冰雪地球

魏科

仰望星空，科學家一直在深空中尋找另一個適宜人類居住的家園。所謂“宜居”，通常的標準是指行星與恒星距離合適，在一定范圍內水能夠以液態形式存在，因為液態水是生命生存所不可缺少的元素。

如果將這一標準向前推到約7億年前來看我們的地球的話，你會發現，那時的地球可能并不宜居，因為地球當時正處于全球冰封的“冰雪地球”時代。

全球冰封的時代

所謂冰雪地球，英文名稱為snowball Earth，指的是包括大陸和海洋在內的整個地球完全被冰雪覆蓋，在此期間，地表氣溫降到-50℃，陸地和海洋白茫茫一片，海冰厚度可達一兩千米，陸地上的冰川和積雪厚度可達數千米，整個地球變成了一個巨大的冰雪球。相對于文章后面提到的其他冰雪地球假說，此時的地球也可以叫作“硬殼雪球”（hard snowball Earth）。

這種全球覆蓋冰川的情況在地球發展歷史上可能出現過多次，最被認可的有三次，第一次發生在距今24億～22億年以前，第二次發生在距今7.5億～6億年前。這兩個時代都出現在地球臭氧層形成（大概距今6億年）和寒武紀生命大爆炸（距今5.41億年前）之前。第三次在2.8億年前左右，被認為可能是造成二疊紀生物大滅絕的原因之一。

理論的源起

冰雪地球這一理論假說的提出至少可以追溯到1909年，提出者為澳大利亞地質學家兼南極探險家道格拉斯·莫森。他在南澳大利亞發現了疑似新元古代（NP， Neoproterozoic，距今10億～5.4億年前）的冰川沉積物。當時的主流觀點認為，澳大利亞在新元古代位于熱帶。于是，道格拉斯·莫森提出了global glaciation（全球冰川）的猜想，時間大概是1909年。這個猜想在當時是一個非常大膽的假設，但尚未形成影響力。

到了1964年，劍橋大學地質學家沃爾特·布賴恩·哈蘭德進一步提出了新元古代的全球性冰川假說，他的主要依據有兩個：其一，基本上在地球上所有的大陸均發現新元古代時期的冰川遺跡，甚至連曾經是熱帶的格陵蘭島都有冰川。其二，現在的大陸在新元古代時期基本上都在熱帶。既然連當年在熱帶地區的大陸都有冰川，中高緯度更應該為冰雪覆蓋，所以當時出現了全球冰川。

然而，直到1992年，正式的冰雪地球假說和“Snowball Earth”這個詞語才被加州理工大學的地質學家約瑟夫·科什文克教授首先提出。科什文克是個古怪點子比較多的人，比如他就能狂想到了snowball earth，并且預測和發現了化石磁小體（magneto fossils），化石磁小體本來用于生物地層學，現在甚至在火星探測中都有很大用處。當然，他的冰雪地球假說依舊沒什么影響力，估計是因為該理論是藏在專業書籍《The Proterozoic Biosphere（元古代生物圈）》上，全球看過這本書的人估計寥寥無幾。

真正使得冰雪地球成為古氣候和地質界熱點話題的人是哈佛大學的保羅·霍夫曼教授，他于1998年在《科學》雜志上發表了題為《A Neoproterozoic snowball earth（新元古代冰雪地球）》的文章，在這篇四頁半的文章里，他主要討論了關于全球性冰川問題，并對冰雪地球假說提出了更多的地質證據和解釋。根據其在非洲西南部國家納米比亞的科考，保羅·霍夫曼認為，在新元古代時期，地球經歷了數次（2～4次）全球性冰川時期。在冰川覆蓋期間，地表氣溫降到-50℃，地球的陸地和海洋完全為冰雪覆蓋，海冰厚度可達一兩千米，陸地上的冰川和積雪厚度可達數千米，整個地球變成一個巨大的冰雪球。

冰雪地球假說當然是一個對古氣候的大膽假設，因為時代久遠，誰也沒法回到過去看看那時候到底發生了什么。該假說涉及古地質、古生物和古氣候等地球科學領域的許多基本問題，一經提出便在地學界引起了巨大的反響和爭論，大家必然會問以下四個問題：第一，有什么證據表明冰雪地球存在過？第二，地球是怎么冰封的？第三，地球是如何解凍的？第四，全球冰封的時候，生命在哪里？

