La Tierra Bola de Nieve es una hipótesis geohistórica que propone que durante uno o más de los climas glaciares de la Tierra , la superficie del planeta se congeló casi por completo sin que hubiera agua líquida oceánica o superficial expuesta a la atmósfera . Se cree que el período más mencionado académicamente de una era de hielo global de este tipo ocurrió algún tiempo antes de 650 millones de años durante el período Criogénico , que incluyó al menos dos grandes períodos glaciares , las glaciaciones Sturtiense y Marinoana .
Los defensores de la hipótesis argumentan que explica mejor los depósitos sedimentarios que generalmente se cree que son de origen glaciar en paleolatitudes tropicales y otras características enigmáticas en el registro geológico. Los oponentes de la hipótesis cuestionan la evidencia geológica de la glaciación global y la viabilidad geofísica de un océano cubierto de hielo o aguanieve, [3] [4] y enfatizan la dificultad de escapar de una condición totalmente congelada. Quedan varias preguntas sin respuesta, incluida la de si la Tierra era una " bola de nieve " completa o una " bola de aguanieve " con una delgada banda ecuatorial de agua abierta (o estacionalmente abierta). Se propone que los episodios de la Tierra Bola de Nieve ocurrieron antes de las radiaciones repentinas de bioformas multicelulares conocidas como las explosiones de Avalon y Cámbrico ; el episodio Bola de Nieve más reciente puede haber desencadenado la evolución de la multicelularidad.
Mucho antes de que se propusiera por primera vez la idea de una glaciación global, se produjeron una serie de descubrimientos que acumularon evidencia de antiguas glaciaciones precámbricas . El primero de estos descubrimientos fue publicado en 1871 por J. Thomson, quien encontró material antiguo reelaborado por glaciares ( tilita ) en Islay , Escocia. [5] Hallazgos similares siguieron en Australia (1884) e India (1887). Un cuarto hallazgo muy ilustrativo, que llegó a conocerse como " Morena de Reusch ", fue informado por Hans Reusch en el norte de Noruega en 1891. Siguieron muchos otros hallazgos, pero su comprensión se vio obstaculizada por el rechazo (en ese momento) de la deriva continental . [6]
Douglas Mawson , geólogo australiano y explorador antártico, pasó gran parte de su carrera estudiando la estratigrafía del Neoproterozoico en el sur de Australia, donde identificó sedimentos glaciares gruesos y extensos. Como resultado, al final de su carrera, especuló sobre la posibilidad de una glaciación global. [7]
Sin embargo, las ideas de Mawson sobre la glaciación global se basaban en la suposición errónea de que la posición geográfica de Australia y las de otros continentes donde se encuentran depósitos glaciares de baja latitud se han mantenido constantes a través del tiempo. [ cita requerida ] Con el avance de la hipótesis de la deriva continental, y eventualmente de la teoría de la tectónica de placas , llegó una explicación más fácil para los sedimentos glaciogénicos: se depositaron en un momento en que los continentes estaban en latitudes más altas.
En 1964, la idea de la glaciación a escala global resurgió cuando W. Brian Harland publicó un artículo en el que presentó datos paleomagnéticos que mostraban que las tillitas glaciares en Svalbard y Groenlandia se depositaron en latitudes tropicales . [8] A partir de estos datos y la evidencia sedimentológica de que los sedimentos glaciares interrumpen sucesiones de rocas comúnmente asociadas con latitudes tropicales a templadas, argumentó que ocurrió una edad de hielo que fue tan extrema que resultó en que rocas glaciares marinas se depositaran en los trópicos.
En la década de 1960, Mikhail Budyko , un climatólogo soviético, desarrolló un modelo climático simple de balance energético para investigar el efecto de la capa de hielo en el clima global. Usando este modelo, Budyko descubrió que si las capas de hielo avanzaban lo suficiente fuera de las regiones polares, se producía un ciclo de retroalimentación donde la mayor reflectividad ( albedo ) del hielo conducía a un mayor enfriamiento y la formación de más hielo, hasta que toda la Tierra estaba cubierta de hielo y se estabilizaba en un nuevo equilibrio cubierto de hielo. [9] Si bien el modelo de Budyko mostraba que esta estabilidad del albedo del hielo podía ocurrir, concluyó que, de hecho, nunca había sucedido, ya que su modelo no ofrecía ninguna forma de escapar de dicho ciclo de retroalimentación.
En 1971, Aron Faegre, un físico estadounidense, demostró que un modelo de balance energético similar predecía tres climas globales estables, uno de los cuales era la Tierra bola de nieve. [10] Este modelo introdujo el concepto de intransitividad de Edward Norton Lorenz , indicando que podría haber un salto importante de un clima a otro, incluso a la Tierra bola de nieve.
El término "Tierra bola de nieve" fue acuñado por Joseph Kirschvink en un breve artículo publicado en 1992 dentro de un largo volumen sobre la biología del eón Proterozoico . [11] Las principales contribuciones de este trabajo fueron: (1) el reconocimiento de que la presencia de formaciones de hierro en bandas es consistente con un episodio glacial global de este tipo, y (2) la introducción de un mecanismo por el cual escapar de una Tierra completamente cubierta de hielo, específicamente, la acumulación de CO 2 a partir de la desgasificación volcánica que conduce a un ultraefecto invernadero .
El descubrimiento de Franklyn Van Houten de un patrón geológico consistente en el que los niveles de los lagos subían y bajaban se conoce hoy como el "ciclo de Van Houten". Sus estudios de los depósitos de fósforo y las formaciones de hierro bandeado en rocas sedimentarias lo convirtieron en uno de los primeros partidarios de la hipótesis de la Tierra bola de nieve, que postula que la superficie del planeta se congeló hace más de 650 millones de años. [12]
El interés en la noción de una Tierra con forma de bola de nieve aumentó dramáticamente después de que Paul F. Hoffman y sus colaboradores aplicaron las ideas de Kirschvink a una sucesión de rocas sedimentarias del Neoproterozoico en Namibia y desarrollaron la hipótesis en la revista Science en 1998 incorporando observaciones tales como la aparición de carbonatos de capa . [13]
En 2010, Francis A. Macdonald, profesor adjunto en Harvard en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias, y otros, informaron evidencia de que Rodinia estaba en latitud ecuatorial durante el período criogénico con hielo glacial al nivel del mar o por debajo de él, y que la glaciación esturtiana asociada fue global. [14]
La hipótesis de la Tierra bola de nieve se ideó originalmente para explicar la evidencia geológica de la aparente presencia de glaciares en latitudes tropicales. [15] Según los modelos, una retroalimentación entre el hielo y el albedo daría como resultado que el hielo glacial avanzara rápidamente hacia el ecuador una vez que los glaciares se extendieran a una distancia de entre 25° [16] y 30° [17] del ecuador. Por lo tanto, la presencia de depósitos glaciares dentro de los trópicos sugiere una cubierta de hielo global.
