這段長達3億年的冰河時期，可能是地球歷史上最寒冷的時代了

2020-08-10 博物致知計劃

開端

大約24億年前，生命可能已經出現有十億年的時間了，在這段時光中，生命經歷了極為漫長和緩慢的演化過程。它們的外貌仿佛從未改變，依舊是單細胞的細菌形態，不過在它們內部卻發生了極具革命性的改變——有氧光合作用。這種改變讓這些肉眼難見的微生物們利用水和二氧化碳產生氧氣，產生的氧氣逐漸釋放到全球的海洋和大氣中，並在大約24億年前使得地球含氧量逐步提升到現代含氧量水平的5%左右。

藍細菌-它們的形態可能一直都沒怎麼變化過 圖/ Shomu's Biology

地球歷史上氧氣含量變化情況[1]

往後的劇本似乎應該是生物們迅速適應氧氣環境，並開始進行有氧呼吸，在有氧呼吸釋放的劇烈能量下展開激烈的生存競賽，於是物競天擇，生物們迅速演化···不！實際情況並不如此。


精密的地球系統

地球真的是一個非常複雜且精密的系統。在這個系統中，任何微小的變化都有可能成為系統失衡的導火索，最終導致地球環境的劇烈變化。

地球原本的環境中，存在大量的二氧化碳、甲烷等溫室氣體，其中甲烷是一種溫室效應極為突出的氣體，它的溫室效應是二氧化碳的21倍左右[2]，在大約32億年前的遠古地球上存在著大量的二氧化碳（含量可能超過現在100倍以上）和甲烷，這就導致了儘管那時候太陽光照比現在暗淡20%-30%左右，地球上海洋中海水的溫度也達到了80℃左右[3]。

原始地球上濃厚的大氣 圖/iaaa.org

但是光合作用的出現很快改變了這一情況。光合作用產生的氧氣釋放到空氣中以後，這些氧氣首先會與空氣中易氧化的物質發生反應，正如氧氣在海洋中進行的事情一樣。這時候，甲烷就成了氧化的目標，空氣中的甲烷大量被氧化成為二氧化碳，大量甲烷的消失開始逐漸導致地球上溫度的降低。


個人努力與歷史進程

生物的命運，當然要靠生物自身的奮鬥，但是也要考慮到歷史的進程。地球自身的演化進程緩慢，但是影響極其強大。

有證據表明，從大約27億年開始，地球上可能就出現了第一個超級大陸——凱諾蘭大陸（Kenorland），這是一個非常緩慢但是很劇烈的過程。

假想中的凱諾蘭大陸 圖/The Dialogue

在地幔物質受到地核的加熱，熱的部分向上湧動，就好像火鍋中的開水不斷向上翻滾一樣，這些地幔物質也向上翻滾，在接觸到地殼的時候降溫又下降，形成一個熱循環，這個向上翻湧的地幔物質被稱為地幔熱柱，地幔熱柱就在這種形式的運動過程中推擠著地殼不斷運動。

地幔熱柱的運動過程

原始地球上原本可能只是一些微小的板塊零星分布在海洋中，但是在地幔熱柱的作用過程中，這些微小的板塊匯集碰撞到了一起，在碰撞的過程中形成大量的山脈，暴露在地表的巖石本來就會受到風霜雨雪的侵蝕作用，高聳的山脈因其海拔高，更是會大大增加巖石風化的速率，巖石在風化過程中會大量消耗二氧化碳。

板塊碰撞形成山脈，高聳的山脈會加快風化速率 圖/worldatlas

此外，被風化的巖石中含有大量的氮磷硫等元素，這些元素隨著流水一路匯集到海洋中，大大增強了海水的營養物質並讓海洋中的微生物大量爆發，大量爆發微生物無疑會讓光合作用的產氧量再上一個臺階，氧氣的增多再次消耗大氣中的甲烷···

來自陸地巖石風化後的氮磷硫等元素會讓水體中的微生物大量繁殖 圖/waterchain.eu

另外，海洋中的微生物大量爆發後必定會大量死亡，死亡的微生物沉澱在海底被掩埋在泥沙中，這些微生物本身就是通過光合作用消耗了二氧化碳而形成的有機物，這些有機物的掩埋則讓地球大氣中的二氧化碳也少了一大截。

雖然在板塊運動過程中也會引發劇烈的火山活動，但是在大約24億年前生物活動和風化的作用大大超過了火山活動產生二氧化碳的速率[4]。就這樣，在生物自身努力和歷史進程的雙重加持下，地球上的甲烷和二氧化碳這兩種重要的溫室氣體雙雙下降，結果就是地球迅速降溫。降溫的地球首先在兩極出現了冰川，冰川的出現讓地球的降溫過程進入一種惡性循環中。


惡性循環與地球拯救者

地表的物體在陽光下即會吸收陽光能量也會反射一部分陽光能量，我們把它們反射的和吸收的陽光能量的比值稱為反照率，全吸收的反照率為0，全反射的反照率為1。

在地球表面，陸地的反照率為0.2左右，海水的反照率為0.1左右，而海冰的反照率則高達0.5-0.7，也就是說，在這些地表物質中，冰吸收的陽光能量是最少的。

在24億年前的地球上，當冰川從兩極開始出現並逐漸蔓延的時候，惡性循環開始了：海冰增加——吸收陽光能量減少——氣溫降低——海冰增加···就這樣，地球很可能在幾百萬年的時間內平均溫度降低到-10℃，極端的時候可能到達-50℃的地步 ，這時基本上整個地球都被冰雪覆蓋，科學家們將之形象的稱之為：雪球地球。

地球降溫其實是一個惡性循環 圖/assignmentpoint

雪球地球從大約24億年前開始出現，一直斷斷續續持續到21億年前才徹底結束。我願意把這次雪球地球事件看作是第一次鮮為人知的生物大滅絕事件。比起往後的幾次生物大滅絕，這一次事件可能直接讓地球上絕大部分的生物就此滅亡（雖然它們只是微生物），並且讓演化歷程停滯了數億年之久（可能還不止）

不過好在地球上還有火山活動，在厚厚的冰層下，熾熱的巖漿溫暖了小片的海域，這讓少部分微生物得以在此倖存下來。此外，火山在長時間的爆發中噴出的二氧化碳和甲烷的含量逐漸在大氣中積累，讓大氣中的溫室氣體含量重回正軌，從而讓地球解封。在大冰期的3億年間，地球經歷了4次封凍-解封的循環，一直到大約21億年前，地球才終於恢復正常。


參考文獻：

[1]D.E. Canfield.THE EARLYHISTORY OF ATMOSPHERIC OXYGEN: Homage to Robert M. Garrels[J].Annual Review ofEarth and Planetary Sciences,2005,33:1-36.

[2]張福凱,徐龍君.甲烷對全球氣候變暖的影響及減排措施[J].礦業安全與環保,2004(05):6-9+38-75.

[3]Minik T.Rosing,Dennis K. Bird,Norman H. Sleep,Christian J. Bjerrum. No climate paradoxunder the faint early Sun[J]. Nature Publishing Group UK,2010,464(7289).

[4]殷鴻福,喻建新,羅根明,宋海軍,徐珍.地史時期生物對冰室氣候形成的作用[J].地球科學,2018,43(11):3809-3822.

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