Sneeuwbal aarde

Sneeuwbalaarde, of ijsbalaarde, is een model dat beschrijft dat de aarde in bepaalde perioden van haar geschiedenis bijna volledig bedekt was met ijs. Oorspronkelijk ontworpen om de Cryogenien (720-635 Ma) weer te geven, werd dit model vervolgens toegepast op de Huroniaanse ijstijd
(2,4-2,1 Ga) en, binnen het Cryogenien, meer bepaald op de Sturtian-ijstijden (730-650 Ma) en Marinoïsch (650-635 Ma).

Deze hypothese wordt algemeen aanvaard door de geologische gemeenschap, omdat het de beste verklaring is voor sedimenten van ogenschijnlijk gletsjeroorsprong, ontdekt op tropische paleolatitudes, evenals voor andere moeilijk te verklaren aspecten van het geologische record.

Tegenstanders van deze hypothese betwisten dat deze sporen mondiale ijstijd bewijzen, beschouwen het geofysisch moeilijk voor de oceaan om volledig bedekt te zijn met ijs, of noemen de moeilijkheid om uit een volledig bevroren situatie te komen. Sommige vragen blijven nog steeds onbeantwoord, met name of de oceaan volledig bevroren was in ijs, of dat een smalle equatoriale strook vloeibaar bleef.

Deze episoden vonden plaats vóór de plotselinge proliferatie van levensvormen die bekend staat als de Cambrische explosie, en de laatste daarvan hebben mogelijk de evolutie van meercellig leven in gang gezet. Een andere, oudere en langere sneeuwbalepisode, de Huroniaanse ijstijd,
die tussen −2,4 en −2,1 miljard jaar geleden plaatsvond, is mogelijk veroorzaakt door de zuurstofcatastrofe.

Resultaat van een simulatie door NASA.

Geologisch bewijs

De Snowball Earth-hypothese werd voor het eerst naar voren gebracht om de schijnbare aanwezigheid van gletsjers op tropische breedtegraden te verklaren15. Het bestaan van gletsjerafzettingen op deze lage breedtegraden leek erop te wijzen dat de hele aarde toen bedekt was met ijs. Modellen uit die tijd toonden aan dat als het ijs afdaalde naar breedtegraden in de orde van 30°, er een feedbacklus ontstond die verband hield met het albedo van de ijsafzettingen. ijs zou resulteren in een snelle opmars van de gletsjers naar de evenaar. Uit latere modellen is gebleken dat het ijs daadwerkelijk kan dalen tot 25° noorderbreedte, of zelfs dichter bij de evenaar, zonder een totale ijstijd te veroorzaken.

Om de waarde van de theorie te beoordelen, is het daarom noodzakelijk om de betrouwbaarheid en betekenis te bepalen van het bewijsmateriaal dat ons deed geloven dat het ijs de tropen had kunnen bereiken. Deze aanwijzingen moeten het volgende bewijzen:

- dat een bepaalde sedimentlaag alleen kan zijn ontstaan door gletsjeractiviteit.

- dat deze laag zich in een tropische zone bevond toen deze werd afgezet.

Om het bestaan van een periode van mondiale ijstijd te bevestigen, is het ook nodig om aan te tonen dat gletsjers tegelijkertijd op verschillende plaatsen actief waren, en dat er geen andere soorten afzettingen van dezelfde leeftijd zijn.

Dit laatste punt is zeer moeilijk te bewijzen. Vóór de Ediacaran ontbraken biostratigrafische markers (meestal gebruikt om correlaties tussen gesteentetijdperken vast te stellen), er is daarom geen reële mogelijkheid om aan te tonen dat tegelijkertijd gesteenten op afgelegen plaatsen zijn afgezet. De best mogelijke schattingen maken gebruik van radiometrische methoden, die zelden een nauwkeurigheid hebben die beter is dan een miljoen jaar.

Ook de eerste twee punten zijn in elk afzonderlijk geval vaak onderwerp van discussie. Veel kenmerken van gletsjers kunnen in feite door andere mechanismen worden gecreëerd, en het inschatten van de breedtegraad van continenten, zelfs nog maar 200 miljoen jaar geleden, kan moeilijk zijn.

Paleomagnetisme

Omdat continenten in de loop van de tijd bewegen, is het bepalen van hun positie op een bepaald moment niet eenvoudig, maar naast het
analyseren en reconstrueren van hun relatieve posities door middel van geologische en geomorfologische overwegingen, kan de breedtegraad waarop een gesteente zich bevindt, worden bepaald door de geografische ligging ervan te bestuderen.

Wanneer sedimentair gesteente wordt gevormd, hebben de magnetische mineralen die ze bevatten de neiging zich aan te passen aan het magnetische veld van de aarde. De nauwkeurige meting van dit paleomagnetisme maakt het mogelijk om de breedtegraad (maar niet de lengtegraad) van de locatie van deze formatie te schatten. Uit de metingen bleek dat sommige sedimenten van glaciale oorsprong in de geologische lagen van het Neoproterozoïcum zich binnen 10° van de evenaar hadden gevormd, hoewel de nauwkeurigheid van deze reconstructie in twijfel is getrokken.

