La Tierra Bola de Nieve es una hipótesis geohistórica que propone que durante uno o más de los climas de la Tierra , la superficie del planeta quedó total o casi completamente congelada sin agua líquida oceánica o superficial expuesta a la atmósfera. Se cree que el período de tal glaciación global más referido académicamente ocurrió en algún momento antes de 650 millones de años durante el período criogénico .
Los defensores de la hipótesis sostienen que explica mejor los depósitos sedimentarios que generalmente se cree que son de origen glacial en paleolatitudes tropicales y otras características enigmáticas del registro geológico. Quienes se oponen a la hipótesis cuestionan la evidencia geológica de la glaciación global y la viabilidad geofísica de un océano cubierto de hielo o lodo, [3] [4] y enfatizan la dificultad de escapar de una condición completamente congelada. Quedan varias preguntas sin respuesta, entre ellas 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 la radiación repentina de bioformas multicelulares conocida como explosión del Cámbrico . El episodio de 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. Se produjeron hallazgos similares en Australia (1884) y la India (1887). Un cuarto y muy ilustrativo hallazgo, que llegó a ser conocido como " la morrena 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. . [5]
Douglas Mawson , geólogo y explorador antártico australiano , dedicó gran parte de su carrera a estudiar la estratigrafía del Neoproterozoico en el sur de Australia, donde identificó gruesos y extensos sedimentos glaciales. Como resultado, al final de su carrera, especuló sobre la posibilidad de una glaciación global. [6]
Sin embargo, las ideas de Mawson sobre la glaciación global se basaban en la suposición errónea de que la posición geográfica de Australia y la de otros continentes donde se encuentran depósitos glaciares de latitudes bajas se ha mantenido constante a lo largo del tiempo. [ cita necesaria ] Con el avance de la hipótesis de la deriva continental y, finalmente, de la teoría de la tectónica de placas , llegó una explicación más fácil para los sedimentos glaciogénicos: se depositaron en una época en la que los continentes estaban en latitudes más altas.
En 1964, la idea de una glaciación a escala global resurgió cuando W. Brian Harland publicó un artículo en el que presentaba datos paleomagnéticos que mostraban que las illitas glaciales en Svalbard y Groenlandia se depositaron en latitudes tropicales . [7] A partir de estos datos y la evidencia sedimentológica de que los sedimentos glaciales 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 el depósito de rocas glaciales marinas en los trópicos.
En la década de 1960, Mikhail Budyko , un climatólogo soviético, desarrolló un modelo climático de balance energético simple para investigar el efecto de la capa de hielo en el clima global. Utilizando este modelo, Budyko descubrió que si las capas de hielo avanzaban lo suficiente fuera de las regiones polares, se producía un circuito de retroalimentación en el que el aumento de la reflectancia ( albedo ) del hielo conducía a un mayor enfriamiento y a la formación de más hielo, hasta cubrir toda la Tierra. en hielo y estabilizado en un nuevo equilibrio cubierto de hielo. [8] Si bien el modelo de Budyko mostró que esta estabilidad del albedo del hielo podría ocurrir, concluyó que, de hecho, nunca había sucedido, ya que su modelo no ofrecía forma de escapar de tal ciclo de retroalimentación.
En 1971, Aron Faegre, un físico estadounidense, demostró que un modelo similar de equilibrio energético predijo tres climas globales estables, uno de los cuales era la Tierra bola de nieve. [9] Este modelo introdujo el concepto de intransitividad de Edward Norton Lorenz , indicando que podría haber un salto importante de un clima a otro, incluyendo una Tierra como una bola de nieve.
El término "Tierra bola de nieve" fue acuñado por Joseph Kirschvink en un breve artículo publicado en 1992 dentro de un extenso volumen sobre la biología del eón Proterozoico . [10] Las principales contribuciones de este trabajo fueron: (1) el reconocimiento de que la presencia de formaciones con bandas de hierro es consistente con un episodio glacial global de este tipo, y (2) la introducción de un mecanismo mediante el cual escapar de una zona completamente helada. Tierra cubierta, específicamente, la acumulación de CO 2 proveniente de la desgasificación volcánica que conduce a un efecto ultrainvernadero .
El descubrimiento de Franklyn Van Houten de un patrón geológico constante en el que los niveles de los lagos subían y bajaban se conoce ahora como el "ciclo de Van Houten". Sus estudios sobre depósitos de fósforo y formaciones de bandas de hierro en rocas sedimentarias lo convirtieron en uno de los primeros partidarios de la hipótesis de la Tierra bola de nieve, que postulaba que la superficie del planeta se congeló hace más de 650 Ma. [11]
El interés en la noción de una Tierra 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 neoproterozoicas en Namibia y desarrollaron la hipótesis en la revista Science en 1998 incorporando observaciones como la ocurrencia de carbonatos de casquete . [12]
En 2010, Francis A. Macdonald, profesor asistente de Harvard en el Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra, 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 el Sturtian asociado La glaciación fue global. [13]
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. [14] Según el modelo, 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 entre 25° [15] y 30° [16] del ecuador. Por lo tanto, la presencia de depósitos glaciares dentro de los trópicos sugiere una capa de hielo global.