Por lo tanto, para evaluar la validez de la teoría es fundamental comprender la fiabilidad y la importancia de las pruebas que llevaron a creer que el hielo llegó alguna vez a los trópicos. Estas pruebas deben demostrar tres cosas:
Este último punto es muy difícil de probar. Antes del Ediacárico , no existían los marcadores bioestratigráficos que se suelen utilizar para correlacionar las rocas; por lo tanto, no hay forma de demostrar que rocas de diferentes lugares del mundo se depositaron al mismo tiempo. Lo mejor que se puede hacer es estimar la edad de las rocas utilizando métodos radiométricos , que rara vez tienen una precisión superior a un millón de años. [18]
Los dos primeros puntos suelen ser motivo de controversia en cada caso. Muchas características glaciales también pueden crearse por medios no glaciales, y estimar las latitudes aproximadas de las masas terrestres incluso hace tan solo 200 Ma puede ser una tarea complicada. [19]
La hipótesis de la Tierra con forma de bola de nieve se planteó por primera vez para explicar lo que entonces se consideraban depósitos glaciares cerca del ecuador. Dado que las placas tectónicas se mueven lentamente con el tiempo, determinar su posición en un punto determinado de la larga historia de la Tierra no es fácil. Además de las consideraciones sobre cómo podrían haberse acoplado las masas terrestres reconocibles, la latitud en la que se depositó una roca puede verse limitada por el paleomagnetismo.
Cuando se forman rocas sedimentarias , los minerales magnéticos dentro de ellas tienden a alinearse con el campo magnético de la Tierra . A través de la medición precisa de este paleomagnetismo, es posible estimar la latitud (pero no la longitud ) donde se formó la matriz rocosa. Las mediciones paleomagnéticas han indicado que algunos sedimentos de origen glaciar en el registro de rocas del Neoproterozoico se depositaron a 10 grados del ecuador, [20] aunque la precisión de esta reconstrucción está en duda. [18] Esta ubicación paleomagnética de sedimentos aparentemente glaciares (como dropstones ) se ha tomado para sugerir que los glaciares se extendían desde la tierra hasta el nivel del mar en latitudes tropicales en el momento en que se depositaron los sedimentos. No está claro si esto implica una glaciación global o la existencia de regímenes glaciares localizados, posiblemente sin salida al mar. [21] Otros incluso han sugerido que la mayoría de los datos no restringen ningún depósito glaciar a menos de 25° del ecuador. [22]
Los escépticos sugieren que los datos paleomagnéticos podrían estar corrompidos si el antiguo campo magnético de la Tierra fuera sustancialmente diferente del actual. Dependiendo de la tasa de enfriamiento del núcleo de la Tierra , es posible que durante el Proterozoico, el campo magnético no se aproximara a una distribución dipolar simple , con los polos magnéticos norte y sur aproximadamente alineados con el eje del planeta como lo hacen hoy. En cambio, un núcleo más caliente puede haber circulado con más vigor y dado lugar a 4, 8 o más polos. Los datos paleomagnéticos tendrían que ser reinterpretados, ya que los minerales sedimentarios podrían haberse alineado apuntando a un "polo oeste" en lugar del polo magnético norte . Alternativamente, el campo dipolar de la Tierra podría haber estado orientado de tal manera que los polos estuvieran cerca del ecuador. Esta hipótesis se ha postulado para explicar el movimiento extraordinariamente rápido de los polos magnéticos implicado por el registro paleomagnético del Ediacárico; El supuesto movimiento del polo norte magnético ocurriría aproximadamente al mismo tiempo que la glaciación de Gaskiers . [23]
Otra debilidad de la confianza en los datos paleomagnéticos es la dificultad de determinar si la señal magnética registrada es original o si ha sido restablecida por una actividad posterior. Por ejemplo, una orogenia que forma montañas libera agua caliente como subproducto de las reacciones metamórficas ; esta agua puede circular hasta rocas a miles de kilómetros de distancia y restablecer su firma magnética. Esto hace que la autenticidad de rocas con más de unos pocos millones de años de antigüedad sea difícil de determinar sin minuciosas observaciones mineralógicas. [16] Además, se están acumulando más pruebas de que se han producido eventos de remagnetización a gran escala que pueden hacer necesaria la revisión de las posiciones estimadas de los polos paleomagnéticos. [24] [25]
Actualmente sólo hay un depósito, el depósito Elatina de Australia, que indudablemente fue depositado en latitudes bajas; su fecha de deposición está bien determinada y la señal es demostrablemente original. [26]
Las rocas sedimentarias que se depositan por los glaciares tienen características distintivas que permiten su identificación. Mucho antes de la aparición de la hipótesis de la Tierra bola de nieve, muchos sedimentos del Neoproterozoico habían sido interpretados como de origen glaciar, incluidos algunos aparentemente en latitudes tropicales en el momento de su deposición. Sin embargo, muchas características sedimentarias tradicionalmente asociadas con los glaciares también pueden formarse por otros medios. [27] Por lo tanto, el origen glaciar de muchas de las ocurrencias clave para la Tierra bola de nieve ha sido cuestionado. [18] En 2007, solo había un punto de referencia "muy confiable" (aún cuestionado [18] ) que identificaba las tillitas tropicales, [20] lo que hace que las declaraciones sobre la cubierta de hielo ecuatorial sean algo presuntuosas. Sin embargo, se están acumulando evidencias de glaciación a nivel del mar en los trópicos durante la glaciación Sturtiana. [28] [29] La evidencia del posible origen glaciar de los sedimentos incluye:
Parece que algunos depósitos formados durante el período de bola de nieve solo podrían haberse formado en presencia de un ciclo hidrológico activo . Las bandas de depósitos glaciares de hasta 5.500 metros de espesor, separadas por pequeñas bandas (de metros) de sedimentos no glaciares, demuestran que los glaciares se derritieron y se volvieron a formar repetidamente durante decenas de millones de años; los océanos sólidos no permitirían esta escala de deposición. [33] Se considera [¿ por quién? ] posible que las corrientes de hielo como las que se ven en la Antártida hoy podrían haber causado estas secuencias. Además, las características sedimentarias que solo podrían formarse en agua abierta (por ejemplo: ondulaciones formadas por olas , escombros arrastrados por el hielo que han viajado lejos e indicadores de actividad fotosintética ) se pueden encontrar en sedimentos que datan de los períodos de la Tierra bola de nieve. Si bien estos pueden representar " oasis " de agua de deshielo en una Tierra completamente congelada, [34] los modelos computacionales sugieren que grandes áreas del océano deben haber permanecido libres de hielo, argumentando que una bola de nieve "dura" no es plausible en términos de balance energético y modelos de circulación general. [35]
