Snowball Earth - Snowball Earth

A hipótese Snowball Earth propõe que, durante um ou mais climas de estufa da Terra , a superfície do planeta ficou totalmente ou quase totalmente congelada. Acredita-se que isso ocorreu em algum momento antes de 650 Mya (milhões de anos atrás) durante o período criogeniano . Os proponentes da hipótese argumentam que ela explica melhor os depósitos sedimentares que geralmente se acredita serem de origem glacial em paleolatitudes tropicais e outras características enigmáticas no registro geológico . Os oponentes da hipótese contestam que as implicações das evidências geológicas para a glaciação global e a viabilidade geofísica de um oceano coberto de gelo - ou neve derretida , e eles enfatizam a dificuldade de escapar de uma condição totalmente congelada. Várias perguntas permanecem sem resposta, incluindo se a Terra era uma bola de neve completa ou uma "bola de neve derretida" com uma faixa equatorial fina de água aberta (ou sazonalmente aberta).

Os episódios bola de neve-Terra são propostos como tendo ocorrido antes da radiação repentina de bioformas multicelulares conhecidas como explosão Cambriana . O episódio mais recente da bola de neve pode ter desencadeado a evolução da multicelularidade. Outro episódio de bola de neve muito anterior e mais longo, a glaciação de Huronian , que teria ocorrido entre 2400 e 2100 Mya, pode ter sido desencadeada pelo primeiro aparecimento de oxigênio abundante na atmosfera, que ficou conhecido como o " Grande Evento de Oxidação ".

História


Primeira evidência de glaciação antiga

Muito antes de a ideia de uma glaciação global ser proposta pela primeira vez, ocorreu uma série de descobertas que acumularam evidências de antigas glaciações pré-cambrianas. A primeira dessas descobertas foi publicada em 1871 por J. Thomson, que encontrou material retrabalhado em geleiras antigas (tilito ) em Islay , Escócia. Descobertas semelhantes ocorreram na Austrália (1884) e na Índia (1887). Um quarto achado muito ilustrativo, que veio a ser conhecido como " Moraine de Reusch " , foi relatado por Hans Reusch no norte da Noruega em 1891. Muitos outros achados se seguiram, mas seu entendimento foi prejudicado pela rejeição da deriva continental .

Glaciação global proposta

Sir Douglas Mawson (1882–1958), um geólogo australiano e explorador da Antártica, passou grande parte de sua carreira estudando a estratigrafia Neoproterozóica do Sul da Austrália, onde identificou sedimentos glaciais espessos e extensos. Como resultado, no final de sua carreira, ele especulou sobre a possibilidade de glaciação global.

As idéias de Mawson sobre a glaciação global, entretanto, baseavam-se na suposição equivocada de que a posição geográfica da Austrália e de outros continentes onde depósitos glaciais de baixa latitude são encontrados permaneceram constantes ao longo do tempo. Com o avanço da hipótese da deriva continental e, eventualmente , da teoria das placas tectônicas , veio uma explicação mais fácil para os sedimentos glaciogênicos - eles foram depositados em uma época em que os continentes estavam em latitudes mais altas.

Em 1964, a ideia de glaciação em escala global ressurgiu quando W. Brian Harland publicou um artigo no qual apresentava dados paleomagnéticos mostrando que tilitos glaciais em Svalbard e Groenlândia foram depositados em latitudes tropicais. A partir desses dados paleomagnéticos e da evidência sedimentológica de que os sedimentos glaciais interrompem a sucessão de rochas comumente associadas a latitudes tropicais a temperadas, ele argumentou que ocorreu uma era do gelo tão extrema que resultou no depósito de rochas glaciais marinhas nos trópicos.

Na década de 1960, Mikhail Budyko , um climatologista soviético, desenvolveu um modelo climático simples de balanço de energia para investigar o efeito da cobertura de gelo no clima global . Usando este modelo, Budyko descobriu que se os mantos de gelo avançassem longe o suficiente das regiões polares, um ciclo de feedback se seguia em que o aumento da refletividade ( albedo ) do gelo levava a um maior resfriamento e à formação de mais gelo, até que toda a Terra fosse coberta em gelo e estabilizado em um novo equilíbrio coberto de gelo.

Embora o modelo de Budyko tenha mostrado que essa estabilidade de albedo de gelo poderia acontecer, ele concluiu que, de fato, nunca aconteceu, já que seu modelo não oferecia nenhuma maneira de escapar de tal ciclo de feedback.

Em 1971, Aron Faegre, um físico americano, mostrou que um modelo de balanço de energia semelhante previa três climas globais estáveis, um dos quais era a bola de neve da Terra. Este modelo introduziu o conceito de intransitividade de Edward Norton Lorenz , indicando que poderia haver um grande salto de um clima para outro, incluindo a bola de neve da Terra.

O termo "bola de neve da Terra" foi cunhado por Joseph Kirschvink em um pequeno artigo publicado em 1992 dentro de um extenso volume sobre a biologia do éon Proterozóico . As principais contribuições deste trabalho foram: (1) o reconhecimento de que a presença de formações de ferro em faixas é consistente com tal episódio glacial global, e (2) a introdução de um mecanismo pelo qual escapar de uma Terra completamente coberta de gelo - especificamente, o acúmulo de CO 2 da liberação de gases vulcânicos levando a um efeito de ultraestufa .

A descoberta de Franklyn Van Houten de um padrão geológico consistente no qual os níveis dos lagos aumentaram e diminuíram é agora conhecida como o "ciclo de Van Houten". Seus estudos de depósitos de fósforo e formações de ferro em bandas em rochas sedimentares fizeram dele um dos primeiros adeptos da hipótese da "bola de neve da Terra", postulando que a superfície do planeta congelou há mais de 650 milhões de anos.

O interesse na noção de uma bola de neve da Terra aumentou dramaticamente depois que Paul F. Hoffman e seus colegas aplicaram as idéias de Kirschvink a uma sucessão de rochas sedimentares neoproterozóicas na Namíbia e elaboraram a hipótese na revista Science em 1998, incorporando observações como a ocorrência de carbonatos de tampa .

