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海洋冻结迎冰河时代 地球曾三次变身"冰雪行星"

http://www.kexue.com 2013-08-28 09:40:24 凤凰科技  发表评论


在地球历史上,有三次冰曾覆盖大部分地球

  在几百万年前广阔的冰河世纪,冰川从极地几乎延伸至赤道,整个地球覆盖上冰冻的皮肤。正如科学家所描述的,“雪球地球”的环境条件导致地球成为一个完全不同的星球。“我们谈论的是另一个世界,”美国纽约美国宇航局戈达德太空研究所的琳达·苏尔(Linda Sohl)这样说道。今年5月苏尔在一次研讨会的午饭时间与一小组人讨论了对雪球地球的理解的进化以及随着科技的发展它是如何发生改变的,随后她将该问题的讨论发布在网上。

  大陆大小的冰川

  20世纪90年代早期,科学家发现了好几处罕见的特征,暗示着过去曾发生了某些寒冷事件。几乎在每一个大陆上都发现了相似年代的冰川沉积物。证据表明被包裹的碳酸盐——海洋形成的石灰岩包裹物——位于形成的冰川沉积物上方,而非从高纬度朝南迁移。“日益增多的共识表明地球过去曾发生了可怕的冰河时期。”这些特征出现在地球历史上的三个不同时期,7.5亿年前、6.35亿年前和5.8亿年前。

  “雪球事件是非常极端的冰川作用,”英国伯明翰大学的地质学家卡尔·斯蒂文森(Carl Stevenson)这样说道。斯蒂文森参与了另一项涉及雪球事件的单独项目。

  在正常的冰河时期,冰原会像脉冲一样从极地向外移动和收缩。“在雪球事件里,处于某种原因冰川的脉冲似乎到达某个临界点,整个系统就形成一个雪球。”冰川并没有收缩,而是向更远的南部爬行。

  雪球地球的温度预计达到-50摄氏度,随着冰的传播,越来越多的热量被发射入太空,而非被地球本身吸收,温度骤降并以失控效应在整个星球上传播。“如果你想象大陆大小的冰位于现在沙特阿拉伯的位置,你就能知道大概整个地球环境有多寒冷。”

  整个地球在这三个阶段里处于完全的冰冻期,整体持续了1000万年直到地球开始变暖。科学家仍然无法确定什么导致温度的回升,但火山活动是最大的“嫌疑犯”。很多岩石吸收了二氧化碳,但在雪球地球的情景里,这样的形成会被覆盖,使得大气加热分子到达一个临界点,也即全球变暖效应能够融化冰。


雪球地球的艺术家概念图

  融雪还是固体?

  1992年美国加州理工学院的约瑟夫·基施芬克(Joseph Kirschivink)首次提出的冰冻地球观点休眠了6年直到美国哈佛大学的同事保罗·霍夫曼(Paul Hoffman)发表了一篇文章,预想整个世界是冰冻海洋的情景。

  然而海洋是100%的固体的观点并不是每个人都容易接受。2006年夏天在瑞士进行的一个工作坊里,65名科学家——地质学家、生物学家、行星建模者以及其它领域的专家——齐聚一堂讨论这种情况的可能性以及面临的问题。

  “我们花费了一周时间讨论各种事宜,” 苏尔说道。最终,证据似乎并不支持完全被冰覆盖的地球观点。生物学家指出冰冻海洋会阻碍光,导致大规模的灭绝,而且不会出现在化石记录上。地质学家表示,该观点提出的水循环的关闭与证据不符。苏尔觉得会议介绍后大多数人都认为海洋并未完全冻结。

  “另一种可能性是弹力球观点,地球曾经经历了严酷的冰河时期,我们丢失了大部分开放海洋。弹力球类似于某种中途的场景,它并非是完全一片雪白,在冰与开放水域之间还有空隙。” 斯蒂文森说道。苏尔描述了这样的世界,也即热量集中在赤道附近,留下了一片液体水区域,使得生命能够存活。