Existen dos isótopos estables de carbono en el agua de mar: el carbono-12 ( 12 C) y el raro carbono-13 ( 13 C), que constituye aproximadamente el 1,109 por ciento de los átomos de carbono. Los procesos bioquímicos , de los cuales la fotosíntesis es uno, tienden a incorporar preferentemente el isótopo 12 C más ligero. Por lo tanto, los fotosintetizadores que habitan en el océano, tanto los protistas como las algas , tienden a estar muy ligeramente empobrecidos en 13 C, en relación con la abundancia encontrada en las fuentes volcánicas primarias del carbono de la Tierra. Por lo tanto, un océano con vida fotosintética tendrá una proporción 13 C/ 12 C más baja dentro de los restos orgánicos y una proporción más alta en el agua oceánica correspondiente. El componente orgánico de los sedimentos litificados permanecerá muy ligeramente, pero mensurablemente, empobrecido en 13 C.
La erosión por silicato , un proceso inorgánico por el cual el dióxido de carbono se extrae de la atmósfera y se deposita en la roca, también fracciona el carbono. También se cree que la ubicación de varias grandes provincias ígneas poco antes del Criogénico y la erosión química posterior de los enormes basaltos de inundación continentales creados por ellas, ayudada por la ruptura de Rodinia que expuso muchos de estos basaltos de inundación a condiciones más cálidas y húmedas más cerca de la costa y aceleró la erosión química, causó un importante cambio positivo en las proporciones isotópicas del carbono y contribuyó al comienzo de la glaciación de Sturtiana. [36]
Durante el episodio propuesto de Tierra bola de nieve, hay excursiones negativas rápidas y extremas en la relación de 13 C a 12 C. [37] Un análisis detallado de la cronología de los "picos" de 13 C en los depósitos en todo el mundo permite el reconocimiento de cuatro, posiblemente cinco, eventos glaciares en el Neoproterozoico tardío. [38]
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Las formaciones de hierro bandeado (BIF) son rocas sedimentarias de óxido de hierro estratificado y sílex pobre en hierro . En presencia de oxígeno, el hierro se oxida naturalmente y se vuelve insoluble en agua. Las formaciones de hierro bandeado suelen ser muy antiguas y su deposición suele estar relacionada con la oxidación de la atmósfera terrestre durante la era paleoproterozoica , cuando el hierro disuelto en el océano entró en contacto con el oxígeno producido fotosintéticamente y precipitó como óxido de hierro.
Las bandas se formaron en el punto de inflexión entre un océano anóxico y uno oxigenado. Como la atmósfera actual es rica en oxígeno (casi el 21% en volumen) y está en contacto con los océanos, no es posible acumular suficiente óxido de hierro para depositar una formación en bandas. Las únicas formaciones extensas de hierro que se depositaron después del Paleoproterozoico (hace 1.800 millones de años) están asociadas con depósitos glaciares criogénicos .
Para que se depositaran rocas tan ricas en hierro tendría que haber anoxia en el océano, de modo que mucho hierro disuelto (como óxido ferroso ) pudiera acumularse antes de encontrarse con un oxidante que lo precipitaría como óxido férrico . Para que el océano se volviera anóxico debe tener un intercambio de gases limitado con la atmósfera oxigenada. Los defensores de la hipótesis argumentan que la reaparición de BIF en el registro sedimentario es el resultado de niveles limitados de oxígeno en un océano sellado por hielo marino. [11] Cerca del final de un período de glaciación, se produciría un restablecimiento del intercambio de gases entre el océano y el agua de mar oxidada rica en hierro ferroso de la atmósfera. [39] Un cambio positivo en δ 56 Fe IRMM-014 de las capas inferiores a las superiores de los BIF criogenianos puede reflejar un aumento en la acidificación del océano, ya que las capas superiores se depositaron a medida que se derretía cada vez más cubierta de hielo oceánico y el océano disolvía más dióxido de carbono. [40]
Los oponentes de la hipótesis sugieren que la rareza de los depósitos de BIF puede indicar que se formaron en mares interiores. Al estar aislados de los océanos, estos lagos podrían haber estado estancados y anóxicos en profundidad, de forma muy similar al Mar Negro actual ; un aporte suficiente de hierro podría proporcionar las condiciones necesarias para la formación de BIF. [18] Otra dificultad a la hora de sugerir que los BIF marcaron el final de la glaciación es que se encuentran intercalados con sedimentos glaciares; [21] Se ha sugerido que dicha intercalación es un artefacto de los ciclos de Milankovitch , que habrían calentado periódicamente los mares lo suficiente como para permitir el intercambio de gases entre la atmósfera y el océano y precipitar los BIF. [41]
Alrededor de la parte superior de los depósitos glaciares del Neoproterozoico, suele haber una transición abrupta hacia una caliza sedimentaria o dolomita precipitada químicamente de metros a decenas de metros de espesor. [42] Estos carbonatos de capa a veces se presentan en sucesiones sedimentarias que no tienen otras rocas carbonatadas, lo que sugiere que su deposición es el resultado de una profunda aberración en la química oceánica. [43]
Estos carbonatos de la capa tienen una composición química inusual, así como estructuras sedimentarias extrañas que a menudo se interpretan como grandes ondulaciones. [44] La formación de tales rocas sedimentarias podría ser causada por una gran afluencia de iones cargados positivamente , como se produciría por la rápida erosión durante el efecto invernadero extremo después de un evento de Tierra bola de nieve. La firma isotópica δ 13 C de los carbonatos de la capa está cerca de −5 ‰, en consonancia con el valor del manto: un valor tan bajo podría tomarse como una señal de ausencia de vida, ya que la fotosíntesis suele actuar para aumentar el valor; alternativamente, la liberación de depósitos de metano podría haberlo reducido desde un valor más alto y contrarrestar los efectos de la fotosíntesis.
