Haupt >> Klima und Wetter >> Schneeball Erde

Schneeball Erde

Schneeballzeit
(vor Millionen von Jahren)

Das Schneeball Erde Hypothese ist eine umstrittene Theorie (Sankaran, 2003), die versucht, eine Reihe von Phänomenen zu erklären, die in den geologischen Aufzeichnungen festgestellt wurden, indem sie vorschlägt, dass an Eiszeit die im Neoproterozoikum stattfand, war so schwerwiegend, dass die Erde 's Ozeane vollständig zugefroren, wobei nur die Wärme des Planetenkerns dazu führte, dass etwas flüssiges Wasser unter einer Eisdicke von mehr als zwei Kilometern bestehen blieb.

Diese Theorie wird von verschiedenen Wissenschaftlern bestritten. Die Klimamodellierung von Dick Peltier an der University of Toronto erklärt, dass eine Vereisung in niedrigen Breiten auf der Schneeball-Erdskala in Bezug auf die Energiebilanz und allgemeine Zirkulationsmodelle nicht plausibel ist. Außerdem haben jüngste Arbeiten gezeigt, dass die Ozeane während der angeblichen Zeit der Schneeballerde aufgetaut waren (Arnaud, 2004; Arnaud und Eyles, 2004) und dass die Theorie eine Vielzahl geologischer Beweise bezüglich des wahren Ursprungs der angeblichen Schneeballerde völlig ignoriert Gletscherablagerungen, die in weiteren Untersuchungen als Ablagerungen von Murgängen interpretiert wurden (Eyles und Januszczak, 2004).


Ursprünge

Die allgemeine Hypothese gibt es schon seit mehreren Jahrzehnten. Joseph Lynn Kirschvink, Professor für Geologie am California Institute of Technology, prägte 1992 den Begriff „Schneeball-Erde“, obwohl J.D. Roberts etwa 20 Jahre zuvor (1971, 1976) dasselbe Intervall als „Anti-Treibhaus-Erde“ bezeichnet hatte. . Die Hypothese wurde seitdem von Paul F. Hoffman, dem Sturgis-Hooper-Professor für Geologie an der Harvard University, und seinem Kollegen Daniel P. Schrag neu formuliert und verfochten. Die Hypothese ist jedoch nicht ohne Kritik, und es wurden eine Reihe von Herausforderungen bezüglich der Synchronität der angeblichen „Schneeball“-Ereignisse geäußert.

Überblick

Seit den 1960er Jahren wird angenommen, dass die Erde Kontinente schweren ausgesetzt waren Gletscher Aktion vor etwa 750 Millionen bis 580 Millionen Jahren, so sehr, dass diese Periode als kryogenische Periode bezeichnet wird. Der Paläontologe W. Brian Harland wies darauf hin, dass Ablagerungen von Gletschern aus dieser Zeit auf allen Kontinenten zu finden sind, und schlug zuerst vor, dass sich die Erde zu dieser Zeit in einer Eiszeit befunden haben muss; Seine Ansichten wurden durch einen Artikel in weit verbreitet Wissenschaftlicher Amerikaner im Jahr 1964. Das Problem war, dass die nachweisbaren Ablagerungen auf gefunden wurden alle Kontinente; aber selbst während der schlimmsten der Eiszeit In der Vergangenheit wurden auf den äquatorialen Kontinenten außer in den höheren Teilen der höchsten Bergketten keine Beweise für Eis gefunden. Die damals neue Theorie der Plattentektonik machten die seltsam platzierten glazialen Diskontinuitäten und Ablagerungen von glazialem Geschiebe noch rätselhafter: Untersuchungen der magnetischen Ausrichtung der Gesteine ​​des späten Proterozoikums zeigten, dass die Kontinente zumindest zu Beginn der entsprechenden Zeit um den (magnetischen) Äquator herum gruppiert waren 750 Ma – in einer der frühesten Konfigurationen, die als Superkontinente bekannt sind. Diese äquatoriale Häufung und Kollision von Kontinenten vor etwa 750 Ma wurde Rodinia genannt; Die Nähe zum Äquator und nicht wie erwartet zu den Polen, zusammen mit den thermischen Beweisen einer schweren Eiszeit vor 750 bis 635 Ma (die Datierung, die durch die weit verbreiteten geologischen Ablagerungen nahegelegt wird), hat zur Schneeballerde geführt Hypothese.