Por lo tanto, para evaluar la validez de la teoría es fundamental comprender la confiabilidad y la importancia de la evidencia que llevó a la creencia de que el hielo alguna vez llegó a los trópicos. Esta evidencia debe probar tres cosas:
Este último punto es muy difícil de demostrar. Antes del Ediacara , los marcadores bioestratigráficos habitualmente utilizados para correlacionar rocas están ausentes; por lo tanto, no hay forma de demostrar que se depositaron rocas en diferentes lugares del mundo 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 aproximadamente. [17]
Los dos primeros puntos suelen ser motivo de controversia caso por caso. Muchas características glaciales también pueden crearse por medios no glaciales, y estimar las latitudes aproximadas de masas terrestres incluso en fechas tan recientes como 200 Ma puede resultar plagado de dificultades. [18]
La hipótesis de la Tierra bola de nieve se propuso 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, no es fácil determinar su posición en un punto determinado de la larga historia de la Tierra. Además de las consideraciones sobre cómo podrían haber encajado las masas de tierra reconocibles, la latitud a la que se depositó una roca puede verse limitada por el paleomagnetismo.
Cuando se forman rocas sedimentarias , los minerales magnéticos que contienen tienden a alinearse con el campo magnético de la Tierra . Mediante 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 glacial en el registro de rocas neoproterozoicas se depositaron dentro de los 10 grados del ecuador, [19] aunque la precisión de esta reconstrucción está en duda. [17] Esta ubicación paleomagnética de sedimentos aparentemente glaciales (como piedras caídas ) 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 glaciales localizados, posiblemente sin salida al mar. [20] Otros incluso han sugerido que la mayoría de los datos no restringen ningún depósito glacial dentro de los 25° del ecuador. [21]
Los escépticos sugieren que los datos paleomagnéticos podrían corromperse si el antiguo campo magnético de la Tierra fuera sustancialmente diferente del actual. Dependiendo de la velocidad 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 pudo haber circulado con más fuerza y haber dado origen a 4, 8 o más polos. Los datos paleomagnéticos tendrían entonces que ser reinterpretados, ya que los minerales sedimentarios podrían haberse alineado apuntando a un "polo oeste" en lugar del polo norte magnético . Alternativamente, el campo dipolar de la Tierra podría haberse orientado de manera que los polos estuvieran cerca del ecuador. Esta hipótesis se ha propuesto para explicar el movimiento extraordinariamente rápido de los polos magnéticos implicado en el registro paleomagnético de Ediacara; el supuesto movimiento del polo norte magnético se produciría aproximadamente al mismo tiempo que la glaciación Gaskiers . [22]
Otro punto débil de la confianza en los datos paleomagnéticos es la dificultad para 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 reacciones metamórficas ; esta agua puede circular hasta rocas a miles de kilómetros de distancia y restablecer su firma magnética. Esto hace que sea difícil determinar la autenticidad de rocas de más de unos pocos millones de años sin minuciosas observaciones mineralógicas. [15] Además, se están acumulando más pruebas de que se han producido eventos de remagnetización a gran escala que pueden requerir una revisión de las posiciones estimadas de los polos paleomagnéticos. [23] [24]
Actualmente sólo existe un depósito, el depósito de Elatina de Australia, que indudablemente fue depositado en latitudes bajas; su fecha de depósito está bien limitada y la señal es demostrablemente original. [25]
Las rocas sedimentarias que son depositadas por los glaciares tienen características distintivas que permiten su identificación. Mucho antes del advenimiento de la hipótesis de la Tierra bola de nieve, se había interpretado que muchos sedimentos neoproterozoicos tenían un origen glacial, incluidos algunos aparentemente en latitudes tropicales en el momento de su deposición. Sin embargo, muchos elementos sedimentarios tradicionalmente asociados con los glaciares también pueden formarse por otros medios. [26] Por lo tanto, se ha cuestionado el origen glacial de muchos de los sucesos clave de la Tierra bola de nieve. [17] En 2007, sólo había un punto de referencia "muy confiable", aún cuestionado [17] , que identificaba las illitas tropicales, [19] lo que hace que las declaraciones sobre la capa de hielo ecuatorial sean algo presuntuosas. Sin embargo, se están acumulando pruebas de glaciación al nivel del mar en los trópicos durante la glaciación de Sturtian. [27] [28] La evidencia del posible origen glacial del sedimento incluye:
Parece que algunos depósitos formados durante el período de bola de nieve sólo podrían haberse formado en presencia de un ciclo hidrológico activo . 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. [32] Es considerado [ ¿por quién? ] Es posible que corrientes de hielo como las que se ven hoy en la Antártida hayan causado estas secuencias. Además, las características sedimentarias que solo podrían formarse en aguas abiertas (por ejemplo: ondas formadas por olas , desechos transportados en balsas de hielo que viajaron muy 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, [33] los modelos informáticos 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 equilibrio energético y Modelos de circulación general. [34]
Hay 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 , uno de los cuales es la fotosíntesis , tienden a incorporar preferentemente el isótopo 12 C, más ligero. Así, los fotosintetizadores que habitan en los océanos, tanto protistas como algas , tienden a agotarse ligeramente en 13 C, en relación con la abundancia encontrada en las fuentes volcánicas primarias de carbono de la Tierra. Por lo tanto, un océano con vida fotosintética tendrá una proporción más baja de 13 C/ 12 C dentro de los restos orgánicos y una proporción más alta en el correspondiente agua del océano. El componente orgánico de los sedimentos litificados permanecerá ligeramente, pero mensurable, agotado en 13 C.