Em 2010, Francis A. Macdonald, professor assistente em Harvard no Departamento de Ciências da Terra e Planetárias, e outros, relatou evidências de que Rodínia estava na latitude equatorial durante o período criogeniano com gelo glacial no nível do mar ou abaixo dele, e que o Sturtian associado a glaciação era global.

Provas

A hipótese da bola de neve da Terra foi originalmente concebida para explicar a evidência geológica da aparente presença de geleiras em latitudes tropicais. De acordo com a modelagem, um feedback de gelo-albedo resultaria no gelo glacial avançando rapidamente para o equador, uma vez que as geleiras se espalharam entre 25 ° a 30 ° do equador. Portanto, a presença de depósitos glaciais nos trópicos sugere uma cobertura global de gelo.

Crítico para uma avaliação da validade da teoria, portanto, é a compreensão da confiabilidade e da importância das evidências que levaram à crença de que o gelo chegou aos trópicos. Essa evidência deve provar três coisas:

  1. que um leito contém estruturas sedimentares que só poderiam ter sido criadas por atividade glacial;
  2. que a cama estava nos trópicos quando foi depositada.
  3. que as geleiras estavam ativas em diferentes locais globais ao mesmo tempo, e que nenhum outro depósito da mesma idade existe.

Este último ponto é muito difícil de provar. Antes do Ediacaran , os marcadores bioestratigráficos normalmente usados ​​para correlacionar rochas estão ausentes; portanto, não há como provar que rochas em diferentes lugares do globo foram depositadas precisamente ao mesmo tempo. O melhor que pode ser feito é estimar a idade das rochas usando métodos radiométricos , que raramente são precisos para mais de um milhão de anos ou mais.

Os primeiros dois pontos costumam ser a fonte de controvérsia caso a caso. Muitas características glaciais também podem ser criadas por meios não glaciais, e estimar as latitudes aproximadas das massas de terra até mesmo há 200  milhões de anos pode ser difícil.

Paleomagnetismo

A hipótese da bola de neve da Terra foi levantada pela primeira vez para explicar o que eram então considerados depósitos glaciais perto do equador. Como as placas tectônicas se movem lentamente ao longo do tempo, determinar sua posição em um determinado ponto da longa história da Terra não é fácil. Além das considerações de como as massas de terra reconhecíveis poderiam ter se encaixado, a latitude em que uma rocha foi depositada pode ser restringida pelo paleomagnetismo.

Quando as rochas sedimentares se formam, os minerais magnéticos dentro delas tendem a se alinhar com o campo magnético da Terra . Através da medição precisa desse paleomagnetismo , é possível estimar a latitude (mas não a longitude ) onde a matriz rochosa foi formada. Medidas paleomagnéticas indicaram que alguns sedimentos de origem glacial no registro de rocha neoproterozóica foram depositados dentro de 10 graus do equador, embora a precisão desta reconstrução esteja em questão. Esta localização paleomagnética de sedimentos aparentemente glaciais (como dropstones ) sugere que as geleiras se estendiam da terra até o nível do mar em latitudes tropicais na época em que os sedimentos foram depositados. Não está claro se isso implica uma glaciação global ou a existência de regimes glaciais localizados, possivelmente sem litoral. Outros até sugeriram que a maioria dos dados não restringe nenhum depósito glacial a 25 ° do equador.

Os céticos sugerem que os dados paleomagnéticos poderiam ser corrompidos se o antigo campo magnético da Terra fosse substancialmente diferente do atual. Dependendo da taxa de resfriamento do núcleo da Terra , é possível que durante o Proterozóico, o campo magnético não se aproximasse de uma distribuição dipolar simples , com os pólos magnéticos norte e sul aproximadamente alinhados com o eixo do planeta como fazem hoje. Em vez disso, um núcleo mais quente pode ter circulado com mais vigor e dado origem a 4, 8 ou mais pólos. Os dados paleomagnéticos teriam então que ser reinterpretados, já que os minerais sedimentares poderiam ter se alinhado apontando para um 'Pólo Oeste' ao invés do Pólo Norte. Alternativamente, o campo dipolar da Terra poderia ter sido orientado de forma que os pólos estivessem próximos ao equador. Esta hipótese foi posta para explicar o movimento extraordinariamente rápido dos pólos magnéticos implícito no registro paleomagnético de Ediacaran; o suposto movimento do pólo norte ocorreria por volta da mesma época da glaciação Gaskiers.

Outro ponto fraco da confiança nos dados paleomagnéticos é a dificuldade em determinar se o sinal magnético registrado é original ou se foi reiniciado por atividade posterior. Por exemplo, a orogenia que forma uma montanha libera água quente como um subproduto de reações metamórficas; essa água pode circular por rochas a milhares de quilômetros de distância e redefinir sua assinatura magnética. Isso torna a autenticidade de rochas com mais de alguns milhões de anos difícil de determinar sem observações mineralógicas meticulosas. Além disso, mais evidências estão se acumulando de que eventos de remagnetização em grande escala ocorreram, o que pode exigir a revisão das posições estimadas dos pólos paleomagnéticos.

Atualmente existe apenas um depósito, o depósito Elatina da Austrália, que foi indubitavelmente depositado em baixas latitudes; sua data de deposição é bem restrita e o sinal é comprovadamente original.

Depósitos glaciais de baixa latitude

Diamictito da Formação Neoproterozóica Pocatello, um depósito do tipo "bola de neve"
Elatina Fm diamictito abaixo Ediacaran GSSP site nos Flinders Ranges NP , South Australia. Uma moeda de $ 1 para escala.