Die Schneeball-Erdhypothese argumentiert anhand der dokumentierten Orte von Gletschern, die von Gletschern abgeworfen wurden, um darauf hinzuweisen, dass die Erde vollständig zugefroren sein muss. Der Mechanismus, mit dem dies geschah, ist immer noch mysteriös.

Ein Vorschlag ist, dass normalerweise das Eis, als es sich ausbreitete, einen Teil des Landes bedeckte und somit die Geschwindigkeit verlangsamte Kohlendioxid Absorption, Erhöhung der Treibhauseffekt , und die Eisausbreitung würde schließlich aufhören; aber dieses Mal waren die Kontinente entlang des Äquators geballt und daher würde dieser Kontrollmechanismus nicht funktionieren, bis der Gefrierprozess abgelaufen war und die ganze Erde vereist war.

Einmal gefroren, würde sich der Zustand tendenziell stabilisieren: Eine gefrorene Erde hat eine hohe Albedo (reflektiert mehr Sonnenstrahlung) und eine gefrorene Erde mit geringerer Verdunstung hat eine sehr trockene Atmosphäre (Wasserdampf ist eines der Treibhausgase). . Eine „Schneeball-Erde“ hätte einen strahlend blauen Himmel über ihrer reflektierenden Oberfläche.

Der Mechanismus, durch den die Erde nach einer solchen Frostperiode auftauen würde, würde markante Spuren hinterlassen, die Gegenstand laufender Forschung sind.

Weiße Erde ist ein Name für ein theoretisches Gleichgewicht, das in Computerklimasimulationen gefunden wurde, wobei die Modellerde eine vollständige Vergletscherung erfährt. Obwohl dies ursprünglich als degenerierter Fall angesehen wurde, schrieb James Gleick zu der Zeit, als er seine Geschichte der Chaostheorie schrieb Chaos: Eine neue Wissenschaft machen , es wurde in seinem Buch nicht abgetan, sondern einfach als etwas wiederholt, das wahrscheinlich noch nicht passiert war. Die aktuellen Beweise für die Schneeball-Erde scheinen diese Theorie und ihre Computermodelle zu stützen.

Beweis

Geologische Formationen, auf die Befürworter der „Schneeball-Erde“ als Beweis für die Hypothese verweisen eisenreich Gesteine ​​wie Takonitablagerungen und Karbonatkappengesteine. Die Verbindung des Snowball Earth-Events mit dem kambrische Explosion (das plötzliche Auftreten mehrzelliger Lebensformen vor 570 bis 530 Millionen Jahren) ist ebenfalls von großem Interesse.

Mangel an Photosynthesegeräten

Es gibt zwei stabile Kohlenstoffisotope im Meerwasser: Kohlenstoff-12 (C-12) und Kohlenstoff-13 (C-13).

Da biochemische Prozesse dazu neigen, bevorzugt das leichtere C-12-Isotop einzubauen, besteht bei ozeanbewohnenden Photosynthesegeräten, sowohl Protisten als auch Algen, eine Tendenz, dass das seltene schwerere C-13 im Vergleich zu der Häufigkeit, die in der Primärquelle gefunden wird, sehr leicht erschöpft ist vulkanische Quellen des Kohlenstoffs der Erde. Daher weist ein Ozean mit photosynthetischem Leben ein höheres C-12/C-13-Verhältnis in organischen Überresten und ein niedrigeres Verhältnis im entsprechenden Ozeanwasser auf.

Während der vorgeschlagenen Periode von Snowball Earth gibt es Schwankungen in der Konzentration von C-13, die im Vergleich zu normalen modernen Schwankungen schnell und extrem sind. Dies steht im Einklang mit einem tiefen Frost, der das meiste oder fast das gesamte photosynthetische Leben im Wasser tötete. Das Hauptproblem bei dieser Idee ist, dass angenommen wird, dass die Variationen im Kohlenstoffisotopenverhältnis synchron sind, aber eine geochronologische Bestätigung dieser Synchronität fehlt.