Deze locatie van ogenschijnlijk gletsjersedimenten met bijvoorbeeld rotsinsluitingen deed ons geloven dat de gletsjers waren afgedaald naar zeeniveau, naar tropische breedtegraden; maar het is niet duidelijk of dit mondiale ijstijd impliceert, of dat het duidt op het bestaan van
gelokaliseerde ijsregimes die verband houden met continentale massa's. Er is zelfs gesuggereerd dat de meeste fossiele gegevens niet inconsistent zijn met de afwezigheid van tropische gletsjers.

Aan de andere kant hebben sceptici erop gewezen dat paleomagnetische gegevens betekenisloos kunnen zijn als het magnetische veld van de aarde in het verleden aanzienlijk anders is geweest. Dus als de kern van de aarde niet snel genoeg was afgekoeld, zou het veld dat werd geïnduceerd door de stromen die daar circuleerden misschien geen dipolaire verdeling hebben gehad, maar vier of meer polen; en zelfs een dipolaire verdeling zou niet in lijn zijn geweest met de rotatie-as van de aarde. In feite impliceren de paleomagnetische gegevens een buitengewoon snelle beweging van de
polen tijdens de Ediacaran, en deze beweging zou rond dezelfde tijd hebben plaatsgevonden als de Gaskiers-ijstijd.

Een andere zwakte van paleomagnetische gegevens is dat het moeilijk is om te bepalen of het opgenomen signaal daadwerkelijk is gewijzigd door daaropvolgende activiteit. Tijdens gebergtevorming komt dus heet water vrij als bijproduct van metamorfe reacties; dit water kan duizenden kilometers verderop naar rotsen circuleren en hun magnetische signatuur resetten. Dit maakt de authenticiteit van deze handtekeningen moeilijk
met zekerheid vast te stellen zonder delicate mineralogische observaties voor gesteenten van meer dan een paar miljoen jaar oud.

Er bestaat momenteel slechts één sedimentaire laag van dit type, die van Elatina in Australië, die overeenkomt met de Marinoïsche ijstijd, die ongetwijfeld op lage breedtegraden is afgezet; we hebben goede zekerheid over de datum van sedimentatie, en we hebben aangetoond dat het paleomagnetische signaal niet is verstoord.

Glaciale afzettingen op lage breedtegraden

Door gletsjers afgezette sedimentaire gesteenten hebben karakteristieke kenmerken die identificatie mogelijk maken. Lang vóór de opkomst van de Sneeuwbalaarde-hypothese werd van veel neoproterozoïsche sedimenten geïnterpreteerd dat ze een gletsjeroorsprong hadden, maar we moeten niet vergeten dat veel van de aspecten die traditioneel met dit mechanisme worden geassocieerd in feite op andere manieren tot stand kunnen zijn gekomen. De gletsjeroorsprong van veel afzettingen die cruciaal zijn voor de Snowball Earth-hypothese is betwist. In 2007 was er slechts één zeer betrouwbare data, deze werd nog steeds betwist die tropische tillites identificeerde, wat suggereerde dat beweringen over equatoriaal ijs enigszins voorbarig waren. Recenter, in 2010, zijn er echter steeds meer aanwijzingen voor tropische ijstijden tijdens het Sturtian-tijdperk.

Diamictiet uit de Neoproterozoïsche Pocatello-formatie, een vorm die
vaak wordt omschreven als typisch voor een sneeuwbalperiode.

Elatina Fm diamictite onder de Ediacaran GSSP-site in het Flinders
Ranges NP, Zuid-Australië. Een munt van $ 1 voor schaal.

Een van de bewijzen die aanvankelijk werden aanvaard, maar nu worden betwist:

- het afstoten van kiezelstenen in mariene sedimenten, die mogelijk door gletsjers zijn achtergelaten, maar ook door andere processen.

- varven, jaarlijkse sedimenten die worden afgezet in proglaciale en periglaciale meren, maar die zich ook kunnen vormen bij hogere
temperaturen.

- gletsjerstrepen veroorzaakt door rotsen en grind die door gletsjers worden getransporteerd: soortgelijke strepen worden soms veroorzaakt
door modderstromen of tektonische bewegingen.

- diamictieten, inhomogene conglomeraten. Aanvankelijk beschreven als gletsjertilieten, werden de meeste in feite gevormd door puinstromen.

Niet-glaciale afzettingen

Sommige afzettingen uit de sneeuwbalperiode kunnen zich alleen hebben gevormd in de aanwezigheid van een actieve hydrologische cyclus.
Banden van gletsjersedimenten van honderden meters dik, gescheiden door niet-glaciale sedimenten van slechts een paar meter dik, tonen aan dat gletsjers herhaaldelijk smolten en zich opnieuw vormden; Volledig bevroren oceanen zouden dit soort formatie niet mogelijk hebben gemaakt. Het
is mogelijk dat gletsjerstromingen, zoals die momenteel op Antarctica bestaan, verantwoordelijk zijn voor deze opeenvolgingen van sedimenten.

