陆分布的必然结果。

关于全球冰雪地球的形成，霍夫曼在1999年提出一个假设，在冰雪地球形成之前，全球的大陆都集中在赤道附近，即罗迪尼亚超级大陆（Rodinia）。这个大陆在冰川覆盖开始之前裂解，形成两个新的超级大陆——劳伦古大陆（Laurentia）和冈瓦纳大陆（Gondwana）。超级大陆裂解使大陆边缘的海洋面积迅速增加，由于大陆边缘是海-气相互作用与海洋生物初级生产率最高的区域，因此全球的海洋初级生产率大大提高，并且伴随着有机碳大量沉积进入海洋的情况发生;另一方面，由于大陆分离，使得原来大陆内部降水及径流逐渐增加，这些都加速了大气中的CO2含量迅速消耗，从而使得全球温室气体大量减少，温室效应减弱，最终触发了冰雪-太阳辐射反馈灾变，形成全球大降温和冰雪地球。

有科学家从天体物理的角度提出了一个大胆假设，认为当时的赤道面和黄道面之间的夹角可能不是现在的23.5°，而是大于54°。这意味着，夏季时太阳直射极地，赤道附近的年平均气温要低于极地地区，气候带的分布和现在完全不同。在这种情况下，赤道地区有利于冰川发育，中低纬度地区覆盖大规模冰雪，而极地地区没有冰盖，这就解释了赤道大陆上的冰川问题。不过这个假设受到了霍夫曼等人的强烈质疑：在这种黄赤夾角下，全球的季节变化更明显，冰雪在季节演变中的维持难度比较大，中高纬度地区的冰川无法持续存在;然而，目前的地质资料显示，在稍微高一点的纬度，比如南纬30°～40°的区域曾在这一时期出现过冰川，这就是地轴倾斜假设的重要缺憾。另外，地轴倾斜假说也需要解释地球黄赤夹角为何会发生变化。

最后一个可能就是超级火山爆发或者小行星撞击问题。

6500万年前，一颗直径为10千米的小行星撞击地球，撞击地点位于墨西哥湾的犹卡坦半岛，激起漫天尘埃遮天蔽日，并通过平流层环流影响全球，导致气温急剧下降，地球最终出现了千年尺度的全球冷期和恐龙等生物的大灭绝。1815年，印度尼西亚松巴哇岛上的坦博拉火山爆发，这次火山强度为7级，引起1816年欧洲、美洲和全球各地的严寒和饥荒，使得1816年成为著名的“无夏之年”。火山爆发和小行星撞击是地球气候系统里的不确定性因子，也是高发因子，距离地球38万千米之外的月球上，直径大于1千米的撞击坑就有3.3万个，临近的火星、水星、土卫三、木卫三等星球上也布满了大大小小的撞击坑。这些撞击坑表明，我们的地球也同样曾经历过无数的小行星撞击。超级大陆的裂解一定配合有非常剧烈的地质活动，并伴随有频繁而猛烈的火山喷发，因此很有可能在这一板块运动活跃期，地球上经历了比坦博拉火山喷发强得多的持续的超级火山喷发，最终触发冰雪-太阳辐射的正反馈过程。

冰雪地球是怎么融化的

如前所述，当冰雪-太阳辐射的正反馈机制启动后，其效果一发不可收拾，要是没有负反馈机制出现，地球会彻底变成一个越发坚硬的白色冰星球。全球冰川要从冰雪封冻中解放出来，起码热带地区的夏季平均温度要高于冰点，从-50℃上升到0℃，需要非常强的加热和温室效应。

目前，我们担心的全球变暖是因为大气中的二氧化碳含量在快速升高。在冰雪地球时期，为了让热带夏季温度高于冰点，就需要二氧化碳含量达到一个非常高的水平。不同地球系统模式的模拟结果表明，当时需要的CO2量从0.12个大气压（相当于目前CO2浓度的350倍）甚至到3.2个大气压。

尽管数值模式目前存在极大的不确定性，模式中的云物理、辐射和动力学参数过程等都不健全，可能无法真实有效地模拟新元古代时期的气候问题。但科学家绝对是有奇幻的想象力的，3.2個大气压是现在大气压力的3.2倍，这么高的数值让很多人觉得绝望，不知道怎么可能产生这么多的二氧化碳？

这意味着，一旦全球进入冰封状态后，可能永远无法恢复，那么地球又是怎么解冻的呢？尤其是考虑到冰雪地球条件下，大气中的水汽含量很少，水汽的温室效应非常弱，并且缺乏大热容量的液态水的存在，大气下垫面的日变化和季节变化都非常大，有些类似于火星现在的状况，尤其是夜晚和冬半球的温度异常低，这些都不利于冰雪融化。

与此同时，也还是有一些因素最终使得地球上的冰雪得以融化，最主要的就是火山活动。

在全球冰封状态下，地表化学剥蚀和有机物沉积速度明显减慢，大气中的CO2消耗量大大减少，但是补给量基本稳定——全球的火山活动持续将CO2源源不断释放到大气中，导致CO2浓度不断增加。经过上百万年积累，大气中的CO2浓度达到了较高水平，温室效应得以逐渐增强。

另一方面，火山喷发使得火山灰被撒到全球各地，冰盖之上可能覆盖和混杂有大量火山灰。当火山灰积累到一定量时，地球的反照率大幅度降低，使得临界CO2不需要达到恐怖的0.12～3.2个大气压。

