中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶(hù)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(duì)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(dòng)。在暖期，地球的兩極甚至沒(méi)有冰蓋；而在極端寒冷期，冰凍圈推進(jìn)到赤道附近，地球甚至進(jìn)入了全冰封的狀態(tài)。如果我們把視野放大到整個(gè)太陽(yáng)系，各行星的冰凍圈所展示的豐富多樣性遠(yuǎn)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?dú)猓∟₂）在冥王星上可以形成氮冰等。在太陽(yáng)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(yáng)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(lèi)地生命存在的宜居行星。這些太陽(yáng)系外宜居行星大多是潮汐鎖相行星——其一面永遠(yuǎn)朝向其恒星，而另一面永遠(yuǎn)背向恒星。可以想象，這些行星背陽(yáng)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(shì)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(shí)期外，地球上基本沒(méi)有冰河期存在；并且，這段時(shí)間內(nèi)地球兩極地區(qū)很可能也沒(méi)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(lái)，地球上出現(xiàn)過(guò)?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(dá)到巔峰時(shí)，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(dá)?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(kuò)展到最大。這?2?次全球性的冰河期也被稱(chēng)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(huì)再產(chǎn)生降雪，而最初的積雪逐漸形成冰；此時(shí)，地球?qū)嶋H上是被冰所覆蓋，因此稱(chēng)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(lái)自?3?個(gè)方面：① 在現(xiàn)代，所有大陸上均發(fā)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)這?2?個(gè)時(shí)期的冰川殘跡層。根據(jù)古地磁的證據(jù)可以推測(cè)出當(dāng)時(shí)的大陸基本都集中在熱帶地區(qū)，這說(shuō)明當(dāng)時(shí)赤道地區(qū)大陸也存在冰川。②2?個(gè)時(shí)期都有條帶型鐵礦石的形成，這說(shuō)明在條帶型鐵礦石形成之前海洋曾經(jīng)被完全冰封過(guò)。只有在海洋完全被冰封的情況下，海洋中氧的來(lái)源被切斷，在無(wú)氧狀態(tài)下，鐵溶解于海水的現(xiàn)象才能發(fā)生（在無(wú)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(jìn)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(lái)，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(shuō)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(guò)風(fēng)化反應(yīng)形成碳酸鈣，并沉降下來(lái)。

古元古代冰河期（也被稱(chēng)為休倫冰河期）有可能是地球歷史上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的冰川期。關(guān)于古元古代“冰雪地球”的形成，一般認(rèn)為與大氣中甲烷（CH₄）的氧化有關(guān)。那時(shí)大氣的氧氣（O₂）開(kāi)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(guò)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(gè)典型的碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)氣候負(fù)反饋機(jī)制的結(jié)果。新元古代“冰雪地球”形成和融化分為?4?個(gè)階段：① 熱帶裸露的地表導(dǎo)致強(qiáng)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(kuò)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(qiáng)；④ 當(dāng)?CO₂?濃度足夠高，溫室效應(yīng)變得足夠強(qiáng)，“冰雪地球”融化，地球返回溫和的氣候態(tài)。整個(gè)過(guò)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(fù)反饋機(jī)制對(duì)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(qiáng)造成的。

這?2?次“冰雪地球”事件對(duì)傳統(tǒng)的地球深時(shí)古氣候變化和生命演化是一個(gè)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(zhēng)論。爭(zhēng)論的要點(diǎn)為海洋究竟是完全被冰封，還是熱帶海洋仍保留有開(kāi)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(shí)出現(xiàn)過(guò)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(gè)時(shí)期被完全冰封過(guò)。就現(xiàn)有的證據(jù)而言，熱帶保留開(kāi)放的洋面似乎更合理一些。如果地球確實(shí)被完全冰封數(shù)百萬(wàn)年，原始生命如何延續(xù)將是一個(gè)很難回答的問(wèn)題。

相關(guān)文章