Gebänderte Eisenbildung (BIF)

In der Erde Sauerstoff reich (jetzt fast 21% nach Volumen) Atmosphäre , Eisen rostet natürlich und bildet gebänderte Sedimente, die als gebänderte Eisenformationen bekannt sind.

Da sich nicht oxidierte, eisenreiche Gesteinsablagerungen nur in Abwesenheit dieses allgegenwärtigen atmosphärischen Sauerstoffs bilden können, und da diese betreffenden Ablagerungen zur angenommenen Zeit der schlimmsten Vereisungen zu sehen sind, hat sich das Vorhandensein von nicht oxidierten Eisenablagerungen in der kryogenischen Zeit abgelagert stärkt die Schneeball-Erde-Theorie.

Die Gesamtmenge an Sauerstoff, die in den gebänderten Eisenbetten eingeschlossen ist, wird auf vielleicht das 20-fache des in der modernen Atmosphäre vorhandenen Sauerstoffvolumens geschätzt, und praktisch alles davon resultiert aus in Wasser gelöstem Eisen, das dann Sauerstoff ausgesetzt wird, der ausfällt Lösung. Gebänderte Eisenbetten gelten signifikant als präkambrische Sedimentgesteine ​​und sind in Schichten des Phanerozoikums selten.

Befürworter der Theorie weisen darauf hin, dass der Sauerstoff in der Erdatmosphäre nicht von Natur aus stabil ist und kontinuierlich aufrechterhalten (nachgefüllt) werden muss Biosphäre da es bei einer Vielzahl von chemischen Reaktionen, insbesondere bei denen, die mit Kohlendioxid in Verbindung stehen, ständig aus der Atmosphäre ausgelaugt wird Eisen und Silizium .

Kohlendioxid ist ein wichtiges Treibhausgas, und der größte Entferner davon aus der Atmosphäre ist die atmosphärische Verwitterung, bei der Silikatgestein in Sand und Staub zerfällt, die weggeblasen oder weggespült werden, wodurch neue Gesteinsoberflächen weiteren Angriffen durch Wasser oder die Atmosphäre ausgesetzt werden; viel von ihrer Komponente Kalzium und Magnesium löst sich heraus und verbindet sich mit CO zwei gelöste Bicarbonate zu bilden. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses lässt sich an den Daten älterer erodierter Grabsteine ​​auf einem Friedhof ablesen. In einer Schneeball-Erde würden im Wesentlichen alle Felsen schließlich eingeschlossen und von Eis und Schnee bedeckt, was zu einer langfristigen, allmählichen, stetigen Kohlendioxidansammlung führt.

Überleben des Lebens durch die gefrorenen Perioden

Eine gewaltige Vereisung würde das Pflanzenleben auf der Erde einschränken, wodurch der Luftsauerstoff drastisch erschöpft und vielleicht sogar verschwinden würde und somit (nicht oxidiertes) eisenreiches Gestein entstehen könnte. Kritiker argumentieren, dass diese Art der Vereisung das Leben vollständig ausgelöscht hätte, was nicht geschah. Befürworter entgegnen, dass es dem Leben möglich gewesen sein könnte, auf diese Weise zu überleben:

  • Reservoire von anaerobem und sauerstoffarmem Leben, angetrieben durch Chemikalien in tiefen ozeanischen Hydrothermalquellen, die in den tiefen Ozeanen der Erde überleben und Kruste ; aber Photosynthese wäre dort nicht möglich gewesen.
  • Tiefseeregionen weit entfernt vom Superkontinent Rodinia oder seinen Überresten, als er auseinanderbrach und auf dem abtrieb tektonischen Platten Möglicherweise haben einige kleine Regionen mit offenem Wasser ermöglicht, kleine Mengen an Leben mit Zugang zu Licht und CO zu erhalten zwei für Pflanzen, die während der Photosynthese verwendet werden, um Spuren von Sauerstoff zu erzeugen, die ausreichen, um einige sauerstoffabhängige Organismen zu erhalten. Dies würde auch dann noch passieren, wenn das Meer vollständig zugefroren wäre, vorausgesetzt, dass die kleinen Teile des Eises dünn genug waren, um Licht durchzulassen.
  • In Nunatak-Gebieten in den Tropen, wo tagsüber tropische Sonne oder vulkanische Hitze nackten Fels erhitzten und kleine temporäre Schmelzbecken bildeten, die bei Sonnenuntergang zufrieren würden.
  • Als zu Eis tiefgefrorene Eier und ruhende Zellen und Sporen während der Gefrierzeit.
  • Unter der Eisschicht, in chemolithotrophen (mineralstoffwechselnden) Ökosystemen, die theoretisch denen in modernen Gletscherbetten, hochalpinem und arktischem Schuttpermafrost und basalem Gletschereis ähneln. Dies ist besonders plausibel in Gebieten mit Vulkanismus oder geothermischer Aktivität.
  • In Taschen mit flüssigem Wasser innerhalb und unter den Eiskappen, ähnlich wie Wostok-See in Antarktis . Theoretisch könnte dieses System mikrobiellen Gemeinschaften ähneln, die in den ewig gefrorenen Seen der antarktischen Trockentäler leben.

Karbonatkappenfelsen; wie die Erde auftaut

Die Kohlendioxidwerte, die zum Auftauen der Erde erforderlich sind, wurden auf das 350-fache des heutigen Wertes geschätzt, könnten sich jedoch aufgrund des Gegenteils des zuvor erwähnten Effekts als möglicher Mechanismus ansammeln, der das Einfrieren überhaupt erst auslöst; Wäre die Erde vollständig mit Eis bedeckt, würden Silikatgesteine ​​während der Erosion nicht freigelegt und Kohlendioxid würde dann nicht aus der Atmosphäre entfernt. Endlich genug CO zwei Ausgestoßene Vulkane würden sich ansammeln, vielleicht nach einer Ära des Anstiegs vulkanische Aktivität (ein erstaunlicher Produzent dieses Treibhausgases), dass die Ozeane rund um den Äquator schließlich schmelzen würden, was ein Band aus offenem eisfreiem Wasser erzeugen würde, das viel dunkler als das stark reflektierende Eis wäre und mehr Energie von der Sonne absorbieren würde. Dies würde wiederum die Erde stärker erwärmen, mehr Wasser schmelzen, um mehr Licht zu absorbieren, und so weiter. Gleichzeitig ist die Fülle an CO zwei würde reichlich Nahrung liefern, um eine Populationsexplosion von Cyanobakterien zu ernähren, was zu einer relativ schnellen Wiederanreicherung der Atmosphäre mit Sauerstoff führen würde, um die folgende kambrische Explosion mit den neuen vielzelligen Lebensformen zu ernähren. Diese positive Rückkopplungsschleife würde das Eis in geologischer Kürze schmelzen, vielleicht in weniger als 1000 Jahren; Nachschub an Luftsauerstoff und Abbau von CO zwei Ebenen würde mehr Tausende von Jahren dauern.

Der Kohlendioxidgehalt wäre jedoch immer noch zwei Größenordnungen höher als üblich. Regen würde CO auswaschen zwei aus der Atmosphäre als schwache Kohlensäurelösung, die freiliegendes Silikatgestein in Karbonatgestein verwandeln würde, das dann leicht erodieren, in den Ozean gespült und tiefe Schichten von Karbonatsedimentgestein bilden würde. Dicke Schichten genau dieses abiotischen Karbonat-Sediments finden sich auf dem Geschiebemergel, der zuerst auf die Schneeballerde hindeutete.

Irgendwann würde der Kohlendioxidgehalt so weit sinken, dass die Erde wieder zufrieren würde. Dieser Zyklus dauerte an, bis Rodinia sich so weit zerstreut hatte, dass das Land der Erde nicht mehr entlang des Äquators ausgebreitet war und die Hauptursache der Schneeballerde nicht mehr funktionierte.