Bovendien komen aspecten van deze afzettingen voor die alleen in open water kunnen voorkomen, zoals rimpelingen gevormd door golven,
puin dat ver weg wordt gedragen door ijsvlotten en indicatoren van fotosynthese die worden aangetroffen in sedimenten die dateren uit sneeuwbalperioden. Hoewel dit zou kunnen overeenkomen met lokale gevallen van smeltwater op een volledig bevroren aarde, blijkt uit computermodellen dat grote delen van de oceanen ijsvrij moeten zijn gebleven; in feite is een volledige bevriezing nauwelijks plausibel in termen
van energiebalans en algemene circulatiemodellen.

Isotoopverhoudingen

We vinden, in de vorm van carbonaten en opgeloste kooldioxide, twee stabiele isotopen van koolstof in zeewater: koolstof 12 (12C) en koolstof 13 (13C), veel zeldzamer en dragen ongeveer 1,109% bij aan de totale koolstof.

Biochemische processen, met name fotosynthese, neigen ertoe de opname van de lichtere 12C-isotoop te bevorderen. Oceanische fotosynthesizers, of het nu protisten of algen zijn, zijn dus doorgaans zeer licht uitgeput bij 13°C, vergeleken met de aanvankelijke hoeveelheden koolstof die uit vulkanische bronnen komen. Dit is de reden waarom, in het geval van een oceaan waar fotosynthese plaatsvond, de componenten van organische oorsprong in de verharde sedimenten zeer licht, maar meetbaar, uitgeput zullen blijven in 13C.

Tijdens het Cryogenien konden snelle en extreme variaties in de verhouding van 13C tot 12C worden gemeten. Dit komt overeen met de hypothese van een mondiale bevriezing die het grootste deel van het leven dat in staat is tot fotosynthese heeft gedood; Andere mechanismen, zoals de afbraak van clathraat, kunnen deze verstoringen echter ook hebben veroorzaakt. Dit is bijvoorbeeld hoe de uitstoot van methaan het uitsterven van het Perm zou kunnen verklaren. Een nauwkeurigere analyse van deze 13C-pieken in sedimenten over de hele wereld maakt het mogelijk om vier of vijf van deze gletsjergebeurtenissen aan het einde van het Neoproterozoïcum te onderscheiden.

Bandvormige ijzerafzettingen

Gestreepte ijzerformatie (BIF) afzettingen zijn sedimentaire gesteenten gevormd uit afwisselende banden van ijzeroxide en chaille (arm aan ijzer). Deze afzettingen zijn over het algemeen erg oud en houden verband met de oxidatie van de atmosfeer tijdens het Paleoproterozoïcum, toen ijzer opgelost in de oceanen in contact kwam met de zuurstof die door fotosynthese werd geproduceerd. In aanwezigheid van zuurstof gaat ijzer, opgelost in de vorm van ijzeroxide, roesten, wordt onoplosbaar in water en vormt ijzeroxide-neerslag.

De banden ontstonden op het omslagpunt tussen een zuurstofloze oceaan en een met zuurstof verrijkte oceaan. Onder de huidige omstandigheden, waar zuurstof uit de lucht in contact staat met de oceaan, is het niet mogelijk dat voldoende hoeveelheden ijzeroxide zich ophopen om dergelijke sedimenten te vormen, en hun aanwezigheid zou daarom het kenmerk zijn van ‘een situatie waarin de oceaan weinig gasuitwisseling heeft. met de atmosfeer gedurende een vrij lange periode.
De enige significante gestreepte ijzerformaties na het Paleoproterozoïcum, 1,8 miljard jaar geleden, houden verband met cryogene gletsjersedimenten.

Blok bandijzer van 2,1 miljard jaar oud,
ontdekt in Noord-Amerika.

Voor voorstanders van de Snowball Earth-hypothese komt deze terugkeer van BIF overeen met oceanen die worden beschermd door zee-ijs,
maar er is gesuggereerd dat de zeldzaamheid van deze sedimenten erop zou kunnen wijzen dat ze zich op diepte in stagnerende en zuurstofloze binnenzeeën hebben gevormd.Het idee volgens welke BIF’s het einde van een ijstijd markeren brengt andere problemen met zich mee: ze worden aangetroffen vermengd met gletsjersedimenten, en we komen ze niet tegen tijdens de Marinoene ijstijd, aan het einde van de Cryogenische ijstijd.

Carbonaat rotsen

Op de top van de neoproterozoïsche gletsjersedimenten komen we vaak een abrupte overgang tegen naar lagen carbonaten (kalksteen of dolomiet) van enkele meters of tientallen meters dik. De ongewone opeenvolging van deze lagen suggereert dat hun sedimentatie het gevolg is van een diepgaande verandering in de chemische samenstelling van de oceanen.

Een hedendaagse gletsjer

Vulkanen hebben mogelijk een rol gespeeld bij het aanvullen van CO2
in de atmosfeer, waardoor uiteindelijk een einde kwam aan de ijstijd
die het Cryogenien markeerde.