La erosión por silicatos , un proceso inorgánico mediante el cual el dióxido de carbono se extrae de la atmósfera y se deposita en la roca, también fracciona el carbono. El emplazamiento de varias grandes provincias ígneas poco antes del Criogenio y la posterior erosión química de los enormes basaltos de inundación continentales creados por ellas, ayudados por la desintegración de Rodinia que expuso muchos de estos basaltos de inundación a condiciones más cálidas y húmedas más cercanas a la costa y aceleró También se cree que la meteorización química causó un cambio positivo importante en las proporciones isotópicas de carbono y contribuyó al comienzo de la glaciación Sturtian. [35]
Durante el episodio propuesto de la Tierra bola de nieve, se producen excursiones negativas rápidas y extremas en la proporción de 13 C a 12 C. [36] Un análisis detallado del momento de los 'picos' de 13 C en los depósitos de todo el mundo permite reconocer cuatro, posiblemente cinco eventos glaciales a finales del Neoproterozoico. [37]
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Las formaciones de hierro en bandas (BIF) son rocas sedimentarias de óxido de hierro en capas y pedernal pobre en hierro . En presencia de oxígeno, el hierro se oxida naturalmente y se vuelve insoluble en agua. Las formaciones de bandas de hierro suelen ser muy antiguas y su deposición a menudo está 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 produjeron en el punto de inflexión entre un océano anóxico y uno oxigenado. Dado que 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 glaciales criogénicos .
Para que se depositaran rocas ricas en hierro tendría que haber anoxia en el océano, de modo que gran parte del hierro disuelto (como óxido ferroso ) pudiera acumularse antes de encontrarse con un oxidante que lo precipitaría como óxido férrico . Para que el océano se vuelva anóxico debe tener un intercambio de gases limitado con la atmósfera oxigenada. Los defensores de la hipótesis argumentan que la reaparición del BIF en el registro sedimentario es el resultado de niveles limitados de oxígeno en un océano sellado por hielo marino. [10] Cerca del final de un período de glaciación, se produciría un restablecimiento del intercambio de gases entre el océano y la atmósfera con agua de mar oxidada rica en hierro ferroso. [38] Un cambio positivo en δ 56 Fe IRMM-014 de las capas inferiores a las superiores de los BIF criogénicos puede reflejar un aumento en la acidificación del océano, ya que las capas superiores se depositaron a medida que más y más capa de hielo oceánico se derritió y se emitió más dióxido de carbono. disuelto por el océano. [39]
Quienes se oponen a 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, muy parecido al actual Mar Negro ; un aporte suficiente de hierro podría proporcionar las condiciones necesarias para la formación de BIF. [17] Una dificultad adicional para sugerir que los BIF marcaron el final de la glaciación es que se encuentran intercalados con sedimentos glaciales; [20] Se ha sugerido que tal intercalamiento es un artefacto de los ciclos de Milankovitch , que periódicamente habrían calentado los mares lo suficiente como para permitir el intercambio de gases entre la atmósfera y el océano y precipitar los BIF. [40]
Alrededor de la parte superior de los depósitos glaciales neoproterozoicos suele haber una transición brusca hacia una caliza sedimentaria o dolomita precipitada químicamente de metros a decenas de metros de espesor. [41] Estos carbonatos de capa a veces ocurren 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 del océano. [42]
Estos carbonatos de capa tienen una composición química inusual, así como estructuras sedimentarias extrañas que a menudo se interpretan como grandes ondas. [43] 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 invernadero extremo después de un evento de bola de nieve en la Tierra. La firma isotópica δ 13 C de los carbonatos de la capa está cerca de −5 ‰, lo que es consistente con el valor del manto; un valor tan bajo podría interpretarse como una ausencia de vida, ya que la fotosíntesis generalmente actúa 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 implicado 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 CO 2 de la atmósfera para formar ácido carbónico , que caería en forma de lluvia ácida . Esto erosionaría las rocas de silicato y carbonato expuestas (incluidos los escombros glaciales fácilmente atacados), liberando grandes cantidades de calcio, que cuando se lavan hacia el océano formarían capas de roca sedimentaria carbonatada con una textura distintiva. Un sedimento abiótico de "capa de carbonato" de este tipo se puede encontrar en la parte superior del glaciar, lo que dio lugar a la hipótesis de la Tierra bola de nieve.