As rochas sedimentares depositadas por geleiras apresentam características distintas que permitem sua identificação. Muito antes do advento da hipótese da bola de neve da Terra, muitos sedimentos neoproterozóicos foram interpretados como tendo uma origem glacial, incluindo alguns aparentemente em latitudes tropicais no momento de sua deposição. No entanto, é importante lembrar que muitas feições sedimentares tradicionalmente associadas às geleiras também podem ser formadas por outros meios. Assim, a origem glacial de muitas das principais ocorrências da bola de neve da Terra foi contestada. Em 2007, havia apenas um ponto "muito confiável" - ainda contestado - identificando tilitos tropicais , o que torna as declarações de cobertura de gelo equatorial um tanto presunçosas. No entanto, evidências de glaciação ao nível do mar nos trópicos durante o Sturtian estão se acumulando. A evidência da possível origem glacial do sedimento inclui:

  • Dropstones (pedras lançadas em sedimentos marinhos), que podem ser depositados por geleiras ou outros fenômenos.
  • Varves (camadas anuais de sedimentos em lagos periglaciais), que podem se formar em temperaturas mais altas.
  • Estriações glaciais (formadas por rochas incrustadas raspadas contra o leito rochoso): estrias semelhantes são, de vez em quando, formadas por fluxos de lama ou movimentos tectônicos.
  • Diamictitas (conglomerados mal classificados). Originalmente descrito como glacial till , a maioria era, na verdade, formada por fluxos de detritos .

Depósitos de água aberta

Parece que alguns depósitos formados durante o período da bola de neve só poderiam ter se formado na presença de um ciclo hidrológico ativo. Faixas de depósitos glaciais de até 5.500 metros de espessura, separados por pequenas faixas (metros) de sedimentos não glaciais, demonstram que as geleiras derreteram e se formaram repetidamente por dezenas de milhões de anos; oceanos sólidos não permitiriam essa escala de deposição. É possível que correntes de gelo , como as vistas na Antártica hoje, tenham causado essas sequências. Além disso, as características sedimentares que só poderiam se formar em águas abertas (por exemplo: ondulações formadas por ondas , detritos transportados por gelo e indicadores de atividade fotossintética) podem ser encontradas em sedimentos que datam dos períodos bola de neve-Terra. Embora possam representar "oásis" de água derretida em uma Terra completamente congelada, a modelagem por computador sugere que grandes áreas do oceano devem ter permanecido livres de gelo; argumentando que uma bola de neve "dura" não é plausível em termos de balanço de energia e modelos de circulação geral.

Razões de isótopos de carbono

Existem dois isótopos estáveis de carbono na água do mar : carbono-12 ( 12 C) e o raro carbono-13 ( 13 C), que compõe cerca de 1,109 por cento dos átomos de carbono.

Os processos bioquímicos, dos quais a fotossíntese é um, tendem a incorporar preferencialmente o isótopo 12 C mais leve . Assim, os fotossintetizadores que vivem no oceano, tanto protistas quanto algas , tendem a se esgotar ligeiramente em 13 C, em relação à abundância encontrada nas fontes vulcânicas primárias de carbono da Terra. Portanto, um oceano com vida fotossintética terá uma proporção menor de 13 C / 12 C nos restos orgânicos e uma proporção maior na água do oceano correspondente. O componente orgânico dos sedimentos litificados permanecerá muito ligeiramente, mas mensurável, esgotado em 13 C.

Durante o episódio proposto de bola de neve na Terra, há excursões negativas rápidas e extremas na proporção de 13 C a 12 C. Uma análise cuidadosa do tempo de 13 C 'picos' em depósitos em todo o globo permite o reconhecimento de quatro, possivelmente cinco, eventos glaciais no final do Neoproterozóico.

Formações de ferro em faixas

Pedra de 2,1 bilhões de anos com pedra de ferro faixa preta

Formações de ferro em faixas (BIF) são rochas sedimentares de óxido de ferro em camadas e chert pobre em ferro . Na presença de oxigênio, o ferro enferruja naturalmente e se torna insolúvel em água. As formações ferríferas bandadas são comumente muito antigas e sua deposição está frequentemente relacionada à oxidação da atmosfera da Terra durante a era Paleoproterozóica , quando o ferro dissolvido no oceano entrou em contato com o oxigênio produzido fotossinteticamente e precipitou-se como óxido de ferro.

As bandas foram produzidas no ponto crítico entre um oceano anóxico e um oxigenado. Como a atmosfera de hoje é rica em oxigênio (quase 21% em volume) e em contato com os oceanos, não é possível acumular óxido de ferro suficiente para depositar uma formação em faixas. As únicas formações ferríferas extensas que foram depositadas após o Paleoproterozóico (após 1,8 bilhões de anos atrás) estão associadas a depósitos glaciais criogenianos .

Para que tais rochas ricas em ferro sejam depositadas, teria de haver anóxia no oceano, de modo que muito ferro dissolvido (como óxido ferroso ) pudesse se acumular antes de encontrar um oxidante que o precipitasse como óxido férrico . Para que o oceano se torne anóxico, ele deve ter trocas gasosas limitadas com a atmosfera oxigenada. Os proponentes da hipótese argumentam que o reaparecimento de BIF no registro sedimentar é resultado de níveis limitados de oxigênio em um oceano selado por gelo marinho, enquanto os oponentes sugerem que a raridade dos depósitos de BIF pode indicar que eles se formaram em mares interiores.

Estando isolados dos oceanos, esses lagos poderiam ter ficado estagnados e anóxicos em profundidade, assim como o Mar Negro de hoje ; uma entrada suficiente de ferro poderia fornecer as condições necessárias para a formação de BIF. Outra dificuldade em sugerir que os BIFs marcaram o fim da glaciação é que eles são encontrados intercalados com sedimentos glaciais. Os BIFs também estão notavelmente ausentes durante a glaciação marinoana .

Rochas carbonáticas

Uma geleira atual

Em torno do topo dos depósitos glaciais neoproterozóicos , há comumente uma transição abrupta em um calcário sedimentar quimicamente precipitado ou dolomita com metros a dezenas de metros de espessura. Esses carbonatos de cobertura às vezes ocorrem em sucessões sedimentares que não possuem outras rochas carbonáticas, sugerindo que sua deposição é resultado de uma profunda aberração na química dos oceanos .

Vulcões podem ter desempenhado um papel na reposição de CO
2, possivelmente terminando a era do gelo global do Período Criogeniano .