  更好的科技更好的模型

  电脑仿真受到了当时科技的限制,这一项目进行了15年。“早期的模型受到了当时电脑水平的限制,因此当科学家估计真实的世界时,这些估计其实非常粗糙。” 美国航空航天局戈达德空间研究所气象学家加文·施密特(Gavin Schmidt)这样说道。他带领了一项研究发展并维护了GISS-E2仿真,这个气候模型项目被苏尔用于模拟接近冰冻的地球环境。GISS-E2拥有不同技术差别的一系列配置。

  与最初建模冰冻地球的项目相比,现在的项目能够划分到更小的部分并进行更多细节研究。“最早的模型主要关注于低层大气,现在的模型包含海洋、海冰、陆地表面、碳循环、气溶胶、大气成分、平流层以及以上的大气层等等。” 施密特这样说道。

  最初版本的GISS-E2出现于20世纪80年代,但在很多人的帮助下,这个项目已经被更新和改进了数次。“这是集体努力的结果,包括海洋学家、气象学家、数学家、电脑科学家和其它科学家。”像GISS-E2这样的气候模型不仅可以为科学家提供有关地球可能的过去的信息,还能一瞥地球的未来。之后的改变将极大的提高仿真的灵活性,使得它也能应用于其它行星。


图形显示逐渐变成雪球地球的过程

  在5月进行的研讨会上,苏尔展示了她目前正在进行的两个有关古老冰期的研究。利用更加现代的项目,她重新模拟了20世纪90年代初研发的仿真。这项研究还需要进行更多实验,目前尚未进行任何同行审阅或者出版。

  其中两个实验都显示了地球是贫瘠的。植物的存在或者缺乏会影响地球的反射率,后者会影响地球加热的速率。“陆地的植物直到4.6亿年前才出现,”苏尔说道。“最好的情况是陆地上可能会出现某种地衣或者类似的东西,但这一点也非常具有争议性。”

  最初的实验假定了标准的沙漠环境,但在最新的模型里科学家利用了贫瘠的戈壁沙漠的一处地点作为例子演示荒凉的早期地球可能发生的情景。两个项目都模拟了60年的情形。现在对那个时间范围的模拟持续了12个小时,最初的模型则需要更长时间。

  苏尔讨论了小组进行的七项实验。第一个是利用工业化前的条件进行的基本控制模拟,她还分别为两个冰川间隔期,太阳改变的亮度或者光度进行了三次模拟。在太阳系历史早期,太阳更加黯淡,这将影响雪球地球的发展。

  在最初的项目里,大陆块坍塌形成超级大陆泛大陆国家,但在研究小组认为,迁徙的大陆块对改变行星反射比并没有严重的影响。但它产生了很多角落和缝隙使得冰能够堆挤,从而减慢了这个项目的进行。苏尔表示未来的模拟仿真将包含更加简化的地形学。

  科学家并不知道什么引发了雪球地球的临界点。苏尔近期进行的仿真令人惊讶的结果之一便是极端环境并非产生雪球地球的必要条件。另一个令人惊讶的发现便是对年轻冰河时期进行仿真的结果的相似性,即使最初的环境条件发生了改变。将太阳的光度设定到最大值与二氧化碳水平被减少到最低水平产生了相似的环境条件,它们可以与现在太阳亮度产生的条件相媲美。“我并没有预料到这些仿真结果如此相似。”苏尔说道。

  接下来,苏尔希望调查E2-R所允许的其它参数改变,包括改变日长至21.9小时。随着科技允许气候模型解释一系列变量,科学家应该能够更好地理解创造和维持融雪的雪球行星的驱动力量。如果地球曾经三次变成巨大的冰冻行星,它是否可能再次发生?“我认为在人类存在的时间内,它并不会发生。” 斯蒂文森说道。

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