Deze carbonaten hebben atypische chemische samenstellingen en vertonen vreemde sedimentatiestructuren, vaak geïnterpreteerd als golfsporen.
De precieze mechanismen die betrokken zijn bij hun vorming zijn onduidelijk, maar het zou veroorzaakt kunnen zijn door een enorme toestroom van positief geladen ionen, die zou kunnen optreden onder het effect van snelle erosie die verband houdt met het effect van extreme broeikaseffecten na een sneeuwbalperiode. Onder deze omstandigheden zou het water dat voortkomt uit smeltend ijs de grote hoeveelheden atmosferisch CO2 oplossen en koolzuur vormen, en dus zure regen. Dit zou blootgestelde silicaten en carbonaten (vooral puin dat door gletsjers wordt meegevoerd) eroderen, waardoor grote hoeveelheden calcium vrijkomen, die zouden neerslaan als abiotische carbonaten. De 13C isotopische signatuur van deze carbonaten is −5 ‰ waard. deze lage waarde duidt gewoonlijk op de afwezigheid van leven, terwijl de fotosynthese dit doorgaans vergroot.

Het beweren dat deze carbonaten van gletsjeroorsprong zijn, brengt echter bepaalde problemen met zich mee. In de eerste plaats zouden hoge concentraties kooldioxide in de atmosfeer leiden tot verzuring van de oceaan, en dus tot het oplossen van carbonaten, waardoor de afzetting ervan wordt verhinderd. Bovendien is de dikte van sommige van deze afzettingen veel groter dan relatief snelle deglaciaties redelijkerwijs zouden kunnen veroorzaken. Hoewel we deze carbonaten niet vinden boven talloze sequenties van duidelijk glaciale oorsprong die rond dezelfde tijd zijn afgezet, komen we ze soms ook tegen tussen bepaalde glaciale sedimenten. Dit is de reden waarom er een alternatief mechanisme is voorgesteld, dat ongetwijfeld verantwoordelijk is voor de carbonaten van de Doushantuo-formatie: de snelle en wijdverbreide uitstoot van grote hoeveelheden methaan. Dit zou extreem lage waarden, tot −48 ‰, van de 13C isotopische signatuur verklaren, evenals ongebruikelijke sedimentaire aspecten,
die lijken voort te komen uit de passage van gas door de sedimenten.

Veranderingen in de zuurgraad van de oceaan

Metingen van boorisotopenverhoudingen duiden erop dat de pH waarde van de oceanen vóór en na de Marinoïsche ijstijd aanzienlijk daalde.
De oorzaak zou de ophoping van koolstofdioxide in de atmosfeer kunnen zijn; het gedeeltelijk oplossen van CO2 in de oceanen in de vorm van koolzuur (H2CO3) zou dan verantwoordelijk zijn voor de verzuring van het zeewater. Hoewel deze variaties op grote klimaatveranderingen lijken
te duiden, impliceren ze niet noodzakelijkerwijs een algehele ijstijd.

Kosmisch stof dat rijk is aan iridium

Het aardoppervlak is arm aan iridium, dat vooral in de kern van de aarde voorkomt. De enige belangrijke bron van dit element op het oppervlak is
de opeenhoping van kosmisch stof dat de grond bereikt. Tijdens een Sneeuwbalaarde-periode hoopte iridium zich op het ijs op, wat resulteerde in
een laag met iridium verrijkt sediment toen het ijs smolt. Een dergelijke iridiumafwijking werd inderdaad ontdekt aan de basis van enkele van de hierboven genoemde carbonaatoverlays, wat leidde tot schattingen dat de overeenkomstige ijstijd minstens 3 miljoen jaar had geduurd, maar dit impliceert niet noodzakelijkerwijs dat de ijstijd mondiaal was; bovendien zou een dergelijke anomalie verklaard kunnen worden door de inslag van een grote meteoriet.

Periodieke klimaatschommelingen

Gebruikmakend van de verhouding van mobiele kationen voor de stoffen die tijdens chemische verwering in de bodem achterblijven
(de chemische verweringsindex) is aangetoond dat erosie cyclisch varieert tijdens een opeenvolging van ijstijden, waarbij deze toeneemt in interglaciale fasen en afneemt tijdens koude en dorre ijstijden. Als dit patroon de ware opeenvolging van gebeurtenissen weerspiegelt, suggereert dit dat het klimaat van Sneeuwbalaarde meer leek op de gletsjercycli in het Pleistoceen dan op een volledig bevroren wereld.

Bovendien vertonen gletsjersedimenten van de Port Askaig-formatie in Schotland duidelijk met elkaar verweven cycli van dunne gletsjer- en mariene sedimenten. De betekenis van deze afzettingen hangt grotendeels af van hun datering, maar gletsjersedimenten zijn moeilijk te dateren; de dichtstbijzijnde lagen die precies gedateerd zijn, zijn veel recenter. Hun mogelijke datering op −600 Ma zou een verband met de Sturtian-ijstijd betekenen, maar ze kunnen ook de vooruitgang of terugtrekking van een mondiale ijstijd vertegenwoordigen.

Bevriezings- en ontdooimechanismen

Het begin van de mondiale ijstijd brengt een aanvankelijk afkoelingsmechanisme met zich mee, wat leidt tot een grotere sneeuw- en ijsbedekking, waardoor het terrestrische albedo toeneemt.

Dit resulteert in een positieve afkoelingsfeedback, die versnelt als er voldoende ijs zich ophoopt. Deze situatie wordt mogelijk gemaakt door de verspreiding van continenten
dicht bij de evenaar, waardoor ijs zich kan ophopen daar waar de zonnestraling het meest direct is.

