中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊    在現(xiàn)代氣候條件下，地球冰凍圈主要存在于高緯度、高海拔和大氣對流層中層至中間層。但在地球?46?億年的歷史中，地球氣候經(jīng)歷了劇烈的冷暖變化，因此地球冰凍圈的范圍也在不斷地波動。在暖期，地球的兩極甚至沒有冰蓋；而在極端寒冷期，冰凍圈推進到赤道附近，地球甚至進入了全冰封的狀態(tài)。如果我們把視野放大到整個太陽系，各行星的冰凍圈所展示的豐富多樣性遠超出了我們基于地球所形成的冰凍圈概念。由于各行星和衛(wèi)星的表面氣壓、溫度與地球存在巨大的差異，它們的冰凍圈與地球冰凍圈有著很大的不同。特別地，行星冰凍圈還包括其他易揮發(fā)組分的冰凍圈層。例如，在火星極低的溫度條件下，二氧化碳（CO₂）能夠形成干冰并沉降；氮氣（N₂）在冥王星上可以形成氮冰等。在太陽系的外圍，一些矮行星和衛(wèi)星主要是由水分組成的，這些天體的殼層是由冰凍圈組成的；在極低的溫度條件下，這些矮行星和衛(wèi)星的水冰物理性質(zhì)與地球上的水冰完全不同。在太陽系之外，目前已發(fā)現(xiàn)了?4?000?多顆系外行星，其中?10—20?顆有可能是適宜類地生命存在的宜居行星。這些太陽系外宜居行星大多是潮汐鎖相行星——其一面永遠朝向其恒星，而另一面永遠背向恒星?？梢韵胂?，這些行星背陽面的冰凍圈與地球冰凍圈應(yīng)該有著很大的差異。

 兩次“冰雪地球”事件

回顧地球?46?億年的歷史，氣候的總體趨勢是不斷變冷的。自地球形成到距今?25?億年前，除去大約距今?30?億年前可能存在一段較短的寒冷時期外，地球上基本沒有冰河期存在；并且，這段時間內(nèi)地球兩極地區(qū)很可能也沒有冰蓋，地球冰凍圈很可能僅存在于大氣層，也就是冰晶云。早期地球的平均表面溫度較現(xiàn)在高得多，氧、硅同位素等其他地質(zhì)證據(jù)也支持這一結(jié)論。

距今?25?億年以來，地球上出現(xiàn)過?5?次大的冰河期，其中?2?次為全球性的，分別發(fā)生在距今?23?億年前的古元古代和距今?8?億—6?億年前的新元古代。當(dāng)這?2?次冰河期達到巔峰時，全球平均溫度降低到??50℃?或更低，陸地被冰川所覆蓋，海冰厚度達?1—2?km，并且延伸到赤道地區(qū)，甚至赤道地區(qū)的海洋也被冰封，地球冰凍圈范圍擴展到最大。這?2?次全球性的冰河期也被稱為“冰雪地球”（Snowball Earth）。當(dāng)全球海洋被冰封之后，水循環(huán)基本被切斷，不會再產(chǎn)生降雪，而最初的積雪逐漸形成冰；此時，地球?qū)嶋H上是被冰所覆蓋，因此稱為“冰球地球”更合適一些。

這?2?次全球性冰川的證據(jù)主要來自?3?個方面：① 在現(xiàn)代，所有大陸上均發(fā)現(xiàn)了對應(yīng)這?2?個時期的冰川殘跡層。根據(jù)古地磁的證據(jù)可以推測出當(dāng)時的大陸基本都集中在熱帶地區(qū)，這說明當(dāng)時赤道地區(qū)大陸也存在冰川。②2?個時期都有條帶型鐵礦石的形成，這說明在條帶型鐵礦石形成之前海洋曾經(jīng)被完全冰封過。只有在海洋完全被冰封的情況下，海洋中氧的來源被切斷，在無氧狀態(tài)下，鐵溶解于海水的現(xiàn)象才能發(fā)生（在無氧的情況下，鐵是可以溶解于水的）；而當(dāng)海冰融化后，大氣中的氧進入海洋，鐵與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化鐵，從海水中沉淀下來，并形成條帶型的鐵礦石。③ 冰川殘積層上面存在深厚的碳酸鹽巖。這說明在冰川期期間，陸地表面硅酸鹽風(fēng)化反應(yīng)被停止或極大地削弱，火山噴發(fā)的?CO₂?不斷在大氣中累積；當(dāng)冰川消融后，大氣中?CO₂?通過風(fēng)化反應(yīng)形成碳酸鈣，并沉降下來。

古元古代冰河期（也被稱為休倫冰河期）有可能是地球歷史上持續(xù)時間最長的冰川期。關(guān)于古元古代“冰雪地球”的形成，一般認為與大氣中甲烷（CH₄）的氧化有關(guān)。那時大氣的氧氣（O₂）開始不斷累積和升高；氧化反應(yīng)使得大氣中CH₄濃度降低，溫室效應(yīng)減弱；繼而地球變冷，從而誘發(fā)了古元古代“冰雪地球”的形成。

新元古代“冰雪地球”事件包括了至少?3—4?次全球性冰川的形成和融化過程，其中至少有?2?次冰川事件是全球性的。新元古代“冰雪地球”的形成和融化與?CO₂?濃度的變化有關(guān)，是一個典型的碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)氣候負反饋機制的結(jié)果。新元古代“冰雪地球”形成和融化分為?4?個階段：① 熱帶裸露的地表導(dǎo)致強的風(fēng)化反應(yīng)，CO₂?濃度降低，溫室效應(yīng)減弱；② 在冰雪-反照率正反饋的作用下，陸地冰川和海冰自高緯度向熱帶擴張，形成全球性冰封；③ 冰封后，風(fēng)化反應(yīng)中斷，火山噴發(fā)的?CO₂?在大氣中累積，溫室效應(yīng)增強；④ 當(dāng)?CO₂?濃度足夠高，溫室效應(yīng)變得足夠強，“冰雪地球”融化，地球返回溫和的氣候態(tài)。整個過程正好代表了?1?次碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)，也反映了該循環(huán)的負反饋機制對氣候穩(wěn)定性的作用。與古元古代“冰雪地球”的形成不同，新元古代“冰雪地球”的形成是由于?CO₂?濃度降低，而非?CH₄?濃度降低。2?次全球性冰川的融化則都是由于?CO₂?濃度升高所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)變強造成的。

這?2?次“冰雪地球”事件對傳統(tǒng)的地球深時古氣候變化和生命演化是一個極大的挑戰(zhàn)。迄今為止，地學(xué)界關(guān)于這?2?次全球性冰川事件還存在廣泛的爭論。爭論的要點為海洋究竟是完全被冰封，還是熱帶海洋仍保留有開放的海域。雖然所有的證據(jù)都表明在元古代的早期和晚期確實出現(xiàn)過地球歷史上最為嚴(yán)重的冰河期，但這些證據(jù)還不能充分證明地球在這?2?個時期被完全冰封過。就現(xiàn)有的證據(jù)而言，熱帶保留開放的洋面似乎更合理一些。如果地球確實被完全冰封數(shù)百萬年，原始生命如何延續(xù)將是一個很難回答的問題。

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