El mecanismo involucrado en la formación de carbonatos de capa no está claro, pero la explicación más citada sugiere que al derretirse una Tierra bola de nieve, el agua disolvería el abundante CO2 de la atmósfera para formar ácido carbónico , que caería en forma de lluvia ácida . Esto erosionaría la roca de silicato y carbonato expuesta (incluidos los restos glaciares fácilmente atacables), liberando grandes cantidades de calcio, que al ser arrastrados al océano formarían capas de roca sedimentaria carbonatada con una textura distintiva. Este sedimento abiótico de "carbonato de capa" se puede encontrar en la parte superior del till glacial que dio origen a la hipótesis de la Tierra bola de nieve.
Sin embargo, la designación de un origen glaciar para los carbonatos de capa presenta algunos problemas. La alta concentración de dióxido de carbono en la atmósfera haría que los océanos se volvieran ácidos y disolverían los carbonatos que contuvieran, algo que contrasta claramente con la deposición de carbonatos de capa. El espesor de algunos carbonatos de capa es muy superior al que podría producirse razonablemente en las desglaciaciones relativamente rápidas. La causa se ve debilitada aún más por la falta de carbonatos de capa por encima de muchas secuencias de claro origen glaciar en un momento similar y la aparición de carbonatos similares dentro de las secuencias de origen glaciar propuesto. [18] Un mecanismo alternativo, que puede haber producido al menos el carbonato de capa de Doushantuo , es la liberación rápida y generalizada de metano. Esto explica una concentración increíblemente baja de δ 13 C (tan baja como −48 ‰ ).valores, así como características sedimentarias inusuales que parecen haberse formado por el flujo de gas a través de los sedimentos. [45]
Los isótopos de boro sugieren que el pH de los océanos disminuyó drásticamente antes y después de la glaciación de Marinoan . [46] Esto puede indicar una acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera, parte del cual se disolvería en los océanos para formar ácido carbónico. Aunque las variaciones de boro pueden ser evidencia de un cambio climático extremo, no necesariamente implican una glaciación global.
La superficie de la Tierra está muy pobre en iridio , que reside principalmente en el núcleo de la Tierra. La única fuente significativa del elemento en la superficie son las partículas cósmicas que llegan a la Tierra. Durante una Tierra bola de nieve, el iridio se acumularía en las capas de hielo, y cuando el hielo se derritiera, la capa de sedimento resultante sería rica en iridio. Se ha descubierto una anomalía de iridio en la base de las formaciones de carbonato de la capa y se ha utilizado para sugerir que el episodio glacial duró al menos 3 millones de años, [47] pero esto no implica necesariamente una extensión global de la glaciación; de hecho, una anomalía similar podría explicarse por el impacto de un gran meteorito . [48]
Utilizando la relación entre los cationes móviles y los que permanecen en los suelos durante la meteorización química (el índice químico de alteración), se ha demostrado que la meteorización química varió de manera cíclica dentro de una sucesión glacial, aumentando durante los períodos interglaciares y disminuyendo durante los períodos glaciales fríos y áridos. [49] Este patrón, si bien es un verdadero reflejo de los acontecimientos, sugiere que las "Tierras bola de nieve" guardaban un mayor parecido con los ciclos de las eras de hielo del Pleistoceno que con una Tierra completamente congelada.
Además, los sedimentos glaciares de la Formación Tillite de Port Askaig en Escocia muestran claramente ciclos intercalados de sedimentos glaciares y marinos poco profundos. [50] La importancia de estos depósitos depende en gran medida de su datación. Los sedimentos glaciares son difíciles de datar, y el estrato datado más cercano al grupo de Port Askaig se encuentra 8 km estratigráficamente por encima de los estratos de interés. Su datación de 600 Ma significa que los estratos pueden correlacionarse tentativamente con la glaciación de Sturt, pero pueden representar el avance o el retroceso de una Tierra bola de nieve.
El inicio de un fenómeno de bola de nieve implicaría algún mecanismo de enfriamiento inicial, que daría lugar a un aumento de la cobertura de nieve y hielo de la Tierra. El aumento de la cobertura de nieve y hielo de la Tierra aumentaría a su vez el albedo de la Tierra, lo que daría lugar a una retroalimentación positiva para el enfriamiento. Si se acumula suficiente nieve y hielo, se produciría un enfriamiento descontrolado. Esta retroalimentación positiva se ve facilitada por una distribución continental ecuatorial, que permitiría que el hielo se acumulara en las regiones más cercanas al ecuador, donde la radiación solar es más directa.
Muchos mecanismos desencadenantes posibles podrían explicar el comienzo de una Tierra bola de nieve, como la erupción de un supervolcán , una reducción en la concentración atmosférica de gases de efecto invernadero como el metano y/o el dióxido de carbono, cambios en la producción de energía solar o perturbaciones de la órbita de la Tierra . Independientemente del desencadenante, el enfriamiento inicial da como resultado un aumento en el área de la superficie de la Tierra cubierta por hielo y nieve, y el hielo y la nieve adicionales reflejan más energía solar de regreso al espacio, enfriando aún más la Tierra y aumentando aún más el área de la superficie de la Tierra cubierta por hielo y nieve. Este ciclo de retroalimentación positiva podría eventualmente producir un ecuador helado tan frío como la Antártida moderna.
El calentamiento global asociado con las grandes acumulaciones de dióxido de carbono en la atmósfera durante millones de años, emitido principalmente por la actividad volcánica, es el detonante propuesto para el derretimiento de una Tierra con forma de bola de nieve. Debido a la retroalimentación positiva para el derretimiento, el derretimiento final de la nieve y el hielo que cubren la mayor parte de la superficie de la Tierra requeriría tan sólo un milenio.