Esses carbonatos de cobertura têm composição química incomum, bem como estruturas sedimentares estranhas que são freqüentemente interpretadas como grandes ondulações. A formação de tais rochas sedimentares pode ser causada por um grande influxo de íons carregados positivamente , como seria produzido pelo rápido desgaste durante a estufa extrema após um evento da Terra em bola de neve. A assinatura isotópica δ 13 C dos carbonatos de cobertura é próxima a −5 ‰, consistente com o valor do manto - um valor tão baixo geralmente é / poderia ser considerado uma ausência de vida, uma vez que a fotossíntese geralmente age para aumentar o valor; alternativamente, a liberação de depósitos de metano poderia tê-lo baixado de um valor mais alto e contrabalançar os efeitos da fotossíntese.

O mecanismo preciso envolvido na formação de carbonatos de cobertura não é claro, mas a explicação mais citada sugere que, no derretimento de uma bola de neve da Terra, a água dissolveria o CO abundante.
2da atmosfera para formar ácido carbônico , que cairia como chuva ácida . Isso iria intempéries de silicatos e rochas carbonáticas expostas (incluindo detritos glaciais prontamente atacados), liberando grandes quantidades de cálcio , que quando levadas para o oceano formariam camadas distintamente texturizadas de rochas carbonatadas sedimentares. Esse sedimento abiótico " carbonato de cobertura " pode ser encontrado no topo da glacial até que deu origem à hipótese da bola de neve da Terra.

No entanto, existem alguns problemas com a designação de uma origem glacial para cobrir os carbonatos. Em primeiro lugar, a alta concentração de dióxido de carbono na atmosfera faria com que os oceanos se tornassem ácidos e dissolveriam quaisquer carbonatos neles contidos - em total desacordo com a deposição de carbonatos de cobertura. Além disso, a espessura de alguns carbonatos de cobertura está muito acima do que poderia ser razoavelmente produzido nas deglaciações relativamente rápidas. A causa é ainda mais enfraquecida pela falta de carbonatos de cobertura acima de muitas sequências de origem glacial clara em um momento semelhante e a ocorrência de carbonatos semelhantes dentro das sequências de origem glacial proposta. Um mecanismo alternativo, que pode ter produzido o carbonato de cobertura Doushantuo pelo menos, é a liberação rápida e ampla de metano. Isso é responsável por incrivelmente baixo - tão baixo quanto −48 ‰ - δ 13 C valores - bem como características sedimentares incomuns que parecem ter sido formadas pelo fluxo de gás através dos sedimentos.

Mudança de acidez

Os isótopos do elemento boro sugerem que o pH dos oceanos caiu drasticamente antes e depois da glaciação marinoana . Isso pode indicar um acúmulo de dióxido de carbono na atmosfera, alguns dos quais se dissolvem nos oceanos para formar ácido carbônico . Embora as variações do boro possam ser evidências de mudanças climáticas extremas , elas não precisam implicar em uma glaciação global.

Poeira espacial

A superfície da Terra está muito esgotada no elemento irídio , que reside principalmente no núcleo da Terra. A única fonte significativa do elemento na superfície são as partículas cósmicas que atingem a Terra. Durante uma bola de neve na Terra, o irídio se acumularia nas camadas de gelo e, quando o gelo derretesse, a camada de sedimento resultante seria rica em irídio. Uma anomalia de irídio foi descoberta na base das formações carbonáticas do topo e foi usada para sugerir que o episódio glacial durou pelo menos 3 milhões de anos, mas isso não implica necessariamente uma extensão global da glaciação; na verdade, uma anomalia semelhante poderia ser explicada pelo impacto de um grande meteorito .

Flutuações climáticas cíclicas

Usando a proporção de cátions móveis para aqueles que permanecem no solo durante o intemperismo químico (o índice químico de alteração), foi demonstrado que o intemperismo químico variou de forma cíclica dentro de uma sucessão glacial, aumentando durante os períodos interglaciais e diminuindo durante o frio e árido períodos glaciais. Este padrão, se um verdadeiro reflexo dos eventos, sugere que as "Terras em bola de neve" têm uma semelhança mais forte com os ciclos da era do gelo do Pleistoceno do que com uma Terra completamente congelada.

Além disso, os sedimentos glaciais da Formação Port Askaig Tillite na Escócia mostram claramente ciclos intercalados de sedimentos marinhos glaciais e rasos. O significado desses depósitos depende muito de sua datação. Os sedimentos glaciais são difíceis de datar, e o leito datado mais próximo do grupo Portaskaig fica 8 km estratigraficamente acima dos leitos de interesse. Sua datação de 600 Ma significa que os leitos podem ser provisoriamente correlacionados à glaciação de Sturtian, mas podem representar o avanço ou recuo de uma bola de neve da Terra.

Mecanismos

Uma simulação de computador das condições durante um período de bola de neve na Terra

O início de um evento de bola de neve na Terra envolveria algum mecanismo de resfriamento inicial, o que resultaria em um aumento na cobertura de neve e gelo da Terra. O aumento da cobertura de neve e gelo da Terra, por sua vez, aumentaria o albedo da Terra , o que resultaria em feedback positivo para o resfriamento. Se neve e gelo suficientes se acumularem, o resultado será um resfriamento descontrolado. Este feedback positivo é facilitado por uma distribuição continental equatorial, que permitiria o acúmulo de gelo nas regiões mais próximas ao equador, onde a radiação solar é mais direta.

Muitos mecanismos desencadeadores possíveis podem ser responsáveis ​​pelo início de uma bola de neve na Terra, como a erupção de um supervulcão , uma redução na concentração atmosférica de gases de efeito estufa , como metano e / ou dióxido de carbono , mudanças na produção de energia solar ou perturbações da Terra órbita . Independentemente do gatilho, o resfriamento inicial resulta em um aumento na área da superfície da Terra coberta por gelo e neve, e o gelo e neve adicionais refletem mais energia solar de volta ao espaço, resfriando ainda mais a Terra e aumentando ainda mais a área da superfície da Terra coberta por gelo e neve. Este ciclo de feedback positivo poderia eventualmente produzir um equador congelado tão frio quanto a Antártica moderna .