冰雪地球確實存在過

接下來，我們就逐一探究上面四個問題的答案。

首先，可以表明冰雪地球存在的證據。

第一個證據是全球冰川記錄。如前所述，劍橋大學地質學家沃爾特·布瑞恩·哈蘭德根據各項證據提出，全球所有的大陸上均發現新元古代時期冰川遺留的痕跡，其次是新元古代時期這些大陸基本上都集中在赤道附近。

他在這里用了一個巧妙的證據，地球火山噴發出來巖漿在冷卻變硬之前，因為地球磁場的作用，巖漿中含有的鐵礦顆粒的磁場方向應該與當地的地球磁場方向保持一致。如果當時的大陸位于赤道附近， 這些顆粒的磁場方向應該是水平的;如果大陸位于地球的兩極附近，這些顆粒的磁場方向是差不多垂直的。當巖石變硬之后，如果鐵礦顆粒的磁場方向沒有受到其他因素的影響，它們的磁場方向便能夠記錄在巖石形成時大陸所在的緯度。研究顯示，新元古代時期冰川殘跡層中巖石的磁場竟然全都是水平的。這表明那時候的大陸基本上都集中在熱帶地區。20世紀60年代，大陸漂移學說已經被學界接受，所以新元古代時期陸地集中在熱帶地區這一觀點也是可以被接受的。

第二個證據是碳酸鹽巖帽。

大氣中的二氧化碳被雨水沖刷帶到地面后，會與巖石中的硅酸鹽發生化學反應生成碳酸氫鹽，這些碳酸氫鹽隨著河水進入海洋，并進一步與鈣、鎂等發生反應生成碳酸鹽而沉淀于海底。

如果全球被冰雪覆蓋，大氣中的二氧化碳無法完成上述反應，從而造成碳酸鹽（碳酸氫鹽都是可溶的，它們最終都要生成碳酸鹽）的缺失;如果冰封的地球大范圍解凍，這時候二氧化碳能夠參與上述反應，會在冰川層上形成一層深厚的碳酸鹽覆蓋物。它與下面的冰川沉積物的界限一般很明顯，像蓋在冰川沉積上的帽子，因此也被稱作碳酸鹽巖帽（cap carbonate）。目前，碳酸鹽巖帽已在全球多地被發現，這就印證了地球曾經經歷過冰雪覆蓋-解凍的過程。

第三個證據是條帶狀鐵礦層（BIF鐵礦）。

在24億年以前的古元古代，因為光合作用尚未形成，地球大氣和海洋中嚴重缺氧，導致海洋中的二價鐵離子不斷在海水中富集，從而形成全球性的條帶狀鐵礦石層（Banded Iron Formation，BIF）。當氧氣產生之后，地球上的BIF鐵礦逐漸消失。然而當冰雪地球形成時，由于海冰覆蓋的影響，海洋處于缺氧狀態，由此造成來自洋中脊和洋底沉積物淋濾出的二階鐵離子在底部海水中富集。一旦冰期結束，大氣中的氧會進入海洋中并與鐵發生化學反應，使鐵從海水中沉淀出來并混合到冰川殘余物里，由此造成在冰雪地球對應的地層中發現的條狀鐵礦遠多于相鄰地質時期的條狀鐵礦的情況。這也成為冰雪地球曾經發生過的又一項證據。

海洋中主要有兩種穩定的碳同位素——12C和13C，其中13C的豐度比12C低很多，約為1.109%左右。13C和12C的比值與有機生命體的活動有關：海洋中的原生生物和藻類的光合作用更傾向于吸收12C，所以在其生命繁盛時期，13C/12C的比值明顯偏高。而在冰雪地球時期，大量有機生命體死亡，造成生物吸收的12C顯著減少，使得13C/12C的比值明顯偏低。現有證據表明，在冰川殘積層上面的碳酸鹽層中，12C與其同位素13C的比值在冰川期前后明顯偏低。這是第四個證據。

另外一個證據則是碳酸鹽巖底部異常高的銥沉積。

根據在贊比亞和剛果的鉆探結果，研究人員發現在6.3億年前形成的碳酸鹽巖底部有異常高的銥沉積。只有在地球長期處于完全被冰封的狀態下，源于太空中的銥（隕石和彗星塵埃）才能在地表不斷累積;否則，它將被沖刷到海洋里。根據現今太空物質的累積速度，人們估計地球在6.3億年前被冰封了至少300萬年甚至1200萬年。

冰雪地球是怎么形成的

事實上，不管形成冰雪地球的原因是什么，全球最終為冰雪覆蓋，必定要啟動地球氣候系統的冰雪-太陽輻射正反饋機制，即開始因為某種原因導致氣溫下降，降溫之后冰雪開始發展，冰雪發展導致地表反照率增加，被地球系統吸收的太陽輻射減少，產生持續降溫，進而導致冰雪進一步發展，由此愈發不可收拾，最終出現全球性的大降溫和冰雪封凍。專家對此也有不同的解釋。

科什文克認為，新元古代的全球性冰川期與新元古代特殊的大陸分布有關。他對雪球事件的解釋為，當陸地位于熱帶地區，并且在基本不被冰雪覆蓋時，有利于CO2與巖石發生化學反應;熱帶較強的降雨也使得大氣中的CO2更多地被帶到地面，與巖石中的硅酸鹽發生化學反應生成碳酸氫鹽。這些碳酸氫鹽隨河水進入海洋后，進一步與鈣、鎂等反應進而沉淀到海底，即前文所述碳酸鹽巖帽的形成機理。與之對比，如果陸地大部分位于中高緯度地區，考慮到高緯度的陸地常年被冰雪覆蓋，不利于大氣中的CO2與地面巖石間的化學反應，因此當陸地在熱帶地區的時候，容易大量消耗大氣中的CO2，可能會讓大氣中的CO2濃度降到相當低的程度，溫室效應減弱，容易形成全球性的冰川。

然而自新元古代之后，大陸向中高緯度漂移。現在的地球上，陸地大部分位于中高緯度地區，這不利于大氣中的CO2與地面巖石間發生化學反應而消耗CO2，其結果是CO2含量保持穩定，不容易發生全球性冰川。因此冰雪地球的出現是新元古代全球海陸分布的必然結果。

關于全球冰雪地球的形成，霍夫曼在1999年提出一個假設，在冰雪地球形成之前，全球的大陸都集中在赤道附近，即羅迪尼亞超級大陸（Rodinia）。這個大陸在冰川覆蓋開始之前裂解，形成兩個新的超級大陸——勞倫古大陸（Laurentia）和岡瓦納大陸（Gondwana）。超級大陸裂解使大陸邊緣的海洋面積迅速增加，由于大陸邊緣是海-氣相互作用與海洋生物初級生產率最高的區域，因此全球的海洋初級生產率大大提高，并且伴隨著有機碳大量沉積進入海洋的情況發生;另一方面，由于大陸分離，使得原來大陸內部降水及徑流逐漸增加，這些都加速了大氣中的CO2含量迅速消耗，從而使得全球溫室氣體大量減少，溫室效應減弱，最終觸發了冰雪-太陽輻射反饋災變，形成全球大降溫和冰雪地球。

有科學家從天體物理的角度提出了一個大膽假設，認為當時的赤道面和黃道面之間的夾角可能不是現在的23.5°，而是大于54°。這意味著，夏季時太陽直射極地，赤道附近的年平均氣溫要低于極地地區，氣候帶的分布和現在完全不同。在這種情況下，赤道地區有利于冰川發育，中低緯度地區覆蓋大規模冰雪，而極地地區沒有冰蓋，這就解釋了赤道大陸上的冰川問題。不過這個假設受到了霍夫曼等人的強烈質疑：在這種黃赤夾角下，全球的季節變化更明顯，冰雪在季節演變中的維持難度比較大，中高緯度地區的冰川無法持續存在;然而，目前的地質資料顯示，在稍微高一點的緯度，比如南緯30°～40°的區域曾在這一時期出現過冰川，這就是地軸傾斜假設的重要缺憾。另外，地軸傾斜假說也需要解釋地球黃赤夾角為何會發生變化。

最后一個可能就是超級火山爆發或者小行星撞擊問題。

6500萬年前，一顆直徑為10千米的小行星撞擊地球，撞擊地點位于墨西哥灣的猶卡坦半島，激起漫天塵埃遮天蔽日，并通過平流層環流影響全球，導致氣溫急劇下降，地球最終出現了千年尺度的全球冷期和恐龍等生物的大滅絕。1815年，印度尼西亞松巴哇島上的坦博拉火山爆發，這次火山強度為7級，引起1816年歐洲、美洲和全球各地的嚴寒和饑荒，使得1816年成為著名的“無夏之年”。火山爆發和小行星撞擊是地球氣候系統里的不確定性因子，也是高發因子，距離地球38萬千米之外的月球上，直徑大于1千米的撞擊坑就有3.3萬個，臨近的火星、水星、土衛三、木衛三等星球上也布滿了大大小小的撞擊坑。這些撞擊坑表明，我們的地球也同樣曾經歷過無數的小行星撞擊。超級大陸的裂解一定配合有非常劇烈的地質活動，并伴隨有頻繁而猛烈的火山噴發，因此很有可能在這一板塊運動活躍期，地球上經歷了比坦博拉火山噴發強得多的持續的超級火山噴發，最終觸發冰雪-太陽輻射的正反饋過程。

冰雪地球是怎么融化的

如前所述，當冰雪-太陽輻射的正反饋機制啟動后，其效果一發不可收拾，要是沒有負反饋機制出現，地球會徹底變成一個越發堅硬的白色冰星球。全球冰川要從冰雪封凍中解放出來，起碼熱帶地區的夏季平均溫度要高于冰點，從-50℃上升到0℃，需要非常強的加熱和溫室效應。

目前，我們擔心的全球變暖是因為大氣中的二氧化碳含量在快速升高。在冰雪地球時期，為了讓熱帶夏季溫度高于冰點，就需要二氧化碳含量達到一個非常高的水平。不同地球系統模式的模擬結果表明，當時需要的CO2量從0.12個大氣壓（相當于目前CO2濃度的350倍）甚至到3.2個大氣壓。

盡管數值模式目前存在極大的不確定性，模式中的云物理、輻射和動力學參數過程等都不健全，可能無法真實有效地模擬新元古代時期的氣候問題。但科學家絕對是有奇幻的想象力的，3.2個大氣壓是現在大氣壓力的3.2倍，這么高的數值讓很多人覺得絕望，不知道怎么可能產生這么多的二氧化碳？

這意味著，一旦全球進入冰封狀態后，可能永遠無法恢復，那么地球又是怎么解凍的呢？尤其是考慮到冰雪地球條件下，大氣中的水汽含量很少，水汽的溫室效應非常弱，并且缺乏大熱容量的液態水的存在，大氣下墊面的日變化和季節變化都非常大，有些類似于火星現在的狀況，尤其是夜晚和冬半球的溫度異常低，這些都不利于冰雪融化。

與此同時，也還是有一些因素最終使得地球上的冰雪得以融化，最主要的就是火山活動。

在全球冰封狀態下，地表化學剝蝕和有機物沉積速度明顯減慢，大氣中的CO2消耗量大大減少，但是補給量基本穩定——全球的火山活動持續將CO2源源不斷釋放到大氣中，導致CO2濃度不斷增加。經過上百萬年積累，大氣中的CO2濃度達到了較高水平，溫室效應得以逐漸增強。

另一方面，火山噴發使得火山灰被撒到全球各地，冰蓋之上可能覆蓋和混雜有大量火山灰。當火山灰積累到一定量時，地球的反照率大幅度降低，使得臨界CO2不需要達到恐怖的0.12～3.2個大氣壓。

隨著溫室效應的增強和地表反照率的降低，氣候系統終于開始從太陽輻射中吸收更多輻射，使得赤道和低緯度地區的洋面融化。當開闊的洋面出現后，又會啟動另外一個正反饋機制，即冰雪減少產生開闊洋面導致地球反照率降低，入射的太陽輻射增加，地球氣溫得以升高，冰雪由此進一步融化、減少，使得反照率進一步降低，入射太陽輻射進一步增加……

當冰雪消融后，由于全球溫室氣體含量超高，引起的溫室效應非常強烈，因為碳酸鹽的形成和光合作用消耗二氧化碳是一個非常緩慢的過程，可能需要數百萬年，因此在這段二氧化碳含量超高時期，地面的氣溫有可能高達50℃，此時超高二氧化碳形成的就不是溫室效應，而是熱室效應了。

從全球冰封到50℃的高溫，地球經歷了劇烈的極寒和極熱氣候的交替，霍夫曼等認為，這種劇變對生命進化起著選擇和過濾的作用：在極端氣候交替中能迅速適應極端環境的生物，可以快速演變和實現基因變異，這些基因變異使得生命最終朝著更復雜的種類進化。數百萬年過去后，碳酸鹽的形成和光合作用大量消耗掉二氧化碳，溫室效應得以減弱，地球才逐漸進入到氣溫穩定的狀態。

地球上的生命如何延續

當冰雪地球上的冰雪終于消融、洋面解凍之后，假如當時地球上有生命存在，冰川的消退為這一小部分生命提供了巨大的生存和繁衍空間。在這樣的生存環境里，生存競爭非常微弱，所以我們不用擔心冰雪消融后生命的演化問題，只需要關注全球冰封的時候生命是怎么度過這一漫長時期的。

在那個時代，生命的形式非常簡單。由于當時的地球還未形成臭氧層，生物不敢冒險跑到陸地和海洋淺層，大多生活在10米以下的世界里，地球上最高級的植物不過就是藻類，最高級的動物也就是三葉蟲而已，因此這個階段的生命具備經受嚴酷考驗的實力。在火山島嶼附近或大地熱液較高的地區，一些古細菌如產甲烷菌、極端嗜熱菌等可能在高壓、黑暗、缺氧、含硫等極端環境下生存。

當然，如果在冰雪地球下生命都能照樣存活，那么我們是否可以認為在冰雪覆蓋的泰坦（土衛六）上也有生命呢？目前似乎沒有證據證明這一點。

為了給生命的延續提供合適空間，近年來研究人員又提出一系列假設，以便為生命開拓存活的通道和空間，比如：

薄冰雪球（Thin-ice Snowball）假設 該假設認為，熱帶地區沒有被厚厚的冰雪覆蓋，而只是覆蓋著一層薄薄的冰雪。這樣一來，陽光可以穿透過去，使得生命在海洋里能夠有更好的條件延續下去。

泥濘地球（Slushball）假設 這一假設認為，全球并不是都覆蓋有冰雪，在熱帶海洋中還有狹長海水帶直接與大氣接觸，也就是存在有溫度超過冰點的海水。

泥球雪球（Mudball）假設 此假說認為，低緯度地區的冰升華后，冰上的塵埃卻被留下來。因為海冰不斷向低緯度流動，使得中高緯度的塵埃也被帶入低緯度的熱帶地區，所以塵埃會在熱帶不斷累積，低緯地區一片泥濘。

耶夢加得雪球（Jormungand Snowball）假設 該假說認為，雖然地球上大部分海洋覆蓋著海冰，但熱帶海洋中仍留存有一條窄窄的水道。這條水道的位置隨季節變化而不停擺動，如北歐神話中的巨蛇怪耶夢加得。

為了挽救地球上的生命，科學家們也是想盡了辦法。

未來的另一個地球

冰雪地球的研究遠遠沒有達到理論成熟的階段，文章開始提到的四個問題始終是焦點。一方面需要實際可靠且完整的地質資料證據進行相關研究，另一方面需要過程完整且可靠的地球氣候系統模式來研究具體過程和機理，模式里不僅必須要有大氣、海洋、冰雪圈，還必須包含云過程、氣溶膠、碳循環過程和可靠的火山過程模擬。

這也意味著，人們還不能完全還原在距今7.5億～6億年里到底發生了什么。當時的真相還在重重迷霧之中。

冰雪地球不僅是氣候劇變現象，對整個地球生態系統都有影響，它對當時地球上已經存在的生命構成了巨大挑戰。不過，在冰雪地球事件結束后發生了寒武紀生物大爆發。或許這并不只是一種巧合。關于冰雪地球的研究也許能幫助科學家揭開寒武紀生物大爆發的謎團。

可以想見，冰雪地球的研究涉及到地球系統各圈層，包括大氣圈、水圈、冰雪圈、生物圈、巖石圈以及各圈層的相互作用，地球科學各領域的科學家都可以從中找到自己的興趣點。當然，冰雪地球的影響并不僅僅局限于科學家群體里，古氣候的研究向來如此，啟發科學家和社會去思考地球的歷史和人類的歷史與命運，對未來保持一種居安思危的謹慎樂觀的態度。

冰雪地球的發生表明，即使在適應生命存在的星球上，氣候也可能發生劇烈變化;但只要星球可以自發走出災難性的氣候狀態，它依然可能適宜生命存在。這對人類搜尋地外生命具有啟發性的意義。換句話說，或許某星球目前的氣候條件并不適宜生命存在，但并不能說明這就是一顆無生命的星球，因為該星球有可能自發走出目前嚴酷的氣候狀態，到達一個適宜生命生存的氣候狀態，那或許就是未來的另一個地球。

【責任編輯】趙 菲