Una distribución tropical de los continentes es, quizás contra-intuitivamente, necesaria para permitir el inicio de una Tierra bola de nieve. [52] Los continentes tropicales son más reflectantes que el océano abierto y por lo tanto absorben menos calor del Sol: la mayor parte de la absorción de energía solar en la Tierra hoy en día ocurre en los océanos tropicales. [53] Además, los continentes tropicales están sujetos a más precipitaciones, lo que conduce a un aumento de la descarga de los ríos y la erosión. Cuando se exponen al aire, las rocas de silicato experimentan reacciones de meteorización que eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera. Estas reacciones ocurren en la forma general
Un ejemplo de tal reacción es la meteorización de la wollastonita :
Los cationes de calcio liberados reaccionan con el bicarbonato disuelto en el océano para formar carbonato de calcio como roca sedimentaria precipitada químicamente. Esto transfiere dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, desde el aire a la geosfera y, en estado estacionario en escalas de tiempo geológicas, compensa el dióxido de carbono emitido por los volcanes a la atmósfera.
En 2003, era difícil establecer una distribución continental precisa durante el Neoproterozoico porque había muy pocos sedimentos adecuados para el análisis. [54] Algunas reconstrucciones apuntan a continentes polares, que han sido una característica de todas las demás glaciaciones importantes, proporcionando un punto en el que el hielo puede nuclearse. Los cambios en los patrones de circulación oceánica pueden haber proporcionado el detonante de la Tierra bola de nieve. [55]
Otros factores que pueden haber contribuido al inicio de la bola de nieve del Neoproterozoico incluyen la introducción de oxígeno libre atmosférico, que puede haber alcanzado cantidades suficientes para reaccionar con el metano en la atmósfera , oxidándolo a dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero mucho más débil, [56] y un Sol más joven, y por lo tanto más débil, que habría emitido un 6 por ciento menos de radiación en el Neoproterozoico. [18]
Normalmente, a medida que la Tierra se enfría debido a las fluctuaciones climáticas naturales y los cambios en la radiación solar entrante, el enfriamiento ralentiza estas reacciones de meteorización. Como resultado, se elimina menos dióxido de carbono de la atmósfera y la Tierra se calienta a medida que este gas de efecto invernadero se acumula; este proceso de " retroalimentación negativa " limita la magnitud del enfriamiento. Sin embargo, durante el Criogénico, todos los continentes de la Tierra estaban en latitudes tropicales , lo que hizo que este proceso moderador fuera menos efectivo, ya que las altas tasas de meteorización continuaron en la tierra incluso mientras la Tierra se enfriaba. Esto hizo que el hielo avanzara más allá de las regiones polares. Una vez que el hielo avanzó hasta 30° del ecuador, [57] podría producirse una retroalimentación positiva de modo que la mayor reflectividad (albedo) del hielo condujera a un mayor enfriamiento y a la formación de más hielo, hasta que toda la Tierra estuviera cubierta de hielo.
Los continentes polares, debido a las bajas tasas de evaporación , son demasiado secos para permitir una deposición sustancial de carbono, lo que restringe la cantidad de dióxido de carbono atmosférico que se puede eliminar del ciclo del carbono . Un aumento gradual de la proporción del isótopo 13 C en relación con el 12 C en los sedimentos antes de la glaciación "global" indica que la reducción de CO 2 antes de las Tierras bola de nieve fue un proceso lento y continuo. [58] El comienzo de las Tierras bola de nieve está marcado por una fuerte caída en el valor δ 13 C de los sedimentos, [59] un sello distintivo que puede atribuirse a un colapso en la productividad biológica como resultado de las temperaturas frías y los océanos cubiertos de hielo.
En enero de 2016, Gernon et al. propusieron una "hipótesis de las crestas poco profundas" que implicaba la ruptura de Rodinia, vinculando la erupción y la rápida alteración de las hialoclastitas a lo largo de las crestas poco profundas con aumentos masivos de la alcalinidad en un océano con una gruesa capa de hielo. Gernon et al. demostraron que el aumento de la alcalinidad a lo largo de la glaciación es suficiente para explicar el espesor de los carbonatos de la capa formados como consecuencia de los eventos de Tierra Bola de Nieve. [60]
La datación del inicio de la glaciación Sturtiana ha demostrado que coincidió con el emplazamiento de una gran provincia ígnea en los trópicos. Se cree que la erosión de esta gran provincia ígnea ecuatorial absorbió suficiente dióxido de carbono del aire como para permitir el desarrollo de una gran glaciación. [61]
La temperatura global descendió tanto que el ecuador era tan frío como la Antártida actual. [51] Esta baja temperatura se mantuvo gracias al alto albedo de las capas de hielo, que reflejaban la mayor parte de la energía solar entrante al espacio. La falta de nubes que retuvieran el calor, causada por la congelación del vapor de agua de la atmósfera, amplificó este efecto. Se ha especulado que la desgasificación del dióxido de carbono fue inusualmente baja durante el Criogénico, lo que permitió la persistencia de la glaciación global. [62]
Se ha estimado que los niveles de dióxido de carbono necesarios para descongelar la Tierra son 350 veces superiores a los actuales, aproximadamente el 13% de la atmósfera. [63] Dado que la Tierra estaba casi completamente cubierta de hielo, el dióxido de carbono no podía ser retirado de la atmósfera mediante la liberación de iones de metales alcalinos que se erosionaban de las rocas silíceas . A lo largo de 4 a 30 millones de años, se acumularía suficiente CO2 y metano, emitidos principalmente por volcanes pero también producidos por microbios que convierten el carbono orgánico atrapado bajo el hielo en gas, [64] para finalmente causar suficiente efecto invernadero para hacer que el hielo superficial se derritiera en los trópicos hasta que se desarrollara una franja de tierra y agua permanentemente libre de hielo; esta sería más oscura que el hielo y, por lo tanto, absorbería más energía del Sol, iniciando una "retroalimentación positiva". [65]
Las primeras áreas que se liberaron de la capa de hielo permanente pueden haber estado en las latitudes medias en lugar de en los trópicos, porque un ciclo hidrológico rápido habría inhibido el derretimiento del hielo en latitudes bajas. A medida que estas regiones de latitudes medias se fueron deshielando, el polvo de ellas se desplazó a capas de hielo en otros lugares, disminuyendo su albedo y acelerando el proceso de desglaciación. [66] La desestabilización de depósitos sustanciales de hidratos de metano atrapados en el permafrost de latitudes bajas también puede haber actuado como un desencadenante y/o una fuerte retroalimentación positiva para la desglaciación y el calentamiento. [67]