Veel triggermechanismen zouden de vorming van een Sneeuwbalaarde kunnen verklaren, zoals de uitbarsting van een supervulkaan, een afname van de atmosferische concentratie van broeikasgassen zoals methaan of kooldioxide, variaties in de zonneconstante of verstoringen in de baan van de aarde.

Wat de trigger ook mag zijn, de feedbacklus zou zich vervolgens in een spiraal kunnen bewegen totdat zelfs de evenaar bedekt is met ijs en temperaturen bereikt die zo laag zijn als die van het huidige Antarctica.

De opwarming van de aarde, die gepaard gaat met aanzienlijke ophopingen van kooldioxide, die gedurende miljoenen jaren voornamelijk in de atmosfeer worden uitgestoten door vulkanische activiteit, is het mechanisme dat wordt voorgesteld om het verlaten van een sneeuwbalfase te verklaren. De afname van het albedo zorgt voor een positieve feedback voor het smelten van het ijs, waardoor het binnen maximaal een paar duizend jaar vrijwel volledig verdwijnt.

Eén computersimulatie van de omstandigheden
tijdens een sneeuwbalaardeperiode

Tijdens de bevroren periode

De wereldwijde temperatuur daalde zo laag dat de evenaar net zo koud was als het huidige Antarctica. Deze lage temperatuur werd in stand gehouden door de hoge albedo van de ijskappen, die de meeste binnenkomende zonne-energie de ruimte in reflecteerden. Een gebrek aan warmtevasthoudende wolken, veroorzaakt door waterdamp die uit de atmosfeer bevroor, versterkte dit effect. Er wordt gespeculeerd dat de ontgassing van koolstofdioxide ongewoon laag was tijdens het Cryogene tijdperk, waardoor de wereldwijde ijstijd kon aanhouden.

Einde van de mondiale ijstijd

De koolstofdioxideniveaus die nodig zijn om de dooi op gang te brengen worden geschat op 350 keer hun huidige waarde, d.w.z. een aandeel van 13% van de atmosfeer. Omdat de aarde bijna volledig bedekt is met ijs, wordt de verandering van silicaten waarbij alkalische ionen vrijkomen sterk verminderd en wordt kooldioxide uit de atmosfeer niet langer geabsorbeerd.

Gedurende 4 tot 30 miljoen jaar hopen CO2 en methaan, voornamelijk uitgestoten door vulkanen, zich op totdat ze een broeikaseffect veroorzaken dat voldoende is om tropisch ijs te laten smelten en permanent een strook land en open water te creëre, deze donkerdere band absorbeert meer zonne-energie, wat een positieve feedback veroorzaakt.

Op de continenten laten smeltende gletsjers enorme hoeveelheden gletsjerafzettingen vrij, die eroderen en verweren. De sedimenten die zo naar de oceaan worden gespoeld, zijn rijk aan voedingsstoffen zoals fosfor; gecombineerd met hoge CO2-niveaus veroorzaakt dit een explosie van de cyanobacteriënpopulatie, wat leidt tot een relatief snelle heroxygenatie van de atmosfeer, dit heeft mogelijk bijgedragen aan de ontwikkeling van de Ediacaraanse fauna en vervolgens aan
de Cambrische explosie, waarbij een hoge zuurstofconcentratie de ontwikkeling van grote meercellige levensvormen bevorderde.

De mondiale ijsbedekking heeft mogelijk de
ontwikkeling van meercellig leven vertraagd
of verhinderd.

Deze positieve feedback is genoeg om het ijs in zeer korte tijd op geologische schaal te laten smelten, misschien wel in minder dan 1000 jaar, het opnieuw opbouwen van een atmosfeer die rijk is aan zuurstof en arm aan CO2 zou nog maar een paar millennia duren.

De destabilisatie van grote methaanhydraatafzettingen in de vorm van permafrost op lage breedtegraden kan ook hebben gediend als trigger of op zijn minst versterking van positieve feedback op deglaciatie en opwarming.

Het kooldioxidegehalte kan dan voldoende zijn gedaald om de aarde opnieuw te laten bevriezen, en deze cyclus kan zich herhalen totdat de continenten hogere breedtegraden hebben bereikt.

Recentere waarnemingen suggereren dat koudere oceaantemperaturen de hoeveelheid opgeloste gassen hebben doen toenemen en hebben geleid tot een snellere oxidatie van koolstof uit de oceaan, waardoor de atmosfeer is verrijkt met koolstofdioxide, waardoor het broeikaseffect is toegenomen en de vorming van koolstofdioxide en een volledige sneeuwbaltoestand is voorkomen.

Wetenschappelijke controverses

Het belangrijkste argument tegen de Sneeuwbalaarde-hypothese is de waarneming van de afname van de ijsbedekking in de afzettingen van de overeenkomstige ijstijden, waarbij deze smeltperioden worden bevestigd door de aanwezigheid van afwerpende kiezelstenen, door geochemische markers van cyclische klimaatschommelingen, en door wisselingen van gletsjersedimenten en ondiepe mariene sedimenten.
Een lang fossielenbestand in Oman (destijds op lage breedtegraden) strekt zich uit van -712 tot -545 miljoen jaar geleden en bestrijkt de Sturtian-
en Marinoïsche ijstijden, en toont een mengeling van glaciale en niet-glaciale afzettingen.

