概述

从1960年代以来，人们就假想地球诸大陆曾经遭受过一次严重的冰冻，时间是迄今约7.5亿到5.8亿年前。这个时期地史上称为冰河期。后来古生物学家W. Brian Harland指出该时期的冰渍沉积物遍布全球，并提出那个时候全球冰封的观点。

该假说的麻烦在于，尽管全球遍布冰川痕迹，但是在赤道地区除了高山地区外找不到冰川痕迹。板块构造学说使得这种冰川分布的不连续性显得更加扑朔迷离：板块构造理论认为各大陆在那个时候曾经是一个整体，聚集在赤道附近，叫做超大陆（罗迪尼亚大陆）。

总而言之，雪球地球理论就是综合了7亿到6亿多年前留下的诸多地热证据而得出的一个理论。

由冰渍残留地点的广布，该理论认为地球曾经一度被全部冰冻起来。然而这个过程的机理却不明。有一种理论认为当时由于冰川的延伸，导致部分陆地被冰面覆盖，从而延缓了岩石的风化过程（岩石风化会吸收二氧化碳），导致温室效应增强。火山活动不断地产生二氧化碳，于是冰川到一定时候会停止蔓延。由于当时超大陆集中在赤道附近，陆地表面冰川很难被全部覆盖。日积月累，当风化过程慢慢消耗完温室气体后，冰川开始肆无忌惮地蔓延开来，直到全球冻结。彼时，整个地球表面全部被冰川覆盖。日照辐射被白雪皑皑的地球反射回太空，地球一片冰冷。由于水汽蒸腾作用被大幅减少，大气变得无比干燥。当时大气中唯一的温室气体就是水汽本身，高高在上的则是令人炫目的阳光。

雪球地球终究还是融化了，而融化的原因则成了现在的一个研究课题。

通过计算机模拟人们也得到了一个完全冰封的地球，这个模拟得到的状态称为“白地球”。

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证据

1. 北半球冰川分布2. Dickinsonia costata, an Ediacaran organism of unknown affinity, with a quilted appearance3. A black smoker, a type of hydrothermal vent4. Volcanoes may have had a role in replenishing CO2, possibly ending the global ice age of the Cryogenian Period.5. 今天的冰川6. 距今21亿年的岩石（black-band ironstone）7. Elatina Fm diamictite below Ediacaran GSSP site in the Flinders Ranges , South Australia. A$1 coin for scale.8. Diamictite of the Neoproterozoic Pocatello Formation, a "snowball Earth"-type deposit

支持者用来举证的地质沉积物包括富含铁的铁燧岩和碳酸盐壳岩。 雪球地球事件与5.7到5.3亿年前发生的寒武纪生命大爆发之间的关联也非常引人注目。

光合作用参与者的缺乏

海水里含有两种碳同位素：碳12和碳13。在生化过程中，生物体优先利用较轻的碳12，这就使海洋里的光合作用参与者比如原生生物和海藻一类慢慢地排空了碳13同位素。假如海洋里存在光合作用参与者，那么这些光合作用参与者死亡后形成的有机质沉积里碳13的含量就会比较低，而从海水里析出的碳酸盐沉积物里碳13含量就会相对较高。研究发现，在理论所指的那段时间内形成的海水碳酸盐沉积物里碳13的平均含量非常明显地比其他正常时期沉积物的低。这就支持了雪球地球理论，因为这说明当时冰封大地的条件下，几乎所有的光合作用参与者都被严寒冻死了。

条状铁层构造带

在地球富氧大气里，自然界的铁一般会被氧化为三价态的氧化铁沉积下来形成条状铁层。只有在缺氧的条件下铁才能形成二价态的氧化亚铁矿石。由于氧化亚铁矿发现只存在于与雪球地球对应的地质年代里，这就又进一步支持了雪球地球理论的正确。 易溶于水的亚铁盐遇到空气里的氧气会被氧化成易水解的铁盐，进而形成难溶的氧化铁从水里沉淀出来。这个过程使多达20倍于现存大气层氧气的氧被带状铁沉积封锁在岩石里。地球上的铁矿都是在寒武纪前形成的。在寒武纪后的显生宙地层中鲜有铁矿存在。

支持者们认为氧气在大气层里是不稳定的，因为有太多的反应可以消耗氧气，主要是铁和硅的氧化过程。要维持大气层氧气的含量，必须依靠来自生物圈源源不断的氧气供给。雪球地球时期，冰冻杀死了大多数生物，造成氧气逐渐减少甚至消失，这就使氧化亚铁矿能够得以形成。反对者们认为雪球地球时期生命不可能幸存下来，然而事实上没有发生生命彻底灭绝。支持者们反驳道，在海洋的深处完全有可能存在厌氧和低耗氧微生物群落存在，依靠地热维生而幸存下来。 除此之外还有一种可能。在远离大陆的海面可能会存在少量未冻结的水域，庇护着一些好氧生物群落。另外在赤道附近也会有一些地区的水在白天融化形成水洼，晚上则重新冻结起来。