Los metanógenos contribuyeron de manera importante a la desglaciación de la Tierra Bola de Nieve de Marinoan. El retorno de una alta productividad primaria en las aguas superficiales impulsó una extensa reducción microbiana del azufre, lo que provocó que las aguas más profundas se volvieran altamente euxínicas. Euxinia provocó la formación de grandes cantidades de sulfuros de metilo, que a su vez fueron convertidos en metano por los metanógenos. Una importante excursión negativa del isótopo de níquel confirma una alta actividad metanogénica durante este período de desglaciación y calentamiento global. [68]
En los continentes, el derretimiento de los glaciares liberaría cantidades masivas de depósitos glaciares, que erosionarían y desgastarían. Los sedimentos resultantes suministrados al océano tendrían un alto contenido de nutrientes como el fósforo , que combinado con la abundancia de CO 2 desencadenaría una explosión demográfica de cianobacterias , que causaría una reoxigenación relativamente rápida de la atmósfera y podría haber contribuido al surgimiento de la biota ediacárica y la posterior explosión cámbrica : una mayor concentración de oxígeno que permitió el desarrollo de grandes formas de vida multicelulares . Aunque el ciclo de retroalimentación positiva derretiría el hielo en un plazo geológico muy corto, tal vez menos de 1.000 años, la reposición del oxígeno atmosférico y el agotamiento de los niveles de CO 2 llevarían otros milenios.
Es posible que los niveles de dióxido de carbono cayeran lo suficiente como para que la Tierra se congelara de nuevo; este ciclo puede haberse repetido hasta que los continentes se desplazaron a latitudes más polares. [69] Evidencias más recientes sugieren que con temperaturas oceánicas más frías, la resultante mayor capacidad de los océanos para disolver gases llevó a que el contenido de carbono del agua del mar se oxidara más rápidamente a dióxido de carbono. Esto conduce directamente a un aumento del dióxido de carbono atmosférico, un mayor calentamiento de invernadero de la superficie de la Tierra y la prevención de un estado de bola de nieve total. [70]
Durante millones de años, la crioconita se habría acumulado sobre y dentro del hielo. Los microorganismos psicrofílicos , las cenizas volcánicas y el polvo de lugares libres de hielo se habrían asentado sobre el hielo que cubría varios millones de kilómetros cuadrados. Una vez que el hielo comenzó a derretirse, estas capas se harían visibles y oscurecerían las superficies heladas, ayudando a acelerar el proceso. [71] Además, la luz ultravioleta del Sol produjo peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) cuando golpeó las moléculas de agua. Normalmente, el H 2 O 2 se descompone con la luz solar, pero parte habría quedado atrapada dentro del hielo. Cuando los glaciares comenzaron a derretirse, se habría liberado tanto en el océano como en la atmósfera, donde se dividió en moléculas de agua y oxígeno, aumentando el oxígeno atmosférico. [72]
Aunque no se discute la presencia de glaciares, la idea de que todo el planeta estaba cubierto de hielo es más controvertida, lo que lleva a algunos científicos a postular una "Tierra bola de nieve", en la que una franja de aguas libres de hielo, o con poca capa de hielo, permanece alrededor del ecuador, lo que permite un ciclo hidrológico continuo. Esta hipótesis atrae a los científicos que observan ciertas características del registro sedimentario que solo se pueden formar bajo aguas abiertas o hielo en rápido movimiento (lo que requeriría un lugar libre de hielo al que trasladarse). Investigaciones recientes observaron ciclicidad geoquímica en rocas clásticas , lo que demuestra que los períodos de bola de nieve estuvieron marcados por períodos cálidos, similares a los ciclos de las eras de hielo en la historia reciente de la Tierra. Los intentos de construir modelos informáticos de una Tierra bola de nieve han tenido dificultades para dar cabida a una cubierta de hielo global sin cambios fundamentales en las leyes y constantes que gobiernan el planeta.
Una hipótesis de Tierra bola de nieve menos extrema implica configuraciones continentales en continua evolución y cambios en la circulación oceánica. [73] La evidencia sintetizada ha producido modelos de Tierra bola de nieve [74] donde el registro estratigráfico no permite postular glaciaciones globales completas. [73] La hipótesis original de Kirschvink [11] había reconocido que se esperaría que existieran charcos tropicales cálidos en una Tierra bola de nieve.
Una hipótesis más extrema, la hipótesis de la Tierra del Cinturón de Agua, sugiere que las áreas libres de hielo en el océano continuaron existiendo incluso cuando los continentes tropicales estaban glaciados. [75]
El argumento en contra de esta hipótesis es la evidencia de fluctuación en la cubierta de hielo y su fusión durante los depósitos de la "Tierra bola de nieve". La evidencia de tal fusión proviene de evidencia de dropstones glaciales, [33] evidencia geoquímica de ciclicidad climática, [49] y sedimentos intercalados glaciares y marinos poco profundos. [50] Un registro más extenso de Omán, restringido a 13°N, cubre el período de hace 712 a 545 millones de años (un lapso de tiempo que incluye las glaciaciones Sturtian y Marinoan ) y muestra tanto deposición glacial como libre de hielo. [76] La hipótesis de la Tierra bola de nieve no explica la alternancia de eventos glaciales e interglaciales, ni la oscilación de los márgenes de las capas glaciales. [77]
Ha habido dificultades para recrear una Tierra con forma de bola de nieve con modelos climáticos globales . Los modelos climáticos globales simples con océanos de capas mixtas pueden congelarse hasta el ecuador; un modelo más sofisticado con un océano dinámico completo (aunque sólo un modelo primitivo de hielo marino) no logró formar hielo marino hasta el ecuador. [78] Además, se ha calculado que los niveles de CO2 necesarios para derretir una capa de hielo global son de 130.000 ppm, [63] lo que algunos consideran irrazonablemente alto. [79]
Se ha descubierto que los datos isotópicos de estroncio no concuerdan con los modelos propuestos de Tierra en bola de nieve sobre la interrupción de la erosión de silicatos durante la glaciación y las tasas rápidas inmediatamente después de la glaciación. Por lo tanto, se propuso que la liberación de metano del permafrost durante la transgresión marina fuera la fuente de la gran excursión de carbono medida en el tiempo inmediatamente posterior a la glaciación. [80]
Nick Eyles sugiere que la Tierra Bola de Nieve del Neoproterozoico no fue de hecho diferente de cualquier otra glaciación en la historia de la Tierra, y que los esfuerzos por encontrar una causa única probablemente terminen en fracaso. [18] La hipótesis de la "grieta de cremallera" propone dos pulsos de "descompresión" continental: primero, la ruptura de Rodinia, formando el océano proto-Pacífico; luego, la separación del continente Báltica de Laurentia , formando el océano proto-Atlántico, coincidiendo con los períodos glaciares. El levantamiento tectónico asociado formaría altas mesetas, al igual que el Rift de África Oriental es responsable de la alta topografía; este terreno elevado podría albergar glaciares.
