地球之外的冰雪世界——行星冰冻圈

中国网/中国发展门户网讯    在现代气候条件下，地球冰冻圈主要存在于高纬度、高海拔和大气对流层中层至中间层。但在地球 46 亿年的历史中，地球气候经历了剧烈的冷暖变化，因此地球冰冻圈的范围也在不断地波动。在暖期，地球的两极甚至没有冰盖；而在极端寒冷期，冰冻圈推进到赤道附近，地球甚至进入了全冰封的状态。如果我们把视野放大到整个太阳系，各行星的冰冻圈所展示的丰富多样性远超出了我们基于地球所形成的冰冻圈概念。由于各行星和卫星的表面气压、温度与地球存在巨大的差异，它们的冰冻圈与地球冰冻圈有着很大的不同。特别地，行星冰冻圈还包括其他易挥发组分的冰冻圈层。例如，在火星极低的温度条件下，二氧化碳（CO₂）能够形成干冰并沉降；氮气（N₂）在冥王星上可以形成氮冰等。在太阳系的外围，一些矮行星和卫星主要是由水分组成的，这些天体的壳层是由冰冻圈组成的；在极低的温度条件下，这些矮行星和卫星的水冰物理性质与地球上的水冰完全不同。在太阳系之外，目前已发现了 4 000 多颗系外行星，其中 10—20 颗有可能是适宜类地生命存在的宜居行星。这些太阳系外宜居行星大多是潮汐锁相行星——其一面永远朝向其恒星，而另一面永远背向恒星。可以想象，这些行星背阳面的冰冻圈与地球冰冻圈应该有着很大的差异。

 两次“冰雪地球”事件

回顾地球 46 亿年的历史，气候的总体趋势是不断变冷的。自地球形成到距今 25 亿年前，除去大约距今 30 亿年前可能存在一段较短的寒冷时期外，地球上基本没有冰河期存在；并且，这段时间内地球两极地区很可能也没有冰盖，地球冰冻圈很可能仅存在于大气层，也就是冰晶云。早期地球的平均表面温度较现在高得多，氧、硅同位素等其他地质证据也支持这一结论。

距今 25 亿年以来，地球上出现过 5 次大的冰河期，其中 2 次为全球性的，分别发生在距今 23 亿年前的古元古代和距今 8 亿—6 亿年前的新元古代。当这 2 次冰河期达到巅峰时，全球平均温度降低到 −50℃ 或更低，陆地被冰川所覆盖，海冰厚度达 1—2 km，并且延伸到赤道地区，甚至赤道地区的海洋也被冰封，地球冰冻圈范围扩展到最大。这 2 次全球性的冰河期也被称为“冰雪地球”（Snowball Earth）。当全球海洋被冰封之后，水循环基本被切断，不会再产生降雪，而最初的积雪逐渐形成冰；此时，地球实际上是被冰所覆盖，因此称为“冰球地球”更合适一些。

这 2 次全球性冰川的证据主要来自 3 个方面：① 在现代，所有大陆上均发现了对应这 2 个时期的冰川残迹层。根据古地磁的证据可以推测出当时的大陆基本都集中在热带地区，这说明当时赤道地区大陆也存在冰川。②2 个时期都有条带型铁矿石的形成，这说明在条带型铁矿石形成之前海洋曾经被完全冰封过。只有在海洋完全被冰封的情况下，海洋中氧的来源被切断，在无氧状态下，铁溶解于海水的现象才能发生（在无氧的情况下，铁是可以溶解于水的）；而当海冰融化后，大气中的氧进入海洋，铁与氧发生化学反应形成氧化铁，从海水中沉淀下来，并形成条带型的铁矿石。③ 冰川残积层上面存在深厚的碳酸盐岩。这说明在冰川期期间，陆地表面硅酸盐风化反应被停止或极大地削弱，火山喷发的 CO₂ 不断在大气中累积；当冰川消融后，大气中 CO₂ 通过风化反应形成碳酸钙，并沉降下来。

古元古代冰河期（也被称为休伦冰河期）有可能是地球历史上持续时间最长的冰川期。关于古元古代“冰雪地球”的形成，一般认为与大气中甲烷（CH₄）的氧化有关。那时大气的氧气（O₂）开始不断累积和升高；氧化反应使得大气中CH₄浓度降低，温室效应减弱；继而地球变冷，从而诱发了古元古代“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过程，其中至少有 2 次冰川事件是全球性的。新元古代“冰雪地球”的形成和融化与 CO₂ 浓度的变化有关，是一个典型的碳酸盐-硅酸盐循环气候负反馈机制的结果。新元古代“冰雪地球”形成和融化分为 4 个阶段：① 热带裸露的地表导致强的风化反应，CO₂ 浓度降低，温室效应减弱；② 在冰雪-反照率正反馈的作用下，陆地冰川和海冰自高纬度向热带扩张，形成全球性冰封；③ 冰封后，风化反应中断，火山喷发的 CO₂ 在大气中累积，温室效应增强；④ 当 CO₂ 浓度足够高，温室效应变得足够强，“冰雪地球”融化，地球返回温和的气候态。整个过程正好代表了 1 次碳酸盐-硅酸盐循环，也反映了该循环的负反馈机制对气候稳定性的作用。与古元古代“冰雪地球”的形成不同，新元古代“冰雪地球”的形成是由于 CO₂ 浓度降低，而非 CH₄ 浓度降低。2 次全球性冰川的融化则都是由于 CO₂ 浓度升高所导致的温室效应变强造成的。

这 2 次“冰雪地球”事件对传统的地球深时古气候变化和生命演化是一个极大的挑战。迄今为止，地学界关于这 2 次全球性冰川事件还存在广泛的争论。争论的要点为海洋究竟是完全被冰封，还是热带海洋仍保留有开放的海域。虽然所有的证据都表明在元古代的早期和晚期确实出现过地球历史上最为严重的冰河期，但这些证据还不能充分证明地球在这 2 个时期被完全冰封过。就现有的证据而言，热带保留开放的洋面似乎更合理一些。如果地球确实被完全冰封数百万年，原始生命如何延续将是一个很难回答的问题。

相关文章