O aquecimento global associado a grandes acumulações de dióxido de carbono na atmosfera ao longo de milhões de anos, emitido principalmente pela atividade vulcânica, é o gatilho proposto para o derretimento de uma bola de neve da Terra. Devido ao feedback positivo para o derretimento, o derretimento final da neve e do gelo que cobre a maior parte da superfície da Terra exigiria apenas um milênio.

Distribuição continental

Uma distribuição tropical dos continentes é, talvez contra-intuitivamente, necessária para permitir o início de uma bola de neve da Terra. Em primeiro lugar, os continentes tropicais são mais reflexivos do que o oceano aberto e, portanto, absorvem menos do calor do Sol: a maior parte da absorção da energia solar na Terra hoje ocorre nos oceanos tropicais.

Além disso, os continentes tropicais estão sujeitos a mais chuvas, o que leva ao aumento da vazão dos rios - e à erosão. Quando expostas ao ar, as rochas de silicato sofrem reações de intemperismo que removem o dióxido de carbono da atmosfera. Essas reações ocorrem da forma geral: Mineral formador de rocha + CO 2 + H 2 O → cátions + bicarbonato + SiO 2 . Um exemplo de tal reação é o intemperismo da volastonita :

CaSiO 3 + 2CO 2 + H 2 O → Ca 2+ + SiO 2 + 2HCO 3 -

Os cátions de cálcio liberados reagem com o bicarbonato dissolvido no oceano para formar carbonato de cálcio como uma rocha sedimentar precipitada quimicamente . Isso transfere dióxido de carbono , um gás de efeito estufa, do ar para a geosfera e, em estado estacionário em escalas de tempo geológicas, compensa o dióxido de carbono emitido pelos vulcões para a atmosfera.

Em 2003, uma distribuição continental precisa durante o Neoproterozóico era difícil de estabelecer porque havia poucos sedimentos adequados para análise. Algumas reconstruções apontam para os continentes polares - que têm sido uma característica de todas as outras grandes glaciações, fornecendo um ponto sobre o qual o gelo pode formar uma nucleação. Mudanças nos padrões de circulação dos oceanos podem então ter fornecido o gatilho da bola de neve da Terra.

Fatores adicionais que podem ter contribuído para o início da bola de neve Neoproterozóica incluem a introdução de oxigênio atmosférico livre, que pode ter alcançado quantidades suficientes para reagir com o metano na atmosfera , oxidando-o a dióxido de carbono, um gás de efeito estufa muito mais fraco e um mais jovem - portanto mais fraco - Sol, que teria emitido 6% menos radiação no Neoproterozóico.

Normalmente, à medida que a Terra fica mais fria devido às flutuações climáticas naturais e mudanças na radiação solar incidente, o resfriamento retarda essas reações de intemperismo. Como resultado, menos dióxido de carbono é removido da atmosfera e a Terra se aquece à medida que esse gás de efeito estufa se acumula - esse processo de ' feedback negativo ' limita a magnitude do resfriamento. Durante o período criogeniano , no entanto, os continentes da Terra estavam todos em latitudes tropicais , o que tornou esse processo de moderação menos eficaz, já que as altas taxas de intemperismo continuaram na terra mesmo com o resfriamento da Terra. Isso permitiu que o gelo avançasse além das regiões polares. Uma vez que o gelo avançou para cerca de 30 ° do equador, um feedback positivo poderia resultar de tal forma que o aumento da refletividade ( albedo ) do gelo levasse a um maior resfriamento e à formação de mais gelo, até que toda a Terra esteja coberta de gelo.

Os continentes polares, devido às baixas taxas de evaporação , são muito secos para permitir a deposição substancial de carbono - restringindo a quantidade de dióxido de carbono atmosférico que pode ser removido do ciclo do carbono . Um aumento gradual da proporção do isótopo carbono-13 em relação ao carbono-12 nos sedimentos anteriores à glaciação "global" indica que o CO
2 a redução antes da bola de neve da Terra foi um processo lento e contínuo.

O início da bola de neve Terras são sempre marcadas por uma queda acentuada no valor de δ 13 C dos sedimentos, uma marca que pode ser atribuída a uma queda na produtividade biológica como resultado das temperaturas frias e dos oceanos cobertos de gelo.

Em janeiro de 2016, Gernon et al. propôs uma "hipótese de crista rasa" envolvendo a ruptura do supercontinente Rodínia , ligando a erupção e rápida alteração de hialoclastitos ao longo de cristas rasas a aumentos massivos na alcalinidade em um oceano com espessa cobertura de gelo. Gernon et al. demonstraram que o aumento da alcalinidade ao longo da glaciação é suficiente para explicar a espessura dos carbonatos de cobertura formados após os eventos Snowball Earth.

Durante o período de congelamento

Os mantos de gelo globais podem ter criado o gargalo necessário para a evolução da vida multicelular.

A temperatura global caiu tanto que o equador ficou tão frio quanto a Antártica dos dias modernos . Essa baixa temperatura era mantida pelo alto albedo das camadas de gelo, que refletiam a maior parte da energia solar que entrava no espaço. A falta de nuvens retentoras de calor, causada pelo congelamento do vapor d'água da atmosfera, ampliou esse efeito.

Saindo da glaciação global

Os níveis de dióxido de carbono necessários para descongelar a Terra foram estimados em 350 vezes o que são hoje, cerca de 13% da atmosfera. Visto que a Terra estava quase completamente coberta de gelo, o dióxido de carbono não podia ser retirado da atmosfera pela liberação de íons de metal alcalino saindo das rochas siliciosas . Mais de 4 a 30 milhões de anos, CO suficiente
2e o metano , emitido principalmente por vulcões, mas também produzido por micróbios que convertem o carbono orgânico preso sob o gelo em gás, se acumularia para finalmente causar efeito estufa suficiente para fazer derreter o gelo da superfície nos trópicos até uma faixa de terra e água permanentemente livre de gelo desenvolvido; isso seria mais escuro do que o gelo e, portanto, absorveria mais energia do Sol - iniciando um " feedback positivo ".

A desestabilização de depósitos substanciais de hidratos de metano presos no permafrost de baixa latitude também pode ter atuado como um gatilho e / ou um forte feedback positivo para o degelo e aquecimento.