Entwicklung des Lebens

Das Neoproterozoikum war eine Zeit der bemerkenswerten Diversifizierung mehrzelliger Lebewesen, insbesondere der Tiere. Tier Größe und Komplexität nahmen mit der Zeit erheblich zu, so dass Fossilien mit weichem Körper es ermöglichten, die Ediacara-Zeit von der IUGS (International Union of Geological Sciences) zu unterscheiden. Diese Entwicklung vielzelliger Tiere war möglicherweise das Ergebnis eines erhöhten evolutionären Drucks, der sich aus mehreren Eishaus-Treibhaus-Zyklen ergab; In diesem Sinne könnten Schneeball-Erde-Episoden die Evolution 'gepumpt' haben. Einige Befürworter der Schneeball-Erde-Theorie weisen auch darauf hin, dass die letzte wichtige Gletscherepisode möglicherweise nur wenige Millionen Jahre vor dem Beginn der kambrischen Explosion geendet hat.

Andere Schneeballerden

Eine weitere Schneeballerde wurde auch für die erste bekannte Eiszeit vor 2,3 Milliarden Jahren vorgeschlagen. Dort ist der vorgeschlagene Mechanismus das erste Auftreten von atmosphärischem Sauerstoff, der jegliches Methan in der Luft absorbiert hätte. Da Methan ein starkes Treibhausgas ist, und als das Sonne war damals deutlich schwächer, die Temperaturen sanken. Die Beweise hier sind schwächer, aber aus dieser Zeit kann auch eine Schicht aus eisenhaltigem Gestein gefunden werden.

Eine konkurrierende Theorie zur Erklärung des Vorhandenseins von Eis auf den äquatorialen Kontinenten war, dass die axiale Neigung der Erde ziemlich hoch war, in der Nähe von 60 °, was das Land der Erde in hohe 'Breitengrade' bringen würde. Eine noch weniger schwerwiegende Möglichkeit wäre, dass nur der Magnetpol der Erde zu dieser Neigung gewandert ist, da die magnetischen Messwerte, die auf eisgefüllte Kontinente hindeuten, davon abhängen, dass die Magnet- und Rotationspole relativ ähnlich sind (es gibt einige Hinweise darauf, dass dies der Fall ist). ist der Fall). In beiden Fällen wäre das Einfrieren auf relativ kleine Gebiete beschränkt, wie es heute der Fall ist, und es sind keine schwerwiegenden Änderungen des Erdklimas erforderlich.

Alternativ können die glazialen Beweise für die Schneeballerde durch das Konzept der wahren Polarwanderung (IITPW) des Trägheitsaustauschs neu interpretiert werden. Dies wurde von Kirschvink und anderen von Caltech im Juli 1997 vorgeschlagen und besagt, dass sich die kontinentalen Landmassen unter dem Einfluss physikalischer Gesetze, die die Verteilung der Masse für den Planeten als Ganzes beeinflussen, viel schneller bewegt haben könnten, als zuvor angenommen wurde. Wenn sich die Kontinente zu weit vom Äquator entfernen, kann die gesamte Lithosphäre rutschen, um sie mit Hundertfacher Geschwindigkeit der gewöhnlichen tektonischen Plattenbewegungen zum Äquator zurückzubringen. Dies hat den Effekt, dass es so aussieht, als ob der magnetische Nordpol gewandert wäre, obwohl sich die Kontinente tatsächlich in Bezug auf ihn neu ausgerichtet haben. Diese Idee wurde von Torsvik et al. (1998), Meert (1999) und Torsvik und Rehnstrom (2001) zeigten, dass das von Kirschvink et al. (1997) reichte nicht aus, um die Hypothese zu stützen. Obwohl der physikalische Mechanismus von IITPW geophysikalisch einwandfrei ist, ist die Idee, dass ein Ereignis im Kambrium stattgefunden hat, unbegründet.

Wenn eine solch schnelle Bewegung stattfand, würde dies die Existenz solcher Merkmale der Vergletscherung in enger zeitlicher Nähe zu der Anwesenheit der Kontinente in der Nähe des Äquators erklären. Trägheitsaustausch True Polar Wander wurde auch mit der kambrischen Explosion evolutionärer Formen in Verbindung gebracht, als Tiere gezwungen waren, sich zu entwickeln, um sich an sich schnell verändernde Lebensräume und Umgebungen anzupassen. Das Problem bei der Verbindung von IITPW mit der kambrischen Explosion besteht darin, dass neuere Daten eine solche schnelle Bewegung während des Kambriums nicht mehr unterstützen.