Sin embargo, existen algunos problemas con la designación de origen glacial para tapar los carbonatos. La alta concentración de dióxido de carbono en la atmósfera haría que los océanos se volvieran ácidos y disolverían los carbonatos contenidos en ellos, lo que contrasta radicalmente con la deposición de carbonatos de capa. El espesor de algunos carbonatos de capa está muy por encima de lo que razonablemente podría producirse en las desglaciaciones relativamente rápidas. La causa se ve aún más debilitada por la falta de carbonatos de capa sobre muchas secuencias de claro origen glacial en un momento similar y la aparición de carbonatos similares dentro de las secuencias de origen glacial propuesto. [17] Un mecanismo alternativo, que puede haber producido al menos el carbonato de la capa de Doushantuo , es la liberación rápida y generalizada de metano. Esto representa un valor increíblemente bajo (tan bajo como −48 ‰— δ 13 Cvalores, así como características sedimentarias inusuales que parecen haber sido formadas por el flujo de gas a través de los sedimentos. [44]
Los isótopos de boro sugieren que el pH de los océanos disminuyó drásticamente antes y después de la glaciación Marinoan . [45] 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 del 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 importante 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, [46] 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 . [47]
Utilizando la proporción entre cationes móviles y aquellos que permanecen en los suelos durante la meteorización química (el índice químico de alteración), se ha demostrado que la meteorización química varía de forma cíclica dentro de una sucesión glaciar, aumentando durante los períodos interglaciares y disminuyendo durante los períodos fríos y áridos. periodos glaciales. [48] Este patrón, si es un fiel reflejo de los acontecimientos, sugiere que las "Tierras bola de nieve" tenían un mayor parecido con los ciclos de la edad de hielo del Pleistoceno que con una Tierra completamente congelada.
Además, los sedimentos glaciales de la formación de tilitas de Port Askaig en Escocia muestran claramente ciclos intercalados de sedimentos marinos poco profundos y glaciares. [49] La importancia de estos depósitos depende en gran medida de su datación. Los sedimentos glaciales son difíciles de fechar, y el lecho datado más cercano al grupo Port Askaig está a 8 km estratigráficamente por encima de los lechos de interés. Su datación de hace 600 Ma significa que los lechos pueden correlacionarse tentativamente con la glaciación Sturtian, pero pueden representar el avance o retroceso de una Tierra como bola de nieve.
El inicio de un evento de bola de nieve en la Tierra implicaría algún mecanismo de enfriamiento inicial, lo que daría como resultado un aumento en 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 como resultado una retroalimentación positiva para el enfriamiento. Si se acumula suficiente nieve y hielo, se produciría un enfriamiento galopante. 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 posibles mecanismos desencadenantes podrían explicar el inicio de una bola de nieve en la Tierra, 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 Tierra. orbita . 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 circuito de retroalimentación positiva podría eventualmente producir un ecuador helado tan frío como la Antártida moderna.
El calentamiento global asociado con grandes acumulaciones de dióxido de carbono en la atmósfera durante millones de años, emitido principalmente por la actividad volcánica, es el desencadenante propuesto para el derretimiento de una Tierra como una bola de nieve. Debido a la retroalimentación positiva sobre el derretimiento, el eventual derretimiento de la nieve y el hielo que cubren la mayor parte de la superficie de la Tierra requeriría tan solo un milenio.
Una distribución tropical de los continentes es, quizás contraintuitivamente, necesaria para permitir el inicio de una Tierra como bola de nieve. [51] 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 ocurre en los océanos tropicales. [52] Además, los continentes tropicales están sujetos a más precipitaciones, lo que conduce a un aumento de la descarga de los ríos y a la erosión. Cuando se exponen al aire, las rocas de silicato sufren reacciones de erosión que eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera. Estas reacciones se desarrollan en la forma general.
Un ejemplo de tal reacción es la erosión de la wollastonita :
Los cationes de calcio liberados reaccionan con el bicarbonato disuelto en el océano para formar carbonato de calcio como una roca sedimentaria precipitada químicamente. Esto transfiere dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, del aire a la geosfera y, en estado estacionario en escalas de tiempo geológico, 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. [53] Algunas reconstrucciones apuntan hacia continentes polares, que han sido una característica de todas las demás glaciaciones importantes, proporcionando un punto sobre el cual el hielo puede nuclearse. Los cambios en los patrones de circulación oceánica pueden haber provocado la aparición de una bola de nieve en la Tierra. [54]
Factores adicionales que pueden haber contribuido a la aparición de la bola de nieve neoproterozoica 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, [55] y un Sol más joven, por lo tanto más débil, que habría emitido un 6 por ciento menos de radiación en el Neoproterozoico. [17]
Normalmente, a medida que la Tierra se enfría debido a fluctuaciones climáticas naturales y cambios en la radiación solar entrante, el enfriamiento ralentiza estas reacciones de erosión. Como resultado, se elimina menos dióxido de carbono de la atmósfera y la Tierra se calienta a medida que se acumula este gas de efecto invernadero; 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 de moderación fuera menos efectivo, ya que las altas tasas de erosión continuaron en la tierra incluso cuando la Tierra se enfrió. Esto provocó que el hielo avanzara más allá de las regiones polares. Una vez que el hielo avanzó hasta 30° del ecuador, [56] podría producirse una retroalimentación positiva tal que el aumento de la reflectancia (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 puede eliminarse del ciclo del carbono . Un aumento gradual de la proporción del isótopo 13 C en relación con el 12 C en los sedimentos anteriores a la glaciación "global" indica que la reducción de CO 2 antes de las Tierras bola de nieve era un proceso lento y continuo. [57] El comienzo de las Tierras bola de nieve está marcado por una fuerte caída en el valor δ 13 C de los sedimentos, [58] una característica que puede atribuirse a una caída en la productividad biológica como resultado de las temperaturas frías y los océanos cubiertos de hielo. .
En enero de 2016, Gernon et al. propuso una "hipótesis de las crestas poco profundas" que implica 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. Gernón et al. demostró que el aumento de la alcalinidad a lo largo de la glaciación es suficiente para explicar el espesor de los carbonatos formados después de los eventos de la Tierra Bola de Nieve. [59]
La datación del inicio de la glaciación Sturtian ha encontrado que es contemporánea con el emplazamiento de una gran provincia ígnea en los trópicos. Se cree que la erosión de esta gran provincia ígnea ecuatorial ha absorbido suficiente dióxido de carbono del aire como para permitir el desarrollo de una glaciación importante. [60]
La temperatura global cayó tan bajo que el ecuador era tan frío como la actual Antártida. [50] 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 retengan el calor, causada por el vapor de agua que se congela en la atmósfera, amplificó este efecto. Se ha especulado que la desgasificación de dióxido de carbono fue inusualmente baja durante el criogénico, lo que permitió la persistencia de la glaciación global. [61]
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. [62] Dado que la Tierra estaba casi completamente cubierta de hielo, el dióxido de carbono no podía retirarse de la atmósfera mediante la liberación de iones de metales alcalinos que se desprendían de las rocas silíceas . En un plazo de 4 a 30 millones de años, se acumularía suficiente CO 2 y metano, emitido principalmente por volcanes pero también producido por microbios que convierten el carbono orgánico atrapado bajo el hielo en gas, [63] para causar finalmente suficiente efecto invernadero como para hacer que el hielo superficial se derrita en los trópicos hasta que se desarrolló una franja de tierra y agua permanentemente libres de hielo; esto sería más oscuro que el hielo y, por tanto, absorbería más energía del Sol, iniciando una "retroalimentación positiva". [64]
Las primeras áreas que quedaron libres de la capa de hielo permanente pueden haber sido las latitudes medias en lugar de los trópicos, porque un ciclo hidrológico rápido habría inhibido el derretimiento del hielo en latitudes bajas. A medida que estas regiones de latitudes medias quedaron libres de hielo, el polvo de ellas voló hacia las capas de hielo en otros lugares, disminuyendo su albedo y acelerando el proceso de desglaciación. [65] La desestabilización de depósitos sustanciales de hidratos de metano encerrados en el permafrost de latitudes bajas también puede haber actuado como un desencadenante y/o una fuerte retroalimentación positiva para la deglaciación y el calentamiento. [66]
Los metanógenos contribuyeron de manera importante a la desglaciación de la Tierra Bola de Nieve de Marinoan. El regreso de una alta productividad primaria en las aguas superficiales impulsó una amplia reducción microbiana del azufre, lo que provocó que las aguas más profundas se volvieran altamente euxínicas. La 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 de isótopos de níquel confirma una alta actividad metanogénica durante este período de desglaciación y calentamiento global. [67]
En los continentes, el derretimiento de los glaciares liberaría cantidades masivas de depósitos glaciales, que se erosionarían y erosionarían. Los sedimentos resultantes aportados al océano tendrían un alto contenido de nutrientes como el fósforo , lo que combinado con la abundancia de CO 2 desencadenaría una explosión demográfica de cianobacterias , lo que provocaría una reoxigenación relativamente rápida de la atmósfera y podría haber contribuido al aumento de la Biota de Ediacara y la posterior explosión del Cámbrico : una mayor concentración de oxígeno que permite el desarrollo de grandes formas de vida multicelulares . Aunque el circuito de retroalimentación positiva derretiría el hielo en un plazo geológicamente corto, tal vez menos de 1.000 años, la reposición del oxígeno atmosférico y el agotamiento de los niveles de CO2 llevarían otros milenios.
Es posible que los niveles de dióxido de carbono hayan disminuido lo suficiente como para que la Tierra se congele nuevamente; Este ciclo puede haberse repetido hasta que los continentes se desplazaron a latitudes más polares. [68] Evidencia más reciente sugiere que con temperaturas oceánicas más frías, la mayor capacidad resultante de los océanos para disolver gases llevó a que el contenido de carbono del agua de mar se oxidara más rápidamente a dióxido de carbono. Esto conduce directamente a un aumento del dióxido de carbono atmosférico, a un mayor calentamiento de la superficie de la Tierra por efecto de invernadero y a la prevención de un estado de bola de nieve total. [69]
Durante millones de años, la crioconita se habría acumulado sobre y dentro del hielo. Los microorganismos psicrófilos , las cenizas volcánicas y el polvo de lugares sin hielo se depositarían en una superficie de hielo de varios millones de kilómetros cuadrados. Una vez que el hielo comenzara a derretirse, estas capas se harían visibles y oscurecerían las superficies heladas, lo que ayudaría a acelerar el proceso. [70] 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 del sol, pero una 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. [71]
Si bien la presencia de glaciares no está en duda, la idea de que todo el planeta estaba cubierto de hielo es más polémica, lo que lleva a algunos científicos a postular una "Tierra bola de aguanieve", en la que queda una franja de aguas sin hielo o con una capa delgada de hielo. alrededor del ecuador, lo que permite un ciclo hidrológico continuo. Esta hipótesis atrae a los científicos que observan ciertas características del registro sedimentario que sólo pueden formarse bajo aguas abiertas o bajo hielo que se mueve rápidamente (lo que requeriría un lugar libre de hielo para 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 la edad 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 acomodar la capa de hielo global sin cambios fundamentales en las leyes y constantes que gobiernan el planeta.
Una hipótesis menos extrema de la Tierra bola de nieve implica configuraciones continentales en continua evolución y cambios en la circulación oceánica. [72] La evidencia sintetizada ha producido modelos terrestres de bola de aguanieve [73] donde el registro estratigráfico no permite postular glaciaciones globales completas. [72] La hipótesis original de Kirschvink [10] había reconocido que se esperaría que existieran charcos tropicales cálidos en una Tierra bola de nieve.
El argumento en contra de la hipótesis es la evidencia de fluctuaciones en la capa de hielo y derretimiento durante los depósitos de la "Tierra bola de nieve". La evidencia de tal derretimiento proviene de evidencia de piedras caídas glaciales, [32] evidencia geoquímica de ciclicidad climática, [48] y sedimentos marinos poco profundos y glaciares intercalados. [49] Un registro más largo de Omán, limitado a 13°N, cubre el período comprendido entre hace 712 y 545 millones de años (un lapso de tiempo que contiene las glaciaciones Sturtian y Marinoan ) y muestra deposiciones tanto glaciales como libres de hielo. [74] La hipótesis de la Tierra bola de nieve no explica la alternancia de eventos glaciales e interglaciares, ni la oscilación de los márgenes de las láminas glaciales. [75]
Ha habido dificultades para recrear una Tierra en forma de bola de nieve con modelos climáticos globales . Se pueden hacer GCM simples con océanos de capas mixtas para congelarse hasta el ecuador; un modelo más sofisticado con un océano completamente dinámico (aunque sólo un modelo primitivo de hielo marino) no logró formar hielo marino hasta el ecuador. [76] Además, se ha calculado que los niveles de CO 2 necesarios para derretir una capa de hielo global son 130.000 ppm, [62] lo que algunos consideran irrazonablemente alto. [77]
Se ha descubierto que los datos isotópicos de estroncio están en desacuerdo con los modelos terrestres de bola de nieve propuestos sobre la parada de la erosión por silicatos durante la glaciación y las rápidas tasas 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. [78]
Nick Eyles sugiere que la Tierra Bola de Nieve neoproterozoica 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. [17] La hipótesis de la "fisura en cremallera" propone dos pulsos de "descompresión" continental: primero, la ruptura de Rodinia, formando el proto-Océano Pacífico; luego, la separación del continente Báltico de Laurentia , formando el protoatlántico, coincidió con los períodos glaciados. El levantamiento tectónico asociado formaría altas mesetas, del mismo modo que el Rift de África Oriental es responsable de la alta topografía; este terreno elevado podría albergar glaciares.
Las formaciones de bandas de hierro se han tomado como evidencia inevitable de la capa 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 en bandas del Neoproterozoico significa que pueden haberse formado en mares interiores en lugar de océanos helados. Estos mares pueden experimentar una amplia gama de químicas; altas tasas de evaporación podrían concentrar iones de hierro, y una falta periódica de circulación podría permitir que se forme agua anóxica en el fondo. El rift continental, con el consiguiente hundimiento, tiende a producir este tipo de cuerpos de agua sin salida al mar. Esta ruptura, y el hundimiento asociado, producirían el espacio para la rápida deposición de sedimentos, eliminando la necesidad de un inmenso y rápido derretimiento para elevar los niveles globales del mar.
Una hipótesis en competencia para explicar la presencia de hielo en los continentes ecuatoriales era que la inclinación axial de la Tierra era bastante alta, alrededor de 60°, lo que colocaría la Tierra en "latitudes" altas, aunque la evidencia que lo respalda es escasa. [79] Una posibilidad menos extrema sería que fuera simplemente el polo magnético de la Tierra el que se desvió hacia esta inclinación, ya que las lecturas magnéticas que sugirieron continentes llenos de hielo dependen de que los polos magnético y de rotación sean relativamente similares. En cualquiera de estas dos situaciones, la congelación se limitaría a zonas relativamente pequeñas, como ocurre hoy; No son necesarios cambios severos en el clima de la Tierra.
La evidencia de depósitos glaciares en latitudes bajas durante los supuestos episodios de bola de nieve de la Tierra se ha reinterpretado mediante el concepto de verdadero desplazamiento polar de intercambio inercial . [80] [81] 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 período de tiempo general atribuido a la Tierra bola de nieve. Es factible que esto produzca la misma distribución de depósitos glaciares sin requerir que ninguno de ellos haya sido depositado en latitud ecuatorial. [82] Si bien la física detrás de la proposición es sólida, la eliminación de un punto de datos defectuoso del estudio original hizo que la aplicación del concepto en estas circunstancias fuera injustificada. [83]
Una tremenda glaciación limitaría la vida fotosintética en la Tierra, agotando así el oxígeno atmosférico y permitiendo así que se formaran rocas ricas en hierro no oxidado. Los detractores argumentan que este tipo de glaciación habría extinguido por completo la vida. Sin embargo, microfósiles como los estromatolitos y los oncolitos demuestran que, al menos en ambientes marinos poco profundos, la vida no sufrió ninguna perturbación. En cambio, la vida desarrolló una complejidad trófica y sobrevivió ilesa al período frío. [84] Sus defensores responden que podría haber sido posible que la vida sobreviviera de estas maneras:
Sin embargo, los organismos y ecosistemas, hasta donde el registro fósil puede determinar, no parecen haber sufrido el cambio significativo que se esperaría de una extinción masiva . Con la llegada de una datación más precisa, se demostró que un evento de extinción del fitoplancton que se había asociado con la Tierra bola de nieve precedió a las glaciaciones en 16 millones de años. [91] Incluso si la vida persistiera en 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 diversidad y composición aún no se ha observado [92] ; de hecho, los organismos que deberían ser más susceptibles a la variación climática emergen ilesos de la Tierra bola de nieve. [47] Una refutación a esto es el hecho de que en muchos de estos lugares donde se argumenta contra una extinción masiva causada por la Tierra bola de nieve, el registro fósil criogénico está empobrecido. [93]
Una Tierra bola de nieve tiene profundas implicaciones en la historia de la vida en la Tierra. Si bien se han postulado muchos refugios , la capa de hielo global ciertamente habría devastado los ecosistemas que dependen de la luz solar. Se ha interpretado que la evidencia geoquímica de rocas asociadas con depósitos glaciares de latitudes bajas muestra una caída en la vida oceánica durante los glaciales.
Debido a que aproximadamente la mitad del agua de los océanos estaba congelada como hielo, el agua restante sería dos veces más salada de lo que es hoy, lo que reduciría su punto de congelación. Cuando la capa de hielo se derritiera bajo una atmósfera caliente y rica en dióxido de carbono, cubriría los océanos con una capa de agua dulce cálida (50°C) de hasta 2 kilómetros de espesor. Sólo después de que el agua cálida de la superficie se mezcló con el agua salada más fría y profunda, el mar volvió a un estado más cálido y menos salado. [94] El derretimiento del hielo puede haber presentado muchas nuevas oportunidades para la diversificación y, de hecho, puede haber impulsado la rápida evolución que tuvo lugar al final del período criogénico. La capa de hielo global, si existiera, podría (junto con el calentamiento geotérmico) haber dado lugar a un océano vivo y bien mezclado con una gran circulación convectiva vertical. [95]
El Neoproterozoico fue una época de notable diversificación de organismos multicelulares, incluidos los animales. El tamaño y la complejidad de los organismos aumentaron considerablemente después del final de las glaciaciones de bola de nieve. Este rápido desarrollo de organismos multicelulares puede haber sido el resultado de mayores presiones evolutivas resultantes de múltiples ciclos hielo-invernadero; En este sentido, los episodios de la Tierra como bola de nieve pueden haber "bombeado" la evolución. Alternativamente, los niveles fluctuantes de cobre y el aumento de oxígeno pueden haber influido. Muchas diamictitas de Sturtian 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 Sturtian, combinadas con la erosión 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 siglo XIX. Neoproterozoico. Las elevadas concentraciones de cobre persistieron durante la explosión del Cámbrico a principios del Fanerozoico y probablemente también influyeron en su curso. [96]
Una hipótesis que ha ido ganando terreno en los últimos años: que las primeras Tierras bola de nieve no afectaron tanto a la evolución de la vida en la Tierra como a su resultado. De hecho, las dos hipótesis no son mutuamente excluyentes. La idea es que las formas de vida de la Tierra afectan el ciclo global del carbono y, por lo tanto, importantes eventos evolutivos alteran el ciclo del carbono, redistribuyendo el carbono dentro de varios reservorios 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 establezca. a un nuevo estado. Se especula que el período frío de la glaciación huroniana está relacionado con la disminución del contenido atmosférico de gases de efecto invernadero durante el Gran Evento de Oxigenación . De manera similar, la posible bola de nieve de la Tierra durante el Criogenio del Precámbrico hace entre 580 y 850 millones de años (y que a su vez tuvo varios episodios distintos) podría estar relacionada con el surgimiento de vida animal multicelular más avanzada y la colonización de la tierra por parte de la vida. [97] [98] Sin embargo, un estudio muy reciente, basado en hallazgos de estudios previos, sugirió que la evolución de las plantas terrestres fue impulsada por las glaciaciones criogénicas, que también teorizaron como la razón por la cual las Zygnematophyceae (grupo hermano de plantas terrestres ) se convirtieron en unicelulares y criófilos , perdieron sus flagelos y evolucionaron la conjugación sexual . [99]
Se ha invocado la hipótesis de la Tierra Bola de Nieve para explicar los depósitos glaciares en el supergrupo huroniano de Canadá , aunque se cuestiona la evidencia paleomagnética que sugiere capas de hielo en latitudes bajas, [100] [101] y la evidencia estratigráfica muestra claramente solo tres deposiciones distintas de material glacial. (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 hurones (~2.250 millones de años) y posiblemente se depositaron en latitudes tropicales. [102] Se ha propuesto que el aumento de oxígeno libre que se produjo 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 pudo 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 invernadero de metano, las temperaturas se desplomaron y podría haber ocurrido una glaciación global entre 2,5 y 2,2 Gya , durante los períodos sideriano y riacio de la era paleoproterozoica. [101]
Hubo tres o cuatro glaciaciones importantes durante el Neoproterozoico tardío. De ellos, el Marinoan fue el más importante y las glaciaciones de Sturtian también estuvieron muy extendidas. [103] Incluso el principal defensor de la bola de nieve, Hoffman, está de acuerdo en que la glaciación de Gaskiers, que duró 350 mil años [1], no condujo a una glaciación global, [51] aunque probablemente fue tan intensa como la glaciación del Ordovícico tardío . El estado de la "glaciación" o "evento de enfriamiento" de Kaigas no está claro actualmente; algunos científicos no lo reconocen como un glacial, otros sospechan que puede reflejar estratos mal fechados de asociación con Sturtian, y otros creen que, de hecho, puede ser una tercera edad de hielo. [104] Ciertamente fue menos significativa que las glaciaciones Sturtian o Marinoan, y probablemente no de extensión global. La evidencia emergente sugiere que la Tierra sufrió una serie de glaciaciones durante el Neoproterozoico, lo que estaría fuertemente en desacuerdo con la hipótesis de la bola de nieve. [4]
Antes de la teoría de la deriva continental, los depósitos glaciares en los estratos del Carbonífero en áreas continentales tropicales como India y América del Sur llevaron a la especulación de que la glaciación de la Edad de Hielo Karoo llegó a los trópicos. Sin embargo, una reconstrucción continental muestra que el hielo en realidad estaba limitado a las partes polares del supercontinente Gondwana . [ cita necesaria ]
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Revisión de los depósitos glaciares tardíos de Ediacara: Wang, Ruimin; Yin, Zongjun; Shen, Bing (2023). "Una edad de hielo tardía de Ediacara: el nodo clave en la evolución del sistema terrestre". Reseñas de ciencias de la tierra . 247 . Código Bib : 2023ESRv..24704610W. doi :10.1016/j.earscirev.2023.104610. S2CID 265071916.