Het is lastig gebleken om een sneeuwbalaarde te creëren met behulp van mondiale klimaatmodellen. Eenvoudige modellen die de oceanen
weergeven door middel van superposities van lagen kunnen tot aan de evenaar bevriezen, maar meer geavanceerde modellen die rekening houden met de dynamiek van de oceaan vormen geen equatoriaal ijs. Bovendien wordt verwacht dat de CO2-concentraties die nodig zijn om deze ijslaag te laten smelten 130.000 ppm zullen bereiken, wat sommigen als onredelijk hoog beschouwen.

De strontiumisotoopmetingen zijn in tegenspraak met de modellen die zijn voorgesteld voor silicaatverwering, die zou moeten stoppen tijdens het bevriezen en snel zou toenemen tijdens het ontdooien. Dit is de reden waarom het ontgassen van methaan uit permafrost tijdens mariene overtredingen is voorgesteld als de bron van de hoge koolstofniveaus die onmiddellijk na de ijstijden zijn gemeten.

De continentale fragmentatiehypothese

Er is gesuggereerd dat de Neoproterozoïsche ijstijd niet significant verschilde van andere ijstijden, en dat pogingen om er één enkele oorzaak voor
te vinden gedoemd waren te mislukken. De Rift-unzipping-hypothese beschouwt twee reeksen continentale dislocaties: eerst de fragmentatie van
het supercontinent Rodinia, dat de proto-Stille Oceaan vormt, en vervolgens die van het continent Baltica, dat zich scheidt van Laurentia, en de
proto-Atlantische Oceaan vormt, scheuren die samenvallen met perioden van ijstijd.

De daarmee gepaard gaande tektonische stijgingen zouden hoge plateaus vormen, zoals de huidige Great Rift Valley; deze hoge landen zouden dan bedekt kunnen worden met gletsjers.

Gestreepte ijzerafzettingen worden vaak beschouwd als onweerlegbaar bewijs van volledige ijsbedekking, omdat ze voor hun vorming ijzerionen in oplossing en anoxisch water nodig hebben; De lage hoeveelheden van deze afzettingen in het Neoproterozoïcum zouden echter kunnen betekenen dat ze zich niet in bevroren oceanen hebben gevormd, maar eerder in de binnenzeeën. In deze zeeën had een sterke verdamping de ijzerionen kunnen concentreren, en een periodieke afwezigheid van circulatie had de vorming van diep anoxisch water mogelijk kunnen maken

Continentale fragmentaties en de daaruit voortvloeiende verzakkingen hebben de neiging deze binnenzeeën te creëren; dit model vereist daarom geen snelle stijging van het oceaanpeil en dus geen snel smelten van het ijs.

De obliquiteitshypothese

Een andere theorie die de aanwezigheid van ijs op de equatoriale continenten verklaart, gaat ervan uit dat de helling van de aardas erg hoog was, in de orde van 60°, waardoor zelfs tropische gebieden zeer koude winters kenden; de argumenten die een dergelijke hypothese ondersteunen zijn echter niet doorslaggevend. Een minder extreme mogelijkheid zou zijn dat er een aanzienlijke verschuiving van de magnetische polen zou hebben plaatsgevonden, waardoor ze naar tropische breedtegraden zouden zijn gebracht: de analyse van het paleomagnetisme heeft geleid tot de schatting van de breedtegraden, waarbij er doorgaans van wordt uitgegaan dat de magnetische en geografische polen altijd dichtbij elkaar zijn geweest. niet langer geldig zou zijn. In beide gevallen zou de aanwezigheid van equatoriaal ijs verklaard kunnen worden door veel minder grote klimaatveranderingen.

Leven tijdens vorstperiodes

Enorme ijstijd zou leiden tot het uitsterven van planten en de zuurstoffotosynthese beperken tot alleen cyanobacteriën, waarbij de zuurstof in de lucht enorm zou afnemen en er mogelijk gesteenten zouden ontstaan die rijk zijn aan niet-geoxideerd ijzer.

Tegenstanders van de Sneeuwbalaarde-hypothese beweren soms dat er geen leven had kunnen bestaan. Microfossielen zoals stromatoliet en oncolieten laten echter zien dat, althans in ondiepe zeewateren, de ecologie weinig verstoord was: complexe voedselwebben ontwikkelden zich en overleefden de koude periode zonder schade. Andere overlevingsmogelijkheden zijn:

- Anaerobe organismen of organismen die weinig zuurstof nodig hebben, gevoed door chemische stromen
uit hydrothermale bronnen (in dit geval spreken we van chemotrofie), hadden kunnen overleven in de
oceanische loopgraven en in de aardkorst, bij afwezigheid van enige fotosynthese.

- Voortplantingscellen zoals sporen hadden de zwaarste kou intact en bevroren kunnen overleven.

- Onder de ijslaag hadden chemolithotrofe ecosystemen kunnen bestaan, die mineralen metaboliseren,
die mogelijk lijken op die welke momenteel onder gletsjers of permafrost worden aangetroffen.
Dit lijkt vooral plausibel in gebieden met vulkanische of geothermische activiteit.

- Kleine ijsvrije oceaangebieden, ver van het supercontinent Rodania, hadden fotosynthetische
organismen toegang kunnen geven tot licht en CO2, waardoor sporen van zuurstof in voldoende
hoeveelheden konden worden gegenereerd zodat aërobe organismen konden overleven. Zelfs als de
zee volledig bevroren zou zijn, zou dit ook kunnen gebeuren op plaatsen waar het ijs dun genoeg is om
doorschijnend te zijn.

- De tropische nunataks hadden voor beschutting kunnen zorgen; de kale rotsen waren niet blootgesteld
aan de wind en verwarmd door de zon of door vulkanische activiteit, waardoor zich overdag kleine
tijdelijke poelen konden vormen.

Een zwarte roker, een soort
hydrothermale bron

- Zakken met vloeibaar water onder de ijskappen, vergelijkbaar met het Vostok-meer op Antarctica, zouden theoretisch microbiële
gemeenschappen kunnen hebben gehuisvest die vergelijkbaar zijn met die welke leven in de bevroren meren van de droge valleien van Antarctica.
Bij temperaturen voorspeld door modellen nabij de evenaar zou sublimatie hebben voorkomen dat de dikte van het ijs groter werd dan 10 meter,
terwijl fotosynthese kan plaatsvinden tot een diepte van 100 meter.

- Andere soortgelijke gebieden zouden zich in de buurt van hotspots kunnen hebben gevormd, zoals momenteel het geval is in IJsland.

Voor zover het fossielenbestand kan nagaan, lijkt het er echter niet op dat organismen en ecosystemen de enorme veranderingen hebben
ondergaan die verwacht zouden worden in de hypothese van een massale uitsterving. Dankzij preciezere dateringen werd met name aangetoond
dat het uitsterven van fytoplankton, dat in verband werd gebracht met Sneeuwbalaarde, in feite 16 miljoen jaar vóór de ijstijden was voorafgegaan. Zelfs als het leven alle hierboven genoemde toevluchtsoorden had kunnen exploiteren, zou een mondiale ijstijd de diversiteit en samenstelling van de biotoop diepgaand hebben gewijzigd; een dergelijke verandering is nog niet waargenomen, en het lijkt er zelfs op dat de organismen die het meest gevoelig hadden moeten zijn voor klimaatveranderingen, intact uit de mondiale ijstijd zijn voortgekomen.

Gevolgen

Een sneeuwbalaarde kan niet anders dan een diepgaande invloed hebben gehad op de geschiedenis van het leven. Ondanks de talrijke toevluchtsoorden die in het vorige deel zijn besproken, zou de totale ijsbedekking zeker ecosystemen hebben verwoest die afhankelijk zijn van zonlicht; Geochemische sporen geassocieerd met gesteenten uit gletsjerafzettingen op lage breedtegraden zijn geïnterpreteerd als een ineenstorting van het oceaanleven tijdens deze periode.

Smeltend ijs zou talloze mogelijkheden hebben geboden voor evolutionaire straling, en zou de factor kunnen zijn geweest die de snelle evolutie aan het einde van het Cryogenien beheerste.

Effecten op de primitieve evolutie

Het Neoproterozoïcum zag een opmerkelijke diversificatie van meercellige organismen, vooral dieren. Hun omvang en complexiteit namen aanzienlijk toe na de ijstijden. Deze ontwikkeling kan het gevolg zijn van toegenomen evolutionaire druk als gevolg van talrijke cycli van glaciale aarde-warme aarde-afwisselingen; Het is ook mogelijk dat aanzienlijke variaties in beschikbare voedingsstoffen en hoeveelheden zuurstof uit de lucht een rol speelden. We kunnen ook opmerken dat een andere grote episode van ijstijden wellicht slechts een paar miljoen jaar vóór de Cambrische explosie is geëindigd.

Het mechanisme voor deze impact op de evolutie was waarschijnlijk verwantschapsselectie. De differentiatie van organen, in het bijzonder de onomkeerbare die bij dieren aanwezig is, vereist dat individuele cellen en de genen die ze bevatten hun voortplantingsvermogen ‘opofferen’, om het functioneren van de kolonie niet te verstoren. Op de korte termijn is er, vanuit het perspectief van genen, een reproductief voordeel verbonden aan het negeren van signalen van andere cellen en het blijven voortplanten; dit verklaart de vorming van tumoren bij moderne dieren en planten. Maar hoewel kostbaar, kan cellulaire differentiatie op de lange termijn vanuit een algemeen perspectief voordelig zijn voor genen, omdat het de kopieën zijn van de genen van de cellen die zichzelf hebben ‘opgeofferd’ die uiteindelijk worden gereproduceerd.

Dickinsonia costata, Ediacaran-organisme
met een gerimpeld uiterlijk dat niet tot een bekend phylum behoort.

Er is gesuggereerd dat mondiale ijstijden de meerderheid van de soorten hebben gedecimeerd, dat de daaruit voortvloeiende, zeer beperkte populaties allemaal afstammen van een klein aantal individuen (dit is het grondleggereffect), en daarom dat de gemiddelde genetische nabijheid
tussen twee individuen (twee individuele cellen in in dit geval) zou na deze ijstijden uitzonderlijk hoog zijn geweest; we weten dat altruïsme in dit geval genetisch voordelig wordt. Zo hadden voor het eerst in de geschiedenis van het leven de reproductieve kosten van het vormen van een complex dier kunnen worden overwonnen.

Een alternatieve hypothese, die recentelijk aan belang heeft gewonnen, is dat deze mondiale ijstijden niet zozeer de evolutie van het leven hebben beïnvloed als wel erdoor zijn veroorzaakt. Het idee is dat grote evolutionaire gebeurtenissen de koolstofreservoirs van de biosfeer herverdelen en daardoor tijdelijk de hoeveelheden koolstof in de atmosfeer en het bijbehorende broeikaseffect verlagen, totdat een nieuw evenwicht is bereikt.
De twee episoden van Sneeuwbalaarde, die van de Huroniaanse ijstijd van 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden, en die van de Cryogenische ijstijd,
zouden dus respectievelijk zijn veroorzaakt door de evolutie van de aërobe fotosynthese (de catastrofe van zuurstof) en door die van het meer geavanceerde meercellige leven. vormen die droog land koloniseren.

Daterend uit de sneeuwbalperiodes

Neoproterozoïcum, 720-635 Ma

Tijdens het late Neoproterozoïcum zijn drie of vier belangrijke gletsjerepisodes geïdentificeerd. Deze periode, de Cryogenien, wordt echter soms beschreven als bestaande uit één enkele ijstijd, de Varanger-ijstijd. De Marinoïsche ijstijd is de belangrijkste, maar de Sturtische ijstijden waren ook extreem uitgebreid. Zelfs Hoffman, de belangrijkste voorstander van de Sneeuwbalaarde-theorie, is van mening dat de Gaskiers-ijstijd, die ongeveer een miljoen jaar duurde, niet tot een mondiale ijstijd heeft geleid, hoewel deze waarschijnlijk even intens was als de Boven-Ordovicium-ijstijd.
Wat de Kaigas-ijstijd betreft, is het momenteel niet zeker dat het niet eenvoudigweg een artefact is vanwege de slechte datering van lagen die
feitelijk verband houden met het Sturtian. Samenvattend suggereren de huidige analyses vaak dat er talrijke ijstijden zijn tijdens het Neoproterozoïcum, wat op dit moment niet goed lijkt te passen bij de sneeuwbalaarde-hypothese.

Paleoproterozoïcum, ~ 2250 Ma

De Snowball Earth-hypothese is voorgesteld om gletsjerafzettingen in de Huronian Supergroup in Canada te verklaren, hoewel paleomagnetische analyses suggereren dat deze afzettingen plaatsvonden op lage breedtegraden en hoog worden betwist. De gletsjersedimenten van de
Makganyene-formatie in Zuid-Afrika zijn iets jonger dan de Huronian-afzettingen, ~2,25 miljard jaar oud, en zijn afgezet op tropische breedtegraden. Er is gesuggereerd dat de uitstoot van zuurstof die plaatsvond tijdens deze Paleoproterozoïsche periode, door oxidatie een daling van het methaangehalte in de atmosfeer veroorzaakte. Omdat de zon op dat moment aanzienlijk minder helder was, zou de afwezigheid van methaan,
een gas met een zeer aanzienlijk broeikaseffect, voldoende zijn geweest om de aarde in een mondiale ijstijd te storten.

Karoo-ijstijd, 320-260 Ma

Carboon-glaciale afzettingen, ontdekt in India en Zuid-Amerika voordat continentale drift bekend was, deden ons geloven dat de Karoo-ijstijd de tropen had bereikt. Maar moderne reconstructies laten zien dat het in feite alleen de poolgebieden van het supercontinent Gondwana trof.

Einde van het verschijnsel

Volgens een in 2019 gepubliceerde studie lijkt de laatste sneeuwbal-episode zeer plotseling te zijn geëindigd (op een geologische tijdschaal),
ongeveer 635 miljoen jaar geleden. Deze gebeurtenis bevestigt dat onder bepaalde omstandigheden het landklimaat en de biodiversiteit radicaal en plotseling kunnen veranderen, op korte en lange tijdschalen. Het begrijpen van het hoe en waarom is van belang om de snelheid van de huidige antropogene opwarming van de aarde beter te kunnen beoordelen.

Het zou slechts ongeveer een miljoen jaar nodig hebben gehad om de enorme ijsvoorraad (die in de loop van enkele duizenden jaren werd gevormd te smelten wat erg snel is voor een geologisch fenomeen van deze omvang, vergeleken met de 4,56 miljard jaar dat de aarde bestaat. Deze opwarming zou kunnen worden veroorzaakt door een broeikaseffect zelf, veroorzaakt door aanzienlijke CO2-emissies van vulkanische oorsprong, geologische sporen van een ontwaken van het vulkanisme in deze tijd zijn onlangs gedocumenteerd, maar tot nu toe alleen in China. Dit ging gepaard met de vorming van een zeer bijzondere kalksteen en dolomiet, als gevolg van de hoge concentraties koolstofdioxide in de atmosfeer van die tijd.

Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-en, Wikipedia-fr

Klimaat en klimaatverandering

Sneeuwbal aarde