Las formaciones de hierro bandeado se han considerado como una prueba inevitable de la existencia de una cubierta de hielo global, ya que requieren iones de hierro disueltos y aguas anóxicas para formarse; sin embargo, la extensión limitada de los depósitos de hierro bandeado del Neoproterozoico significa que pueden haberse formado en mares interiores en lugar de en océanos congelados. Dichos mares pueden experimentar una amplia gama de químicas; las altas tasas de evaporación podrían concentrar iones de hierro, y una falta periódica de circulación podría permitir la formación de agua de fondo anóxica. El rifting continental, con el hundimiento asociado, tiende a producir tales masas de agua encerradas en el mar. Este rifting, y el hundimiento asociado, producirían el espacio para la rápida deposición de sedimentos, anulando la necesidad de un derretimiento inmenso y rápido para elevar los niveles globales del mar.
Una hipótesis alternativa para explicar la presencia de hielo en los continentes ecuatoriales era que la inclinación axial de la Tierra era bastante alta, en torno a los 60°, lo que situaría a la Tierra en "latitudes" altas, aunque la evidencia que la respalda es escasa. [81] Una posibilidad menos extrema sería que fuera simplemente el polo magnético de la Tierra el que se desviara hacia esta inclinación, ya que las lecturas magnéticas que sugerían continentes llenos de hielo dependen de que los polos magnético y rotacional sean relativamente similares. En cualquiera de estas dos situaciones, el congelamiento se limitaría a áreas relativamente pequeñas, como es el caso hoy en día; no son necesarios cambios severos en el clima de la Tierra.
La evidencia de depósitos glaciares en latitudes bajas durante los supuestos episodios de Tierra bola de nieve ha sido reinterpretada a través del concepto de intercambio inercial ( desplazamiento polar verdadero) . [82] [83] Esta hipótesis, creada para explicar los datos paleomagnéticos, sugiere que la orientación de la Tierra en relación con su eje de rotación cambió una o más veces durante el marco temporal general atribuido a la Tierra bola de nieve. Esto podría producir la misma distribución de depósitos glaciares sin requerir que ninguno de ellos se haya depositado en latitud ecuatorial. [84] Si bien la física detrás de la propuesta es sólida, la eliminación de un punto de datos defectuoso del estudio original hizo que la aplicación del concepto en estas circunstancias fuera injustificada. [85]
Una glaciación tremenda reduciría la vida fotosintética en la Tierra, agotando así el oxígeno atmosférico y permitiendo así la formación de rocas ricas en hierro no oxidado. Los detractores sostienen que este tipo de glaciación habría extinguido por completo la vida. Sin embargo, los microfósiles como los estromatolitos y los oncolitos demuestran que, al menos en los ambientes marinos poco profundos, la vida no sufrió ninguna perturbación. En cambio, la vida desarrolló una complejidad trófica y sobrevivió al período frío ilesa. [86] Los defensores de esta teoría argumentan que podría haber sido posible que la vida sobreviviera de estas maneras:
Sin embargo, los organismos y ecosistemas, en la medida en que se puede determinar a partir del registro fósil, no parecen haber sufrido el cambio significativo que se esperaría de una extinción masiva . Con el advenimiento de una datación más precisa, se demostró que un evento de extinción de fitoplancton que se había asociado con la Tierra bola de nieve precedió a las glaciaciones en 16 millones de años. [93] Incluso si la vida se aferrara a todos los refugios ecológicos enumerados anteriormente, una glaciación de toda la Tierra daría como resultado una biota con una diversidad y composición notablemente diferentes. Este cambio en la diversidad y la composición aún no se ha observado [94] —de hecho, los organismos que deberían ser más susceptibles a la variación climática emergen ilesos de la Tierra bola de nieve. [48] Una refutación a esto es el hecho de que en muchos de estos lugares donde se presenta un argumento en contra de una extinción masiva causada por la Tierra bola de nieve, el registro fósil criogénico está empobrecido. [95]
Una Tierra con forma de bola de nieve tiene profundas implicaciones en la historia de la vida en la Tierra. Si bien se han postulado muchos refugios , la cubierta de hielo global seguramente habría devastado los ecosistemas que dependen de la luz solar. La evidencia geoquímica de rocas asociadas con depósitos glaciares de baja latitud se ha interpretado como que muestra un colapso en la vida oceánica durante las glaciaciones. Los retrocesos glaciares de gran magnitud favorecieron la supervivencia de las macroalgas. [96]
Como aproximadamente la mitad del agua de los océanos estaba congelada en forma de hielo, el agua restante sería el doble de salada que hoy, lo que reduciría su punto de congelación. Cuando la capa de hielo se derritió bajo una atmósfera caliente rica en dióxido de carbono, cubrió los océanos con una capa de agua dulce cálida (50 °C) de hasta 2 kilómetros de espesor. Solo después de que el agua cálida de la superficie se mezclara con el agua salada más fría y profunda, el mar volvió a un estado más cálido y menos salado. [97] El derretimiento del hielo puede haber presentado muchas nuevas oportunidades de diversificación y, de hecho, puede haber impulsado la rápida evolución que tuvo lugar al final del período Criogénico. La cubierta de hielo global, si existió, puede haber conducido, en conjunto con el calentamiento geotérmico, a un océano animado y bien mezclado con una gran circulación convectiva vertical. [98]