随着温室效应的增强和地表反照率的降低，气候系统终于开始从太阳辐射中吸收更多辐射，使得赤道和低纬度地区的洋面融化。当开阔的洋面出现后，又会启动另外一个正反馈机制，即冰雪减少产生开阔洋面导致地球反照率降低，入射的太阳辐射增加，地球气温得以升高，冰雪由此进一步融化、减少，使得反照率进一步降低，入射太阳辐射进一步增加……

当冰雪消融后，由于全球温室气体含量超高，引起的温室效应非常强烈，因为碳酸盐的形成和光合作用消耗二氧化碳是一个非常缓慢的过程，可能需要数百万年，因此在这段二氧化碳含量超高时期，地面的气温有可能高达50℃，此时超高二氧化碳形成的就不是温室效应，而是热室效应了。

从全球冰封到50℃的高温，地球经历了剧烈的极寒和极热气候的交替，霍夫曼等认为，这种剧变对生命进化起着选择和过滤的作用：在极端气候交替中能迅速适应极端环境的生物，可以快速演变和实现基因变异，这些基因变异使得生命最终朝着更复杂的种类进化。数百万年过去后，碳酸盐的形成和光合作用大量消耗掉二氧化碳，温室效应得以减弱，地球才逐渐进入到气温稳定的状态。

地球上的生命如何延续

当冰雪地球上的冰雪终于消融、洋面解冻之后，假如当时地球上有生命存在，冰川的消退为这一小部分生命提供了巨大的生存和繁衍空间。在这样的生存环境里，生存竞争非常微弱，所以我们不用担心冰雪消融后生命的演化问题，只需要关注全球冰封的时候生命是怎么度过这一漫长时期的。

在那个时代，生命的形式非常简单。由于当时的地球还未形成臭氧层，生物不敢冒险跑到陆地和海洋浅层，大多生活在10米以下的世界里，地球上最高级的植物不过就是藻类，最高级的动物也就是三叶虫而已，因此这个阶段的生命具备经受严酷考验的实力。在火山岛屿附近或大地热液较高的地区，一些古细菌如产甲烷菌、极端嗜热菌等可能在高压、黑暗、缺氧、含硫等极端环境下生存。

当然，如果在冰雪地球下生命都能照样存活，那么我们是否可以认为在冰雪覆盖的泰坦（土卫六）上也有生命呢？目前似乎没有证据证明这一点。

为了给生命的延续提供合适空间，近年来研究人员又提出一系列假设，以便为生命开拓存活的通道和空间，比如：

薄冰雪球（Thin-ice Snowball）假设 该假设认为，热带地区没有被厚厚的冰雪覆盖，而只是覆盖着一层薄薄的冰雪。这样一来，阳光可以穿透过去，使得生命在海洋里能够有更好的条件延续下去。

泥泞地球（Slushball）假设 这一假设认为，全球并不是都覆盖有冰雪，在热带海洋中还有狭长海水带直接与大气接触，也就是存在有温度超过冰点的海水。

泥球雪球（Mudball）假设 此假说认为，低纬度地区的冰升华后，冰上的尘埃却被留下来。因为海冰不断向低纬度流动，使得中高纬度的尘埃也被带入低纬度的热带地区，所以尘埃会在热带不断累积，低纬地区一片泥泞。

耶梦加得雪球（Jormungand Snowball）假设 该假说认为，虽然地球上大部分海洋覆盖着海冰，但热带海洋中仍留存有一条窄窄的水道。这条水道的位置随季节变化而不停摆动，如北欧神话中的巨蛇怪耶梦加得。

为了挽救地球上的生命，科学家们也是想尽了办法。

未来的另一个地球

冰雪地球的研究远远没有达到理论成熟的阶段，文章开始提到的四个问题始终是焦点。一方面需要实际可靠且完整的地质资料证据进行相关研究，另一方面需要过程完整且可靠的地球气候系统模式来研究具体过程和机理，模式里不仅必须要有大气、海洋、冰雪圈，还必须包含云过程、气溶胶、碳循环过程和可靠的火山过程模拟。

这也意味着，人们还不能完全还原在距今7.5亿～6亿年里到底发生了什么。当时的真相还在重重迷雾之中。

冰雪地球不仅是气候剧变现象，对整个地球生态系统都有影响，它对当时地球上已经存在的生命构成了巨大挑战。不过，在冰雪地球事件结束后发生了寒武纪生物大爆发。或许这并不只是一种巧合。关于冰雪地球的研究也许能帮助科学家揭开寒武纪生物大爆发的谜团。

可以想见，冰雪地球的研究涉及到地球系统各圈层，包括大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、岩石圈以及各圈层的相互作用，地球科学各领域的科学家都可以从中找到自己的兴趣点。当然，冰雪地球的影响并不仅仅局限于科学家群体里，古气候的研究向来如此，启发科学家和社会去思考地球的历史和人类的历史与命运，对未来保持一种居安思危的谨慎乐观的态度。

冰雪地球的发生表明，即使在适应生命存在的星球上，气候也可能发生剧烈变化;但只要星球可以自发走出灾难性的气候状态，它依然可能适宜生命存在。这对人类搜寻地外生命具有启发性的意义。换句话说，或许某星球目前的气候条件并不适宜生命存在，但并不能说明这就是一颗无生命的星球，因为该星球有可能自发走出目前严酷的气候状态，到达一个适宜生命生存的气候状态，那或许就是未来的另一个地球。

【责任编辑】赵 菲