Nos continentes, o derretimento das geleiras liberaria grandes quantidades de depósitos glaciais, que erodiriam e causariam o desgaste. Os sedimentos resultantes fornecidos ao oceano seriam ricos em nutrientes, como fósforo , que combinados com a abundância de CO
2desencadearia uma explosão populacional de cianobactérias , que causaria uma reoxigenação relativamente rápida da atmosfera, o que pode ter contribuído para a ascensão da biota ediacariana e a subsequente explosão cambriana - uma concentração mais alta de oxigênio permitindo o desenvolvimento de grandes formas de vida multicelulares. Embora o ciclo de feedback positivo derretesse o gelo em um curto espaço de tempo geológico, talvez menos de 1.000 anos, reposição do oxigênio atmosférico e esgotamento do CO
2níveis levariam mais milênios .

É possível que os níveis de dióxido de carbono tenham caído o suficiente para que a Terra congele novamente; este ciclo pode ter se repetido até que os continentes se deslocaram para latitudes mais polares.

Evidências mais recentes sugerem que, com temperaturas oceânicas mais frias, a maior capacidade resultante dos oceanos em dissolver gases fez com que o conteúdo de carbono da água do mar fosse mais rapidamente oxidado em dióxido de carbono. Isso leva diretamente a um aumento do dióxido de carbono atmosférico, aumento do aquecimento do efeito estufa da superfície da Terra e a prevenção de um estado de bola de neve total.

Durante milhões de anos, a crioconita teria se acumulado no gelo e dentro dele. Microrganismos psicrofílicos , cinzas vulcânicas e poeira de locais sem gelo se depositariam em gelo cobrindo vários milhões de quilômetros quadrados. Assim que o gelo começasse a derreter, essas camadas se tornariam visíveis e escureceriam as superfícies geladas, ajudando a acelerar o processo.

A luz ultravioleta do Sol também produziria peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) quando atinge as moléculas de água. Normalmente o peróxido de hidrogênio é decomposto pela luz do sol, mas parte dele ficaria preso dentro do gelo. Quando as geleiras começaram a derreter, ele teria sido liberado tanto no oceano quanto na atmosfera, onde se dividiu em moléculas de água e oxigênio, levando a um aumento do oxigênio atmosférico.

Hipótese da Terra Slushball

Embora a presença de geleiras não seja contestada, a ideia de que todo o planeta estava coberto de gelo é mais contenciosa, levando alguns cientistas a postular uma "Terra lamacenta", na qual uma faixa de águas sem gelo, ou finas como gelo, permanece ao redor do equador , permitindo um ciclo hidrológico contínuo .

Essa hipótese atrai cientistas que observam certas características do registro sedimentar que só podem ser formadas em águas abertas, ou gelo em movimento rápido (o que exigiria um local sem gelo para se deslocar). Pesquisas recentes observaram ciclicidade geoquímica em rochas clásticas , mostrando que os períodos de "bola de neve" foram pontuados por períodos de calor, semelhantes aos ciclos da idade do gelo na história recente da Terra. As tentativas de construir modelos de computador de uma bola de neve da Terra também têm lutado para acomodar a cobertura de gelo global sem mudanças fundamentais nas leis e constantes que governam o planeta.

Uma hipótese da Terra bola de neve menos extrema envolve a evolução contínua das configurações continentais e mudanças na circulação do oceano. Evidências sintetizadas produziram modelos que indicam uma "Terra lamacenta", onde o registro estratigráfico não permite postular glaciações globais completas. A hipótese original de Kirschivink havia reconhecido que se esperava que poças tropicais quentes existissem em uma Terra bola de neve.

A hipótese da bola de neve da Terra não explica a alternância de eventos glaciais e interglaciais, nem a oscilação das margens dos lençóis glaciais.

Disputa científica

O argumento contra a hipótese é evidência de flutuação na cobertura de gelo e derretimento durante os depósitos da "Terra bola de neve". A evidência desse derretimento vem de evidências de pedras suspensas glaciais, evidências geoquímicas de ciclicidade climática e sedimentos marinhos superficiais e glaciais intercalados. Um registro mais longo de Omã, restrito a 13 ° N, cobre o período de 712 a 545 milhões de anos atrás - um período de tempo contendo as glaciações de Sturtian e Marinoan - e mostra deposição glacial e sem gelo.

Tem havido dificuldades em recriar uma bola de neve da Terra com modelos climáticos globais . GCMs simples com oceanos de camadas mistas podem ser congelados no equador; um modelo mais sofisticado com um oceano totalmente dinâmico (embora apenas um modelo primitivo de gelo marinho) não conseguiu formar gelo marinho para o equador. Além disso, os níveis de CO
2 necessários para derreter uma cobertura de gelo global foram calculados em 130.000 ppm, que é considerado por alguns como excessivamente grande.

Dados isotópicos de estrôncio foram encontrados em desacordo com os modelos de bola de neve da Terra de desligamento por intemperismo de silicato durante a glaciação e taxas rápidas imediatamente após a glaciação. Portanto, a liberação de metano do permafrost durante a transgressão marinha foi proposta para ser a fonte da grande excursão medida de carbono no tempo imediatamente após a glaciação.

Hipótese de "rachadura no zíper"

Nick Eyles sugere que a Terra Bola de Neve Neoproterozóica não foi, de fato, diferente de qualquer outra glaciação na história da Terra, e que os esforços para encontrar uma única causa provavelmente terminarão em fracasso. A hipótese "Zipper rift" propõe dois pulsos de "descompactação" continental - primeiro, a ruptura do supercontinente Rodínia, formando o oceano proto-Pacífico; depois, a divisão do continente Báltica de Laurentia , formando o proto-atlântico - coincidiu com os períodos de glaciação. A elevação tectônica associada formaria altos planaltos, assim como a fenda da África Oriental é responsável pela alta topografia; este terreno elevado poderia então hospedar geleiras.

Formações de ferro em faixas têm sido tomadas como evidência inevitável da cobertura global de gelo, uma vez que requerem íons de ferro dissolvidos e águas anóxicas para se formar; no entanto, a extensão limitada dos depósitos de ferro em faixas do Neoproterozóico significa que eles podem não ter se formado em oceanos congelados, mas em mares interiores. Esses mares podem experimentar uma ampla gama de produtos químicos; altas taxas de evaporação podem concentrar íons de ferro, e uma falta periódica de circulação pode permitir a formação de água anóxica no fundo.