El Neoproterozoico fue una época de notable diversificación de los organismos multicelulares, incluidos los animales. El tamaño y la complejidad de los organismos aumentaron considerablemente después del final de las glaciaciones en bola de nieve. Este rápido desarrollo de los organismos multicelulares puede haber sido el resultado de mayores presiones evolutivas resultantes de múltiples ciclos de invernaderos y glaciares; en este sentido, los episodios de Tierra bola de nieve pueden haber "bombeado" la evolución, de forma muy similar a como se sabe que las glaciaciones durante el Pleistoceno actuaron como una bomba de diversidad en la Antártida. [99] Alternativamente, los niveles fluctuantes de cobre y el aumento del oxígeno pueden haber jugado un papel. Muchas diamictitas de Sturtiana se superponen de manera discordante a estratos mineralizados con cobre en Groenlandia, América del Norte, Australia y África; la ruptura glacial y la erosión de rocas muy enriquecidas en cobre durante la glaciación de Sturtiana, combinadas con la meteorización química de la Gran Provincia Ígnea de Franklin , elevaron enormemente las concentraciones de cobre en el océano. Debido a que el cobre es un componente esencial de muchas proteínas involucradas en la mitigación de la toxicidad del oxígeno , la síntesis de trifosfato de adenosina y la producción de elastina y colágeno , entre otras funciones biológicas, este aumento en las concentraciones de cobre fue esencial para la evolución explosiva de la vida multicelular a lo largo de la última parte del Neoproterozoico. Las concentraciones elevadas de cobre persistieron durante la explosión cámbrica a principios del Fanerozoico y probablemente también influyeron en su curso. [100]
Una hipótesis que ha ido ganando terreno en los últimos años es la de que las primeras Tierras bola de nieve no afectaron tanto a la evolución de la vida en la Tierra como si fueran consecuencia de ella. De hecho, las dos hipótesis no son mutuamente excluyentes. La idea es que las formas de vida de la Tierra afectan al ciclo global del carbono y, por lo tanto, los principales acontecimientos evolutivos alteran el ciclo del carbono, redistribuyendo el carbono en varios depósitos dentro del sistema de la biosfera y, en el proceso, reduciendo temporalmente el depósito de carbono atmosférico (de efecto invernadero) hasta que el sistema de la biosfera revisado se asentara en un nuevo estado. Se especula que el período frío de la glaciación huroniana está vinculado a la disminución del contenido atmosférico de gases de efecto invernadero durante el Gran Evento de Oxigenación . De manera similar, la posible Tierra bola de nieve del Criogénico del Precámbrico entre 580 y 850 millones de años atrás (y que a su vez tuvo varios episodios distintos) podría estar relacionada con el surgimiento de una vida animal multicelular más avanzada y la colonización de la tierra por parte de la vida. [101] [102] Sin embargo, un estudio de 2022, basado en los hallazgos de estudios anteriores, sugirió que la evolución de las plantas terrestres fue impulsada por las glaciaciones criogénicas, que también teorizaron como la razón por la que las Zygnematophyceae (grupo hermano de plantas terrestres ) se volvieron unicelulares y criofílicas , perdieron sus flagelos y desarrollaron la conjugación sexual . [103]
La hipótesis de la Tierra Bola de Nieve se ha invocado para explicar los depósitos glaciares en el Supergrupo Huroniano de Canadá , aunque la evidencia paleomagnética que sugiere capas de hielo en latitudes bajas es cuestionada, [104] [105] y la evidencia estratigráfica muestra claramente solo tres deposiciones distintas de material glaciar (las Formaciones Ramsay, Bruce y Gowganda) separadas por períodos significativos sin. Los sedimentos glaciares de la formación Makganyene de Sudáfrica son ligeramente más jóvenes que los depósitos glaciares Huronianos (~2,25 mil millones de años) y posiblemente se depositaron en latitudes tropicales. [106] Se ha propuesto que el aumento de oxígeno libre que ocurrió durante el Gran Evento de Oxigenación eliminó el metano atmosférico a través de la oxidación. Como la irradiancia solar era notablemente más débil en ese momento, el clima de la Tierra puede haber dependido del metano, un poderoso gas de efecto invernadero, para mantener las temperaturas de la superficie por encima del punto de congelación. En ausencia de este efecto invernadero de metano, las temperaturas cayeron drásticamente y podría haberse producido una glaciación global entre 2,5 y 2,2 mil millones de años atrás , durante los períodos sideriano y riaciense de la era paleoproterozoica. [105]
Hubo tres o cuatro eras glaciales significativas durante el Neoproterozoico tardío. De ellas, la más importante fue la Marinoana, y las glaciaciones Sturtianas también fueron generalizadas. [107] Incluso el principal defensor de la bola de nieve, Hoffman, está de acuerdo en que la glaciación de Gaskiers, de 350.000 años de duración [1], no condujo a una glaciación global, [52] aunque probablemente fue tan intensa como la glaciación del Ordovícico tardío . El estado de la "glaciación" o "evento de enfriamiento" de Kaigas actualmente no está claro; algunos científicos no la reconocen como una glaciación, otros sospechan que puede reflejar estratos mal datados de asociación Sturtiana, y otros creen que puede ser de hecho una tercera era glacial. [108] Ciertamente fue menos significativa que las glaciaciones Sturtiana o Marinoana, y probablemente no de extensión global. La evidencia emergente sugiere que la Tierra experimentó una serie de glaciaciones durante el Neoproterozoico, lo que estaría en fuerte desacuerdo con la hipótesis de la bola de nieve. [4]
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Revisión de los depósitos glaciares del Ediacárico tardío: Wang, Ruimin; Yin, Zongjun; Shen, Bing (2023). "Una edad de hielo del Ediacárico tardío: el nodo clave en la evolución del sistema terrestre". Earth-Science Reviews . 247 . Bibcode :2023ESRv..24704610W. doi :10.1016/j.earscirev.2023.104610. S2CID 265071916.