碳酸盐壳岩石

据估计，当时大气层二氧化碳浓度需要达到比现在高350倍的程度才能形成足够的温室效应把冰川融化。但这个浓度是可以积累起来的，因为当时主要消耗二氧化碳的过程是硅酸盐岩石的风化过程，冰川覆盖了岩石，阻止了岩石的风化，于是大气层二氧化碳就能逐渐积累到很高的浓度。

很可能由于火山作用的缘故，大气层二氧化碳浓度逐渐增加，最后在赤道附近出现了一条无冰的水域。这条水域通过吸收太阳辐射，融化了更多的冰川，更多的水域又吸收了更多了太阳辐射，如此反复。与此同时，二氧化碳浓度的增加为蓝藻生物提供了充足的食物。蓝藻通过光合作用释放出氧气，使大气层氧气浓度迅速升高，这最终导致了寒武纪生命大爆发，产生了新的多细胞生命体。

在短短1000年的时间里，雪球地球得以解冻，而大气层二氧化碳和氧气正常水平的恢复则花了比这更长的时间。

刚开始大气层二氧化碳浓度仍然比正常值高出100倍。雨水的洗刷作用转移了大量的大气层二氧化碳。二氧化碳被溶解转化为碳酸，碳酸进一步腐蚀硅酸盐岩石，形成的碳酸盐沉淀被冲入大海，变为海底的沉积岩。

最后，二氧化碳浓度降至最低，地球温度下降，海水开始结冰，一切又重新开始循环，直到罗迪尼亚大陆瓦解为止。

生命演化

新元古代是一个非常时代，大量的多细胞生物在此时产生，尤其是动物。动物的大小和复杂程度日新月异。

这种多细胞生物的发育有可能是进化压力增长的结果，而进化压力的增长则是地球冻了又融，融了又冻造成的。可以说，雪球地球推动了生物进化。一些支持者指出，最后一个重要的雪球地球结束的时期刚刚离寒武纪生命大爆发仅几百万年之遥。

生命在冰封中的延续

生命在冰封中幸存有如下几种可能：

深海热泉附近；

生命可以采取类似孢子休眠的方式来度过冰封期；

在低纬度冰原岛峰地区，火山作用和阳光辐射可能会在白天融化部分冰，产生临时水洼；

冰层之下，类似于“矿物质代谢”生态系统可以提供避风港；

在冰盖下面会存在液态水坑。类似于南极洲的沃斯托克湖一样。

雪球地球发生时间

有一种雪球地球理论认为最早的一次全球冰封时期发生在23亿年前。原因与大气层氧气的出现有关。大气层氧气的出现消耗了原始大气中的强温室气体甲烷。由于当时地球上太阳辐射水平比较弱，因此导致了气温的骤降。这个理论的证据比较弱，但是这个时期的确形成了一些富铁的岩石。 另一种解释赤道附近发生冰封原因的理论认为当时地球的黄赤交角比现在大，有近60度，导致赤道地区变成“高纬地区”，而这可能与地磁偏角发生变化有关。

科学家们认为在距今10亿-5.4亿年间的新元古代（Neoproterozoic, 符号）时期发生了大约4次（也有学者认为是3次或者5次，见以下列表）雪球地球事件：

Marinoan Glaciation (马力诺安冰河期）：距今6.5-6.35亿年间，成冰纪（Cryogenian）期间发生的，迄今为止最为显著的大冰期。

Sturtian Glaciation（司拓申冰河期）：也发生在成冰纪时期，距今大约7亿年前（不同的科学家有不同的推算结果，有人认为是7.17-6.42亿年前，还有人认为7.15-6.8亿年前）

Late Ordovician Glaciation（后奥陶纪冰河期）：发生于距今4.4-4.6亿年前的奥陶纪（Ordovician）。

Gaskiers Glaciation（开斯克尔冰河期）：持续了34万年之久的发生于距今5.7963-5.7988亿年前的一次处于埃迪卡拉纪（Ediacaran）时期的大冰期。该次冰河期是前寒武纪时期（Precambrian, 距今46亿年-5.41亿年间）发生的最后一次大冰期！

Kaigas（凯盖斯冰川期）：早于Sturtian Glaciation发生时间，大约距今7.5亿年前。该“假说”后来被认定为并不是真正的冰河期。

相关链接

木卫二

电视、电影与文学作品

《电影哆啦A梦：大雄的南极冰冰凉大冒险》：延续藤子·F·不二雄一贯的“SF”（一点点不可思议）作风，以此假说为基础建构出的动画电影。

参考资料

Gabrielle Walker, 2003, Snowball Earth, Bloomsbury Publishing, ISBN 0-7475-6433-7

Jenkins, Gregory, et al, 2004, The Extreme Proterozoic: Geology, Geochemistry, and ClimateAGU Geophysical Monograph Series Volume 146, ISBN 0-87590-411-4

^Smith, A.G. Neoproterozoic timescales and stratigraphy. Geological Society, London, Special Publications (Geological Society, London, Special Publications). 2009, 326: 27–54.Bibcode:2009GSLSP.326...27S. doi:10.1144/SP326.2. 

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