A fragmentação continental, com subsidência associada, tende a produzir tais corpos d'água sem litoral. Essa rachadura, e subsidência associada, produziria o espaço para a rápida deposição de sedimentos, negando a necessidade de um derretimento imenso e rápido para elevar os níveis globais do mar.

Hipótese de alta obliquidade

Uma hipótese concorrente para explicar a presença de gelo nos continentes equatoriais era que a inclinação axial da Terra era bastante alta, em torno de 60 °, o que colocaria a terra da Terra em altas "latitudes", embora as evidências de apoio sejam escassas. Uma possibilidade menos extrema seria que foi apenas o pólo magnético da Terra que vagou para essa inclinação, já que as leituras magnéticas que sugeriam continentes cheios de gelo dependem de os pólos magnético e rotacional serem relativamente semelhantes. Em qualquer uma dessas duas situações, o congelamento seria limitado a áreas relativamente pequenas, como é o caso hoje; mudanças severas no clima da Terra não são necessárias.

Intercâmbio inercial verdadeiro vagar polar

A evidência de depósitos glaciais de baixa latitude durante os episódios da suposta bola de neve da Terra foi reinterpretada através do conceito de deslocamento polar verdadeiro de intercâmbio inercial (IITPW). Esta hipótese, criada para explicar os dados paleomagnéticos, sugere que a orientação da Terra em relação ao seu eixo de rotação mudou uma ou mais vezes durante o período de tempo geral atribuído à bola de neve da Terra. Isso poderia produzir a mesma distribuição de depósitos glaciais sem exigir que nenhum deles tivesse sido depositado na latitude equatorial. Embora a física por trás da proposição seja sólida, a remoção de um ponto de dados falho do estudo original tornou a aplicação do conceito nessas circunstâncias injustificada.

Várias explicações alternativas para as evidências foram propostas.

A sobrevivência da vida por meio de períodos congelados

Um fumante negro , um tipo de respiradouro hidrotérmico

Uma tremenda glaciação reduziria a vida fotossintética na Terra, esgotando assim o oxigênio atmosférico e, assim, permitindo a formação de rochas não oxidadas ricas em ferro.

Detratores argumentam que esse tipo de glaciação teria feito a vida totalmente extinta. No entanto, microfósseis como estromatólitos e oncólitos provam que, pelo menos em ambientes marinhos rasos, a vida não sofreu qualquer perturbação. Em vez disso, a vida desenvolveu uma complexidade trófica e sobreviveu incólume ao período de frio. Os proponentes afirmam que pode ter sido possível que a vida sobrevivesse das seguintes maneiras:

  • Em reservatórios de vida anaeróbica e de baixo oxigênio alimentados por produtos químicos em fontes hidrotermais oceânicas profundas que sobrevivem nos oceanos profundos e na crosta terrestre ; mas a fotossíntese não teria sido possível lá.
  • Sob a camada de gelo, em ecossistemas quimiolitotróficos (metabolizadores de minerais) teoricamente semelhantes aos existentes em leitos glaciares modernos, permafrost alto-alpino e tálus ártico e gelo glacial basal. Isso é especialmente plausível em áreas de vulcanismo ou atividade geotérmica .
  • Em bolsões de água líquida dentro e sob as calotas polares, semelhantes ao Lago Vostok na Antártica. Em teoria, esse sistema pode se assemelhar a comunidades microbianas que vivem nos lagos perenemente congelados dos vales secos da Antártida. A fotossíntese pode ocorrer sob gelo de até 100 m de espessura e, nas temperaturas previstas pelos modelos, a sublimação equatorial evitaria que a espessura do gelo equatorial excedesse 10 m.
  • Como ovos e células dormentes e esporos ultracongelados em gelo durante as fases mais severas do período de congelamento.
  • Em pequenas regiões de águas abertas em regiões oceânicas profundas preservando pequenas quantidades de vida com acesso à luz e CO
    2    para fotossintetizadores (não plantas multicelulares, que ainda não existiam) para gerar vestígios de oxigênio que eram suficientes para sustentar alguns organismos dependentes de oxigênio. Isso aconteceria mesmo se o mar congelasse completamente, se pequenas partes do gelo fossem finas o suficiente para admitir a luz. Essas pequenas regiões de águas abertas podem ter ocorrido em regiões oceânicas profundas, distantes do supercontinente Rodínia ou de seus remanescentes, à medida que ele se separou e flutuou nas placas tectônicas .
  • Em camadas de "gelo sujo" no topo do manto de gelo cobrindo os mares rasos abaixo. Animais e lama do mar seriam congelados na base do gelo e gradualmente se concentrariam no topo à medida que o gelo acima evaporasse. Pequenos lagos de água fervilhariam de vida graças ao fluxo de nutrientes através do gelo. Esses ambientes podem ter coberto aproximadamente 12 por cento da área de superfície global.
  • Em pequenos oásis de água líquida, como seriam encontrados perto de pontos geotérmicos que lembram a Islândia hoje.
  • Em áreas nunatak nos trópicos , onde o sol tropical diurno ou o calor vulcânico aqueciam as rochas nuas protegidas do vento frio e formavam pequenas piscinas de derretimento temporárias, que congelavam ao pôr do sol.
  • A água de degelo subglacial oxigenada, junto com sedimentos ricos em ferro dissolvidos na água glacial, criou uma bomba de oxigênio da água de degelo quando entrou no oceano, onde forneceu aos eucariotos algum oxigênio e aos organismos fotossintéticos e quimiossintéticos nutrientes suficientes para sustentar um ecossistema. A água doce também se misturaria com a água do mar hipersalina, o que criava áreas menos hostis à vida eucariótica do que em outras partes do oceano.

No entanto, organismos e ecossistemas, tanto quanto pode ser determinado pelo registro fóssil, não parecem ter sofrido a mudança significativa que seria esperada por uma extinção em massa . Com o advento de datações mais precisas, um evento de extinção de fitoplâncton que tinha sido associado à bola de neve da Terra foi mostrado para preceder as glaciações em 16 milhões de anos. Mesmo se a vida se agarrasse a todos os refúgios ecológicos listados acima, uma glaciação da Terra inteira resultaria em uma biota com uma diversidade e composição notavelmente diferente. Essa mudança na diversidade e na composição ainda não foi observada - na verdade, os organismos que deveriam ser mais suscetíveis às variações climáticas emergem ilesos da bola de neve da Terra. Uma refutação a isso é o fato de que em muitos desses lugares onde um argumento é feito contra uma extinção em massa causada pela bola de neve da Terra, o registro fóssil criogeniano é extraordinariamente empobrecido.

Implicações

Uma bola de neve na Terra tem profundas implicações na história da vida na Terra. Embora muitos refúgios tenham sido postulados, a cobertura de gelo global certamente teria devastado ecossistemas dependentes da luz solar. Evidências geoquímicas de rochas associadas a depósitos glaciais de baixa latitude foram interpretadas para mostrar uma queda na vida oceânica durante as glaciais.

Como cerca de metade da água dos oceanos estava congelada como gelo, a água restante seria duas vezes mais salgada do que é hoje, reduzindo seu ponto de congelamento. Quando a camada de gelo derretesse, cobriria os oceanos com uma camada de água doce quente de até 2 quilômetros de espessura. Somente depois que a água quente da superfície se misturou com a água salgada mais fria e mais profunda, o mar voltou a um estado mais quente e menos salgado.

O derretimento do gelo pode ter apresentado muitas novas oportunidades de diversificação e pode, de fato, ter impulsionado a rápida evolução que ocorreu no final do período criogeniano .

Efeito na evolução inicial

Dickinsonia costata , umorganismo ediacarano de afinidade desconhecida, com aparência acolchoada

O Neoproterozóico foi uma época de notável diversificação de organismos multicelulares, incluindo animais. O tamanho e a complexidade do organismo aumentaram consideravelmente após o fim das glaciações em forma de bola de neve. Este desenvolvimento de organismos multicelulares pode ter sido o resultado de pressões evolutivas aumentadas resultantes de múltiplos ciclos de estufa-estufa ; nesse sentido, episódios de bola de neve da Terra podem ter "bombado" a evolução. Alternativamente, os níveis flutuantes de nutrientes e o aumento do oxigênio podem ter influenciado. Outro grande episódio glacial pode ter terminado apenas alguns milhões de anos antes da explosão cambriana .

Uma hipótese que tem ganhado aceitação nos últimos anos: a de que as primeiras bolas de neve da Terra não afetaram tanto a evolução da vida na Terra como o resultado disso. Na verdade, as duas hipóteses não são mutuamente exclusivas. A ideia é que as formas de vida da Terra afetam o ciclo global do carbono e, portanto, os principais eventos evolutivos alteram o ciclo do carbono, redistribuindo o carbono dentro de vários reservatórios dentro do sistema da biosfera e, no processo, diminuindo temporariamente o reservatório de carbono atmosférico (estufa) até que o sistema revisado da biosfera se estabilize em um novo estado. O episódio Snowball I (da glaciação Huroniana de 2,4 a 2,1 bilhões de anos) e Snowball II (do Pré-cambriano Criogeniano entre 580 e 850 milhões de anos e que teve uma série de episódios distintos) são considerados, respectivamente, causados ​​pela evolução do oxigênio fotossíntese e então o surgimento de vida animal multicelular mais avançada e a colonização da terra pela vida.

Efeitos na circulação do oceano

A cobertura global de gelo, se existiu, pode - em conjunto com o aquecimento geotérmico - ter levado a um oceano vivo e bem misturado com grande circulação convectiva vertical.

Ocorrência e tempo

Neoproterozóico

Houve três ou quatro eras glaciais significativas durante o final do Neoproterozóico . Destes, o Marinoan foi o mais significativo, e as glaciações de Sturtian também foram verdadeiramente generalizadas. Mesmo o principal proponente da bola de neve, Hoffman, concorda que a glaciação Gaskiers de 350 mil anos não levou à glaciação global, embora tenha sido provavelmente tão intensa quanto a glaciação ordoviciana tardia . O status da "glaciação" ou "evento de resfriamento" de Kaigas ainda não está claro; alguns cientistas não o reconhecem como glacial, outros suspeitam que pode refletir estratos mal datados da associação sturtiana e outros acreditam que pode realmente ser uma terceira era glacial. Certamente foi menos significativo do que as glaciações sturtiana ou marinoana, e provavelmente não global em extensão. Evidências emergentes sugerem que a Terra passou por uma série de glaciações durante o Neoproterozóico, o que contradiz fortemente a hipótese da bola de neve.

Paleoproterozóico

Artigo principal: glaciação de Huronian

A hipótese da bola de neve da Terra foi invocada para explicar os depósitos glaciais no Supergrupo Huroniano do Canadá, embora a evidência paleomagnética que sugere mantos de gelo em latitudes baixas seja contestada. Os sedimentos glaciais da formação Makganyene da África do Sul são ligeiramente mais jovens do que os depósitos glaciais Huronianos (~ 2,25 bilhões de anos) e foram depositados em latitudes tropicais. Foi proposto que o aumento do oxigênio livre ocorrido durante o Grande Evento de Oxigenação removeu o metano da atmosfera por meio da oxidação. Como o Sol era notavelmente mais fraco na época, o clima da Terra pode ter dependido do metano, um poderoso gás de efeito estufa, para manter as temperaturas da superfície acima de zero.

Na ausência desta estufa de metano, as temperaturas despencaram e um evento de bola de neve poderia ter ocorrido.

Era do Gelo Karoo

Antes da teoria da deriva continental, depósitos glaciais em estratos carboníferos em áreas continentais tropicais, como Índia e América do Sul, levaram à especulação de que a glaciação da Idade do Gelo Karoo alcançou os trópicos. No entanto, uma reconstrução continental mostra que o gelo foi de fato restrito às partes polares do supercontinente Gondwana .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos