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Snowball Earth

Cat: SCI
Pub: 1999

Paul F. Hoffman & Daniel P. Schrag



Snowball Earth


Paul F. Hoffman & Daniel P. Schrag

P.E.ホフマン、D.P. シラッグ


Aug. 1999

  1. The Snowball Earth
  2. Introduction
  3. Frozen and Fried:
  4. Sea Ice at the Equator:
  5. Acid Test:
  6. Snowball Episodes and Earth History:
  1. 雪だるまの地球:
  2. 序文:
  3. 凍結と灼熱:
  4. 赤道直下の海が氷結:
  5. 厳密な検証:
  6. 雪だるまのエピソードと地球の歴史:

;; 1ppb; 21ka; 600-700ma ; Albedo; Anthropogenic effects; Cap d0lomite; Curie temperature; Dissolved inorganic carbon; Enriched 1.5% C13; Multicellurar animal; Natural remnant magnetization; Weathering reactions; ; ;

  • The theory of 'Snowball' effect gives one of the showdown (snowdown?) betweeen the famous controversy of geology since 18th century: "Catastrophism" and "Uniformism." Catastrophic change related volcanic or fire activity, while uniform or gradual change to water.
  • Thus water has been regared as a champiion factor of "Uniformism." But once water changes into ice, it may suddenly change its fuction: it becomes as chanmpion of "Catastrphism."
  • 'Uniformism' is to 'Reformation' what 'Chatastrophism' is to 'Revolution.'
  • 「雪だるま」効果の理論は18世紀以来の地質学上の有名な論争の一つの雪崩的(?)な決着を与えてくれる。それは「天変地異説」と「斉一説」である。天変地異的な変化は火山、即ち火による活動であり、斉一的な変化は水による緩やかな変化である。
  • このように水は斉一説の主要な要因と見なされてきた。しかし水が一旦、氷に替わると、その機能は一変する。それは天変地異説の主役となる。

>Top 0. The Snowball Earth:

  • Many lines of evidence support a theory that the entire Earth was ice-covered for long periods 600-700 million years ago. Each glacial period lasted for millions of years and ended violently under extreme greenhouse conditions. These climate shocks triggered the evolution of multicellular animal life, and challenge long-held assumptions regarding the limits of global change.

0. 雪だるまの地球:

  • 今から6~7億年前に地球全体が凍りに覆われていたという多くの証拠が見つかっている。一回の氷河期は数百万年続いた後、極端な温室効果によって急激に終了した。この気候の激減が多細胞の動物の進化を引き起こした。これはこれまでの地球規模での変化が説明できないという説を打ち破る理論である。

>Top 1. Introduction:

  • Geology tells us that the Earth's climate is subject to change on various timescales, but what are the limits to climatic variability? Over the last million years that constitute the Pleistocene epoch, continents bordering the North Atlantic Ocean were periodically glaciated at intervals governed by changes in the Earth's orbit around the Sun. At the height of the last ice age, a mere 21,000 years ago, much of North America and Europe were covered by glaciers over 2 kilometers thick, causing sea level to drop by 120 meters. The chill was global: land and sea ice combined to cover 30 percent of the Earth's surface, more than at any other time in the last 500 million years.
    • Note: "Pleistocene":
      Quaternary is the last period of time in the stratigraphic column, 0-2 my, represented by accumulation of glacial (Pleistocene) and post-glacial (Holocene) deposits which continue, from the top of the Pliocene (Tertiary).
    • "Gracier":
      Glaciers move at rates varying between a few cm and some tens of m a day. Glaciers terminate where the rate of loss of ice by melting and ablation is equal to the foreward advance of the glacieer.
  • In 1964, Brian Harland at Cambridge University postulated that the Earth had experienced a great Neoproterozoic ice age. He pointed out that Neoproterozoic glacial deposits, similar in type to those of the Pleistocene, are widely distributed on virtually every continent. Harland could only speculate on the positions of continents in Neoproterozoic time and could not rule out the possibility that various continents were glaciated at different times as they drifted close to the poles. Nevertheless, he inferred that ice lines penetrated the tropics from the occurrence of glacial deposits within types of marine sedimentary strata characteristic of low latitudes.
  • What could cause glaciers to reach sea level near the Equator? Climate physicists were just developing mathematical models of the Earth's climate, providing a new perspective on the limits to glaciation. The Earth's climate is fundamentally controlled by the way that solar radiation interacts with the Earth's surface and atmosphere. We receive ~343 watts per square meter of radiation from the Sun. Some of this is reflected back to space by clouds and by the Earth's surface, but approximately two thirds is absorbed by the Earth's surface and atmosphere, increasing the average temperature. Earth's surface emits radiation at longer wavelengths (infrared), balancing the energy of the radiation that has been absorbed. If more of the solar radiation were reflected back to space, then less radiation would be absorbed at the surface and the Earth's temperature would decrease.
  • >Top The surface albedo is a measure of how much radiation is reflected; snow has a high albedo (~0.8), seawater has a low albedo (~0.1), and land surfaces have intermediate values that vary widely depending mainly on the types and distribution of vegetation. When snow falls on land or ice forms at sea, the increase in the albedo causes greater cooling, stabilizing the snow and ice. This is called ice-albedo feedback, and it is an important factor in the waxing (and waning) of ice sheets.
  • At the same time that Harland was examining Neoproterozoic glacial deposits, Mikhail Budyko at the Leningrad Geophysical Observatory, working with simple two-dimensional energy-balance climate models, found that the ice-albedo feedback created an instability in the Earth's climate system. Budyko showed that if the Earth's climate were to cool, and ice were to form at lower and lower latitudes, the planetary albedo would rise at a faster and faster rate because there is more surface area per degree of latitude as one approaches the Equator.
    • In his model, once ice formed beyond a critical latitude (around 30 degrees north or south, equivalent to half the Earth's surface area), the positive feedback became so strong that temperatures of the surface plummeted, yielding a completely frozen planet. The relatively small amount of heat escaping from the Earth's interior is sufficient to prevent the oceans from freezing to the bottom, but would still allow a kilometer thick cap of sea ice to form, thicker at the poles and thinner at the Equator.

1. 序文:

  • 地質学によれば、地球の気候は様々な時間的スケールでの変化に依存している。ところで気候的変化の限界とは何か。数百万年以降現在までは更新世 (洪積世) と呼ばれ、この間北大西洋沿いでは地球の軌道の変化よって周期的に氷河に覆われてきた。最後の氷河期のピークはほんの2.1万年前のことであり、当時北米と欧州のほとんどが厚さ2km以上の氷河に覆われ、海面は120mも下がっていた。地球全体が寒冷化し、地上と海上にある氷は過去5億年間のどの時代よりも多く、地表全体の30%を占めていた。
    • 注)更新世:
      第四紀を二分する最後の地層の時期、0-2百万年。氷河の堆積のある更新世と、氷河期の後の今も続く完新世 (沖積世) に区分。いずれも第三紀鮮新世の上部に存在する。
    • 氷河:
  • 1964年、ケンブリッジ大学の Brian Harland は、地球がネオ更新世的な氷河期を経験したと想定した。彼曰く、更新世と同様の氷河期の地層がほぼすべての大陸に分布しているからである。彼はネオ更新世での大陸の位置を想定はできたが、様々な大陸が極地方へ移動する毎に異なる時期に氷河に覆われた可能性には言及しなかった。しかし低緯度地域の海成堆積物の状況から氷河の境界が熱帯地域を貫いていると推測した。
  • 一体どうして氷河は赤道近くの海にまで到達できたのだろうか。気候物理学者は、最近、地球の気候の数学モデルによって、氷河の限界についての新たな見解を示した。地球の気候は基本的には太陽放射と地表面と大気の相関関係に依る。太陽からは約343 W/sq.mの熱量を受け取る。その一部は雲や地表面から大気中に反射するが、その内の約2/3は地表および大気が吸収して平均気温を上昇させる。 地表面からは長波長 (赤外線)を反射し、吸収した日射エネルギーと均衡する。もし太陽放射をより多く空間に反射すると、地表面で吸収される放射量は減少し、地球の温度は下がることになる。
  • 地表での反射係数 (アルベド値) とは、放射がどれほど反射されるかの係数である。雪の場合約0.8、海面では約0.1 で、地表面の値では、地表の状況や植生で異なるが、その中間になる。雪が地上に積もり、海面で氷結するとアルベド値は上がり、温度下がり雪や氷は安定する。これは氷アルベド・フィードバックと呼ばれ、氷床の増減にとって重要な要因となる。
    • 注)反射係数albedo < L: albus(白い)
  • Harland はネオ更新世の氷河の地層を調査していた同じ頃に、レニングラード地球物理研究所の Mikhail Budyko は、2次元の単純な気候モデルに取り組み、氷アルベド・フィードバックが地球の気候システムを不安定にすることを発見した。もし地球の気候が寒冷化すると、氷河がさらに低緯度地方にまで拡大し、地球全体のアルベド値は加速的に上昇するという。それは赤道付近の低緯度地域では地表面積が大きいからである。
    • 彼のモデルでは、氷河が一旦、南北の緯度30度を超えると地球表面の過半数を覆うことになり、ポジティブフィードバックが強力に作用し、地表温度を急降下させる。地球内部からの熱量は相対的に小さいものの、それでも大洋が海底まで凍るのを防げるが、海面の氷の厚さは1kmに達する。その厚さは極地ではより厚く、赤道では薄い。

>Top 2. Frozen and Fried:

  • Budyko's model results helped stimulate interest in the science of climate modeling, but few believed that the Earth had ever actually experienced a runaway ice albedo. First, it was assumed that such a catastrophe would have extinguished all life, contrary to microscopic evidence of extant life forms in rocks as old as 3500 million years. Second, once the Earth became totally ice-covered, the high albedo would drive surface temperatures so low that there seemed no means of escape. Had such a glaciation ever occurred, Budyko reasoned, it would have been permanent. The first of these objections began to fade in the late 1970s with the discovery of remarkable communities of organisms living in deep-sea hydrothermal (hot water) vents, and later in the extremely cold, dry, mountain valleys of East Antarctica. Some of these organisms appeared capable of surviving global glaciation and their existence in the Neoproterozoic was unquestioned molecular studies showed that they disproportionately represent the oldest branches in the universal tree of life.
  • The key to the second problem reversing the ice-albedo feedback is plate tectonics. Climate scientists have long known that the amount of carbon dioxide in the atmosphere plays an important role in determining the Earth's temperature because it is a "greenhouse" gas, meaning that it absorbs infrared radiation emitted from the Earth's surface.
    • Over time scales of human lifetimes, the amount of atmospheric carbon dioxide can be affected by biological processes such as photosynthesis or respiration, and by human activities such as the burning of tropical forests and fossil fuels. Over time scales of millions of years, the amount of carbon dioxide in the ocean-atmosphere system is adjusted to maintain a balance between its supply by volcanoes, both on land and in the ocean, and its removal by chemical weathering reactions with silicate rocks, which convert the carbon dioxide to calcium carbonate which is then buried in sediments.
  • >Top In the late 1980s, Joe Kirschvink at the California Institute of Technology pointed out that during a global glaciation, what he termed a "snowball" Earth, the supply of carbon dioxide to the atmosphere and oceans from volcanism would continue because of plate tectonics. However, if the Earth were so cold that there were no liquid water on the continents, weathering reactions would effectively cease, allowing carbon dioxide to build up to incredibly high levels. Eventually, the carbon-dioxide-induced warming would offset the ice albedo, and the glaciation would end.
    • Given that solar luminosity 600-700 million years ago was about six percent lower than today due to stellar evolution, Ken Caldeira and Jim Kasting at The Pennsylvania State University estimated that roughly 0.12 bar of carbon dioxide (about 350 times the present concentration) would have been required to overcome the albedo of a snowball Earth.
    • Assuming current rates of volcanic carbon dioxide emissions, a Neoproterozoic "snowball" Earth would have lasted for millions to tens of million of years before the sea ice would begin to melt at the Equator. A "snowball" Earth would not only be the most severe glaciation conceivable, it would be the most prolonged.
    • Note: "Plate Tectonics":
      Theory dealing with the dynamics of the Earth's crust, lithosphere. It consits of about a douzen large plates. These plates move relative to each other and intract at their boundaries where they diverge, converge, or slip.

2. 凍結と灼熱:

  • Budyko による氷結および灼熱モデルは、気候学のモデルとしては興味深いが、地球で実際に氷アルベド値の暴走が起こったと信じる人はまずいなかった。
    • 第一に、このような天変地異が起こると生命が絶滅してしまう。事実、35億年前の岩石中に生命の痕跡が保存されている。
    • 第二に、一旦地球の全凍結が起こると、高いアルベド値は地表温度を冷却化し、そこからの脱出不可能となる。もしこのような全面氷結が起これば、それは永久的となると推定された。
    • この反論としては、1970年代末に深海に生きる熱水の出口孔に棲む有機物の群落が発見され、また後にそれらは南極東部の極冠の乾燥した谷間でも発見された。分子生物学の研究によれば、これら一部の有機生物は地球規模の氷河でも生存可能でネオ更新世でも存在していたことは疑問の余地がないことが示された。それらは生命の系統において不釣り合いなほど古い系統を代表している。
  • 氷アルベド値を覆す第二の問題はプレートテクトニクスである。気候学者は昔から、大気中の二酸化炭素濃度が地球の気温変動に重要な役割を演じることを知っていた。それは温室ガスとして地表から放射される赤外線を吸収するからである。
    • 人間の寿命を超える時間をかけて、二酸化炭素濃度は光合成や呼吸、あるいは熱帯の森林や化石燃料の燃焼のような人類の活動によって影響される。また何百万年という時間では、大洋や大気システムにおける二酸化炭素量は、地上および海洋での火山活動による供給と珪酸塩岩との化学的な風化作用によって二酸化炭素は炭酸カルシウムに変化し堆積岩として取り込まれる。
  • 1980年代末に、カルフォルニア工科大学のJoe Kirschvinkによれば、全地球氷河化を雪だるまの地球と命名し、火山活動による大気および海洋への二酸化炭素の供給はプレートテクトニクスによって継続することを示した。しかしもし地球が冷却化し、大陸に液体の水がなくなると風化作用は止まり、二酸化炭素が非常に高濃度になる。その結果、二酸化炭素が引き起こす温暖化が氷アルベド値の効果を打ち消し、氷河期は終了することになる。
    • 太陽の光度は6~7億年前は、太陽の周回軌道によって現在より6%程度小さかったので、雪だるまの地球のアルベド値に対抗するためには二酸化炭素の量は0.12バール (現在の約350倍)が必要であったとペンシルバニア州立大の Ken Cladeira等は推定した。
    • 火山による二酸化炭素の放出が現在程度とすると、ネオ更新世の雪だるま地球では、赤道付近の海洋の氷が溶けるのには数百万年から数千万年かかる。雪だるま地球は考えられる最も厳しい氷河作用であるばかりか、それはまた非常に長期間続くと思われたのである。
    • 注: プレートテクトニクス:
      地球の地殻 (岩石圏) のダイナミックス理論。地殻は約12枚の大きなプレートから成り、それらは相互に移動し、その境界で分裂、集合、滑ったりしている。

>Top 3. Sea Ice at the Equator:

  • Joe Kirschvink had found the escape route from a "snowball" Earth, but was it a route ever taken? Kirschvink pointed to the results from paleomagnetism, a technique that Harland had employed in attempting to estimate the latitudes of Neoproterozoic glaciation.
    • >Top The latitude at which certain rocks formed can be estimated from the inclination, corrected for subsequent disturbances, of their natural remnant magnetization (NRM), which varies systematically from vertical at the magnetic poles to horizontal at the magnetic equator. Today, the magnetic and geographic poles do not coincide, nor have they at most times in the past. However, the poles do coincide when averaged for the secular "drift" of the magnetic poles on a time scale of 10,000 years.
    • In practice, a large number of rock samples closely separated in age must be measured from each location, in order to eliminate statistically the effects of short-term secular variation of the magnetic field. Harland and coworkers found shallow inclinations for Neoproterozoic glacial deposits at a number of sites, which seemed to confirm that glaciation had occurred at low latitudes.
  • >Top In the 1960s, it was generally assumed that NRMs were acquired when rocks formed, so long as they had not subsequently been heated above their Curie temperature (580-680 degrees Celsius). However, it was subsequently learned that many rocks, particularly sedimentary rocks, may be chemically remagnetized at much lower temperatures if subjected to prolonged groundwater percolation. Many of the early paleomagnetic measurements were shown to be from remagnetized samples and the rest were suspect.
    • Kirschvink decided to reexamine favorable sites and carry out various tests designed to select only primary NRMs. He reasoned that South Australian Neoproterozoic glacial deposits giving shallow inclinations had the least chance of being remagnetized because South Australia was never at low latitude in the last 400 million years. Furthermore, George Williams at the University of Adelaide had proved that the glacial deposits in South Australia formed close to sea level because of their intimate association with sediments of tidal origin.
    • Note: "Curie point, or temperature":
      A temperature at which magnetic materials changes magnetic properties. About 570 degress C for magnetite.
  • This was important because glaciers exist in the tropics today, but not below 5000 meters above sea level. Even at the last Pleistocene glacial maximum, equatorial ice lines in the Andes were no lower than 4000 meters above sea level.
    • >Top The tests that Kirschvink carried out, later replicated and extended in other laboratories, were positive and confirmed that the shallow inclinations in South Australia are primary. The paleomagnetic evidence seems irrefutable: Neoproterozoic ice lines reached sea level within a few degrees of the Equator. Recently, Linda Sohl and colleagues at Lamont-Doherty Earth Observatory of Columbia University have documented as many as six polarity reversals in the South Australian glacial deposits. The frequency of polarity reversals of the Earth's magnetic field is such that the glacial deposits must represent a minimum of several 100,000s and more likely millions of years, consistent with the time scale of a "snowball" Earth.

3. 赤道直下の海が氷結:

  • Joe Kirschvink は、雪だるま地球からの脱出ルートを発見した。それは実際の使われたルートなのだろうか。Kirschvink は、古地磁気学からの結果に着目した。それはHarlandが ネオ更新世の氷河の緯度を推定しようと試みた方法である。
    • ある種の岩石がどの緯度で形成されたのかは、自然残存磁化(NRM) (これは極地では垂直で、地磁気の赤道では水平に規則的に変化) の傾きを測ることで推定できる。今日では、地磁気と地理的な極とは一致しないが、過去においてもほとんど一致していない。しかし地磁気の極は1万年の間隔で移動して一致する。
    • 実際には各場所での時代毎の膨大な量の岩石標本を作成し、短期間の地場の変動誤差を統計的に取り除かねばならない。Harland 等によれば、ネオ更新世の氷成堆積物は、この傾きが多くの場所で予想よりも小さく、このことは氷河化が低緯度で起こったことの証拠に見える。
  • 1960年代には、自然残留磁化は岩石が形成され、その後キューリー温度 (580-680度C) を超えることがなかった場合にのみ起こると思われていた。しかしその後多くの岩石、特に堆積岩は、長期間の地下水の浸透によって化学的にずっと低い温度で再磁化することが判明した。古地磁気の測定すると、その多くは初期の磁化であろうが、一部については疑問がある。
    • Kirschvink は、幾つかの場所で再測定し、最初の自然残留磁化だけを選別した。その結果、南豪州が過去4億年間に低緯度に位置したことはなく再磁化される機会もないとすれば、 南豪州のネオ更新世の氷成堆積物は小さな傾きを示すはずと解釈した。またアデレード大学のGeoge Williams は、南豪州の氷成堆積物は潮流による堆積作用と密接に関連しており、海岸近くで形成されたことを示した。
    • 注)キューリー温度:
  • この事実は重要である。それは今日熱帯地域に氷河が存在するのは海抜5000m以上の場合である。更新世最後の氷河期の最盛期でも、赤道にあるアンデスの氷河ラインは海抜4000mより上であった。
    • Kirschvinkno の実験はその後も他の研究所で繰り返され、南豪州での小さな傾きは最初の磁化のものであることが追認された。古地磁気学の証拠は反論できないように見える。即ち、ネオ更新世の氷河ラインは、赤道から数緯度の以内で、海抜に到達している。最近、コロンビア大学のLamont-Doherty地球観測所のLinda Sohl等は、南豪州の氷成堆積物の中に6回の磁性の反転があると報告した。地球の磁場の極性がそれほどの頻度で反転するということは氷成堆積物が、この間の雪だるま地球のタイムスケールに合致し、少なくとも数十万年、あるいは数百万年より前であることを示している。
  • >Top
  • Can the paleomagnetic evidence be explained without recourse to a "snowball" Earth? George Williams, who more than anyone else put the South Australian glacial deposits on the map, had a different but equally imaginative idea. He proposed that the Earth's obliquity - the angle between the spin axis and the axis of the ecliptic plane - was greater than 54 degrees until the end of the Proterozoic eon, when it rapidly changed to relatively low values near today's 23.5 degrees. An obliquity greater than 54 degrees would dramatically alter Proterozoic climate. Williams noted that glaciation would occur preferentially at low latitudes.
    • Mean annual insolation would be higher in the polar regions than in the tropics, due mainly to extremely hot polar summers when the Sun would be perpetually high in the sky. At the Equator, the solstices would be very cold with the Sun bobbing on the polar horizon. Strong surface winds would flow from the winter to the summer hemisphere. But the equinoxes would be hot at the Equator. The Sun would pass daily high overhead, just as it does with low obliquity.
    • At all latitudes, seasonality would be greatly increased and Williams pointed to the presence in South Australia of structures like ice-wedge polygons, produced by seasonal temperature variations in frozen soil. Such structures should not form at the Equator if the Neoprotoerozoic obliquity was low.
    • Note: "Proterozoic eon":
      The younger of the two divisions of Precambiran era; 2500 - 540 my.
  • However, strong seasonality is a double-edged sword because it makes it more difficult for glaciers to develop. Glaciation depends on a net accumulation of winter snow after summer ablation. Strong seasonality increases summer ablation, and also decreases winter snowfall because colder air is drier. Detailed investigations show that summer insolation is the key to the growth and decay of Pleistocene ice sheets.
    • The high-obliquity hypothesis faced an uphbill battle for other reasons as well. To initiate it would seem to require a giant impact on the Earth of a body crossing the ecliptic plane at a high angle. Thi s is incompatible with the orbit of the Moon, unless the widely accepted theory of its origin through a giant impact is abandoned.
  • >Top Iron is the paleomagnetists' favorite element, and iron gave Joe Kirschvink another reason to favor the "snowball" Earth. Several examples of Neoproterozoic glacial deposition in marine waters are unusually rich in iron oxides and sulfides. In fact, they were the object of international iron-ore exploration after World War II, and belong to a class of sedimentary ore deposits called banded iron-formation or BIF, which is otherwise restricted to a much earlier time in Earth history.
    • >Top Modern seawater contains less than one part per billion of iron because iron in its oxidized form (Fe3+) is quite insoluble. However, in its reduced form (Fe2+), iron is relatively soluble.
    • Most BIF occurs in rocks older than 1850 million years and is believed to have formed at a time when the atmosphere had little free oxygen, and seawater in the deep ocean contained abundant iron. This iron precipitated in upwelling zones when it encountered more oxidizing surface waters. The transitory return of BIF, invariably associated with glacial deposits, after a hiatus of over a billion years is remarkable.
    • Kirschvink reasoned that during the millions of years of ice-covered oceans, the amount of gas exchange between the ocean and atmosphere would be reduced, and the deep ocean would quickly become anoxic, allowing reduced iron to build up to high concentrations. Once the glaciation ended, the ocean would quickly become oxidized, and the iron would precipitate out in close association with the deposits of sediment-laden icebergs. The high-obliquity hypothesis provides no explanation for the association of glacial deposits in BIF.
    • carbon_cycle
  • 古地磁気学の証拠は雪だるま地球に依らなくても説明可能だろうか。George Williams は、南豪州の氷成堆積物の地図を作成し、さらに別の奇抜なアイデアを示した。彼によれば、地球の傾き (回転軸と黄道面の軸との角度) は原生界の終わりまでは54度以上もあったが、その後現在の23.5度にまで急激に小さくなったとして、氷河化は低緯度地域で優先的に起こったという。
    • 平均年間日射量は極地方の方が熱帯より大きくなる。それは極地方の夏は、太陽が真上にあり沈まないからである。赤道では、夏至や冬至には太陽は地平線近くをさまようので非常に寒くなる。地表では強風が冬から夏の半球に流れる。但し春分や秋分には赤道地帯も暑くなる。太陽は低緯度地方と同じように日中は高く登る。
    • すべての緯度で、季節変化は非常に大きくなり、南豪州ではくさび状の氷の多角形が凍土の中で季節の温度変化によって作られたと彼は指摘した。 これらの構造は赤道地帯ではネオ更新世の地軸の傾きが小さければ形成されなかった。
    • 注)原生界:
  • しかし強烈な季節変化は両刃の剣であって、氷河の発達は一層困難になる。氷河化は夏季の融解とその後の冬季の積雪の差に依存する。強烈な季節変化は夏季の融解を増加させ、また冬季も寒すぎるゆえにより乾燥し積雪も減少する。詳しい調査結果は、夏季の日射が更新世の氷床にとっての盛衰の鍵であることを示している。
    • 地軸の傾きが大きいという仮説は、他の理由と同様に苦戦を強いられる。大きな傾きとなるには黄道面を大きな角度で横切るような巨大衝突が地球に対して起きる必要がある。これは、巨大衝突という月の誕生の確立した理論を捨てない限り、月の周回と整合性がとれない。
  • 古地磁気学者にとって、鉄は得意の元素である。鉄はJoe Kirschevinkに対して雪だるま地球を支持するもう一つの根拠を与えた。ネオ更新世における海成の氷成堆積物の幾つかの事例では、通常、鉄の酸化物と硫化物が豊富にある。事実、それらは第二次大戦以降、国際的な鉄鉱山開発の対象であり、縞状鉄鉱鉱床 (BIF) と呼ばれ、地球の歴史の初期に属する堆積鉱床から産出する。
    • 現在の海洋には鉄は、1ppbは以下しか含まれない。これは第二鉄イオン (Fe3+) の溶解度が極めて低いからである。しかしその還元型である第一鉄イオン (Fe2+) の溶解度は比較的高い。
    • 縞状鉄鉱鉱床の多くは18.5億年前より古い地層に産出するのは、大気中に自由酸素がほとんどなかった時代に形成され、深海の海洋水には豊富な鉄分が含まれていたからと想定されている。この鉄分は地層の隆起に伴い、より酸化性の地表水と遭遇することで沈殿した。縞状鉱鉱床が、10億年の間隔で常に氷成堆積物と接触することによっって縞状が形成されたのは驚くべきことである。
    • Kirschvinkによれば、大洋が何百万年も氷に閉ざされている間に、海と大気の間でガス交換による還元によって深海は急速に無酸素状態となり、そうして還元された鉄分の高濃縮が起こった。氷河期が終わるや否や大洋はすぐに酸化され、堆積物を含む氷山の堆積と共に、鉄分が沈殿した。大きな地軸の傾きという仮説では、このような縞状鉄鉱鉱床における氷成堆積物との関連をうまく説明できない。

>Top 4. The Acid Test:

  • Joe Kirschvink was unaware of two emerging lines of evidence that would strongly support his "snowball" Earth hypothesis. Ironically, both were first highlighted by the intrepid George Williams.
    • All across Australia, Williams reported, from the Kimberleys to the Flinders, Neoproterozoic glacial intervals are blanketed by peculiar "cap" dolomite (equimolar calcium-magnesium carbonate). The transition from glacial deposits to "cap" dolostone is abrupt and lacks evidence of significant hiatus. Williams argued that the "cap" dolostones are primary, or nearly so, and imply high surface temperatures based on laboratory experiments and modern occurrences. He concluded that Neoproterozoic glacial epochs closed with "abrupt climatic warmings".
    • It was soon apparent that Neoproterozoic "cap" dolostones are a world-wide phenomenon, particularly striking in regions where carbonate rocks are otherwise absent. The "paradoxical" association of glacial and warm-water deposits was widely acknowledged.
  • To appreciate the special significance of "cap" dolostones, recall the transient conditions unique to the end of a "snowball" Earth. An ultra-high carbon dioxide atmosphere is needed to raise temperatures to the melting point at the Equator. Once melting begins, the ice-albedo feedback is reversed and combines with the extreme greenhouse atmosphere to drive surface temperatures upward. The warming proceeds rapidly because the change in albedo begins in the tropics, where insolation and surface area are maximal. With the resumption of evaporation, the addition of water vapor to the atmosphere adds powerfully to the greenhouse effect.
    • Calculations by Raymond Pierrehumbert at the University of Chicago suggests that tropical sea-surface temperatures would reach almost 50 degrees Celsius in the aftermath of a "snowball" Earth, driving an intense hydrologic cycle. Sea ice hundreds of meters thick globally would disappear within a few 100s of years. Intense chemical weathering of silicate rocks and dissolution of carbonate rocks would result from the strong hydrologic cycle, the low pH of carbonic acid rain, and the large surface area of frost-shattered rock and rock "flour" produced by the grinding action of glaciers.
    • The products of chemical weathering reactions, cations and bicarbonate, would be delivered by rivers to the ocean, where they would neutralize the acidity of the surface waters and drive massive precipitation of inorganic carbonate sediment in the rapidly warming surface ocean. Typically, "cap" dolostones pass upward into much thicker, deeper-water clays or limestones, perhaps reflecting a rise in sea level as continental ice sheets melt, and suggesting that the cap carbonates precipitated extremely rapidly, perhaps in only a few hundred years.
    • This idea is supported by textures in the dolostones and limestones such as gas-escape tubes and crystal fans consistent with precipitation from seawater highly supersaturated in calcium carbonate. "Cap" dolostones are no paradox; they are the expected consequence of the "ultra-greenhouse" conditions unique to the transient aftermath of a "snowball" Earth.
  • >Top The "cap" carbonates contain additional evidence supporting the Snowball Earth hypothesis found in an unusual pattern of variation in the ratio of two naturally occuring, stable (i.e., non-radioactive) isotopes of carbon (carbon-13 and carbon-12). The carbon supplied to the ocean and atmosphere comes from outgassing of carbon dioxide by volcanoes, and contains about 1% carbon-13 and 99% carbon-12.
    • If the removal of carbon from the ocean were accomplished only by burial of calcium carbonate, then the calcium carbonate must have the same fraction of carbon-13 as what comes out of volcanoes (simply because of conservation of mass). However, carbon is also removed from the ocean in the form of organic matter, the soft tissues of algae and bacteria growing in seawater.
    • Most organic carbon is depleted in carbon-13 relative to calcium carbonate by approximately 2.5%. Today (and over most of the last 500 million years), approximately 20% of the carbon entering the ocean is removed as organic matter, which requires that modern calcium carbonate is enriched in carbon-13 by approximately 0.5% relative to the volcanic source.
  • The Neoproterozoic carbon isotopic record is very different, not only because the amounts of carbon-13 are generally much higher than modern sediments, but also because the rocks immediately surrounding the glacial deposits show huge excursions towards much lower levels of carbon-13.
    • These patterns are observed world-wide, but the most complete records come from northern Namibia. In Neoproterozoic times, this region of southwest Africa was part of a vast, gently subsiding, continental shelf, located in low southern latitudes and subject to nearly unbroken carbonate sedimentation. After hundreds of millions of years of burial, the carbonate rocks are now exposed high on the escarpment along the Skeleton Coast. Carbon isotopic records are well preserved in these carbonate rocks (limestone and dolostone)
    • Extensive work by the first author, along with Jay Kaufman at University of Maryland and Galen Halverson at Harvard University, have demonstrated that the patterns of isotopic variation are consistent over many hundreds of kilometers of exposure, and accurately record variability in the Neoproterozoic carbon cycle.

4. 厳密な検証:

  • Joe Kirschvink は2つの線での証拠が強く、雪だるま地球説を支持していることは認識していなかった。皮肉なことに、そのいずれもが大胆なGeorge Williamsによって初めて指摘された。
    • Kimberley地域からFlinders山脈に至る豪州大陸を横断したWilliamsの報告によれば、ネオ更新世の間氷期の間はドロマイト (CaとMgの炭酸塩)のキャップによって特徴づけられている。氷成堆積物がドロマイト・キャップに変化は急であり、時間的空白が生じている。彼の説明では、ドロマイト・キャップは当初かそれに近い頃から存在し、実験の結果と現在の産出状況によれば地表面の温度は高温であったことを示している。彼はネオ更新世の氷河期は、「急激な気候の温暖化」で終了したと結論づけた。
    • 後でまもなくドロマイト・キャップは世界的にも、炭酸塩岩石が他に存在しない場所では、特に特徴的な現象であることが判明した。氷河と暖かい水による堆積物というパラドックスな関係は広く認知されたである。
  • ドロマイト・キャップの重要性を理解するために、雪だるま地球が特徴的な終わり方をすることを想起する必要がある。赤道では融解点にまで温度上昇するために大気中の二酸化炭素の異常な高濃度が必要であった。一旦、融解が始まると、氷アルベド値は逆のフィードバックが開始し、極端な温室効果と相まって地表温度を上昇させる。熱帯地方では日照と陸地面積ゆえにアルベルト値が変化し、温度上昇は急に促進する。水の蒸発が再び始まり、水蒸気の追加によって温室効果はさらに高められる。
    • シカゴ大学のRaymond Pierrehumbert の計算によれば、雪だるま地球の後の海面温度は50度Cにも達し、強烈な水天循環が起こるという。数百mもの厚さの世界中の氷河は2~3百年の内に消滅したことだろう。強烈な水の循環によって珪酸塩岩石の風化と炭酸塩岩石の分解が生じ、pH値の低い炭酸塩の雨、あるいは氷河の摩擦によって広範囲に亘って破砕された岩石や粉状の岩石が生成される。
    • 化学的な風化反応によって陽イオンや炭酸水素塩が生成されて、川から海洋に流れ込んで水面付近の酸性を中和し、また無機の炭酸塩の沈殿が急に暖かくなった浅い海で大規模に進行する。陸地の氷床が溶けて海水面が上昇し、典型的にはドロマイト・キャップが上方へ成長し、深海の粘土や石灰岩層を厚く積み上げる。また炭酸塩のキャップは非常に短期間の内に、おそらく2~3百年で堆積したことを示唆している。
    • この考えはドロマイトや石灰岩のテクスチャーと整合する。それらにはつまりガスの抜けたチューブや扇状の結晶があり、これはカルシウム炭酸塩の過飽和状態にある海中で沈殿したことを示している。従ってドロマイト・キャップはパラドックスではない。それは、雪だるま地球の後の「超温室効果」へと変化したことから当然予測される結果だからである。
  • 炭酸塩岩のキャップは雪だるま地球の仮説をさらに裏付ける。天然の存在する炭素の同位体は、 核分裂性しない安定的な C12とC13がある。火山から噴出する二酸化炭素から海や大気中に供給される炭素にはC13は1%C12は99%である。
    • 海中の炭素が炭酸カルシウムの沈殿だけによって取り除かれるとすると、その炭酸カルシウムのC13の比率は火山起源のものと同じはずである。しかし、海中の炭素は、有機物の形で藻やバクテリアの軟体構造が海中で成長することで取り除かれることになる。
    • ほとんどの有機物起源の炭素はC13の比率が、炭酸カルシウムに比べを約2.5%少なくなっている。過去5億年間を通じて、現在の海中の炭素は有機物によって約20%取り除かれてきた。その結果、現在の炭酸カルシウムは、火山性のものに比べてC13が約0.5%濃縮されている。
  • ネオ更新世の炭素同位体の記録は、非常に異なっており、C13の量が現在の一般的な堆積物より高いだけでなく、氷河堆積物にすぐに囲まれたことでC13比率は非常に低くなっている。
    • この傾向は世界中で観察され、特に北ナミビアで顕著である。ネオ更新世の時期にこの南西アフリカの地域は南の低緯度に位置し炭酸塩岩の堆積物が破壊されずにいる巨大に大陸棚に属する。何億年もの堆積によって炭酸塩岩はSkeleton海岸にそって高い断崖を作っている。ここの炭酸塩岩 (石灰岩とドロマイト)には炭素の同位体がよく保存されている。
    • 著者はMaryland大学のJay KaufmanとHarvard大学のGalen Halversonと一緒に同位体の変化が数百mの露頭で一定しておりネオ更新世の変化を正確に繁栄していることを示した。
  • >Top
  • The carbonate rocks beneath the glacial deposits are enriched in carbon-13 by as much as 1.5% relative to volcanoes, much more than modern carbonate sediments. This enrichment extends over many 100s of meters of section, interpreted as representing at least 10 million years. This implies that burial of organic carbon in the Neoproterozoic accounted for nearly half the total carbon removed from the ocean.
    • But just before the glacial deposits, the amount of carbon-13 plummets to levels equivalent to the volcanic source. This drop persists through the cap carbonates atop the glacial deposits, and then slowly rebounds to higher levels of carbon-13 several hundred meters above.
    • >Top Such a rapid excursion in the carbon-13 content of calcium carbonate is seen at other intervals in the geologic record, but none are nearly as large. It can only be explained by an abrupt drop in the fraction of carbon leaving the ocean as organic matter, persisting for long enough to change the composition of the entire reservoir of dissolved inorganic carbon (DIC) in seawater.
    • Even mass extinction events, like the 65-million-year-old meteorite impact event at the Cretaceous-Tertiary boundary, caused only short-term collapses in biological activity in the surface ocean. The amount of carbon-13 in sediments dropped, but not nearly as much as in Neoproterozoic excursions because the time scale fell far short of the time required to alter the total ocean DIC reservoir (100,000s of years).
  • The drop in carbon-13 content just before the glaciations can be explained as a drop in biological productivity as ice formed over the oceans at high latitudes, and the Earth teetered on the edge of a runaway ice-albedo feedback.
    • Once ice covered the oceans entirely, biological productivity would have essentially ceased, although no record of this time interval exists as calcium carbonate would not have precipitated from seawater in an ice-covered state. After a long hiatus represented by the glacial deposits, the isotopic record begins again at the base of the "cap" dolostone.
  • >Top What implications would a series of global "freeze-fry" episodes have for the evolution of life? In the 1960's, Martin Rudwick, working with Harland, proposed that the climatic recovery following a huge Neoproterozoic glaciation paved the way for the explosive radiation of metazoan (multicellular) animal life that followed soon thereafter.
    • To begin to assess this claim, we must examine what life forms existed at the time and what were their chances of survival? The bacteria and archaea associated with hydrothermal vents in the deep sea were once viewed as likely survivors. Volcanic activity at mid-ocean ridges, hot spots and island arcs would continue unabated in a "snowball" Earth.
    • Temperature gradients that support the organic activity would also continue, although chemical gradients that are exploited metabolically, such as redox (reduction-oxidation) and pH (acid-base) gradients, might be weakened. Prospects seem even rosier for "psychrophilic" (cold-loving) organisms of the kind living today in the intensely cold and dry mountain valleys of East Antarctica. Under conditions not too different from those on a "snowball" Earth, various prokaryotic organisms, including cyanobacteria, and certain eukaryotic algae, occupy habitats including snow, porous rock, and the surfaces of dust particles encased in floating ice.
    • Eukaryote survival is a necessity because rocks older than the Neoproterozoic glacial deposits contain microfossils that are closely homologous in form to a variety of eukaryotic algae living today.
  • 氷河堆積物の下の炭酸塩岩はC13が、火山性の現在の炭酸塩の堆積岩より1.5%濃縮している。この濃縮は数百mの厚さ、即ち1000万年以上にわたって続いている。このことはネオ更新世では有機炭素の堆積によって海から除去する炭素量は、ほぼ半分しかないことを意味する。
    • しかし氷河堆積物の前にはC13の量は火山性のものと同じレベルに急落する。この降下は、氷河堆積物の上にある炭酸塩岩キャップの間続き、数百m上層部ではC13は徐々に元の高いレベルに戻る。
    • このように炭酸カルシウム中のC13の濃縮度の変化は、他の地域の地質記録でも見られる。それは海中で有機物として堆積する炭素の分量が溶存無機炭素 (DIC) の全蓄積量を変化させる。
    • 白亜紀と三畳紀の境界で起きた6,500万年前の隕石落下による大量絶命のような場合であっても海水面での生物活動には短期の崩壊を生じたに過ぎなかった。その時も堆積物中のC-13濃縮度は下がったが、ネオ更新世の時ほどではなかったのは、期間的にも海中のDICを変化させるにはあまりにも短期間であったからと言える。
  • 氷河の直前でのC13量の減少は、氷河が高緯度の海上で形成されたことで生物活動が減少したと説明できる、
    • これは地球が氷アルベド・フィードバックの限界ぎりぎりであった。一旦、氷が海を完全に覆うと、生物の活動は実質的に停止することになる。この時期の記録によれば、炭酸カルシウムは氷結した海からは沈殿しなかったが、氷河堆積物によって長い中断の後で、ドロマイト・キャップの基盤で同位体の記録が再開する。
  • 全地球の凍結・灼熱の物語は、生命の進化にとってどのような意味があるのだろうか。1960年代にMartin Rudwickは、ネオ更新世の氷河期に続く気候の回復は、後生動物 (多細胞動物) がその後、爆発的に広がる道を切り開いた。
    • この主張を評価するためには、まずどのような生命が当時存在していてどの程度の生存の可能性だったのかを調べる必要がある。深海の熱水孔に関連したバクテリアや始原細菌は以前は生存者と見られていた。大洋中央嶺での火山活動、ホットスポット、弧状島嶼などは雪だるま地球では生命活動は衰えなかった。
    • 酸化還元やpHのような化学的勾配は弱まったが、温度勾配が生命活動を支えた。好冷性の有機物は今日では南極東部の非常に寒冷で乾燥した谷間に生息している事実もある。雪だるま地球では、シアノバクテリアなどの原核生物や藻類など一部の真核生物は、雪と共に多孔質の岩石や浮遊する氷に付着した泥に生息していた。
    • 真核生物が生存していたことはネオ更新世の氷河堆積物よりも古い岩石中に、今日生息している真核生物の藻類と非常に近い系統の微化石を含まれているからである。
  • >Top
  • Near-surface hot springs are promising refuges for photosynthetic eukaryotes.
    • Hot springs close to sea level such as those in Iceland, Hawaii and New Zealand would be viable, although elevated hot springs like Yellowstone would soon run dry. Individual hot springs seldom last beyond 1000s of years, so organisms must be capable of surviving transport by winds between hot springs within a particular volcanic field, or be transported in seawater beneath the ice from one volcanic opening to another. The fields themselves are active over millions of years, but are very sparsely distributed on the surface of the Earth.
    • This is not to underestimate the carnage, of which the carbon isotopic record bears witness. The relative poverty of the contemporaneous fossil record makes it difficult to compare Neoproterozoic and later mass extinctions.
    • Some measure of the extent of eukaryotic extinctions may be evident in universal "trees" of life, based on molecular sequencing of living organisms. Most such "trees" depict eukaryotic phylogeny as a delayed radiation crowning a long unbranched stem.
    • Chances are that the eukarya-archaea divergence occurred more than 2000 million years ago, so the under-expression of deep eukaryotic branching in modern organisms could mean that most early eukaryotic lineages were "pruned" 600-700 million years ago. All extant eukaryotes would stem from the survivors of the Neoproterozoic calamity.
  • The body plans of nearly all living animals appeared in a very short interval between 600 and 525 million years ago, and have remained essentially unchanged ever since. This has long been considered a sticking point for evolutionary biology. Beginning with Lyell and Darwin, attempts have been made to recast the evidence as drastic Neoproterozoic record failure, but there is no evident jump in the quantity or quality of the stratigraphic record to support this view.
    • More recently, it was proposed that animals originated earlier as tiny free-floating organisms that left no fossil record. This would be consistent with evidence from molecular "clocks" that place divergence times for various pairs of metazoan phyla well before 600 million years ago.
    • However, the divergence times are estimated using gene substitution rates extrapolated from younger times. Are the extrapolated substitution rates appropriate for gauging the tempo of early animal evolution under Neoproterozoic conditions? A series of global "freeze-fry" events would cause population "bottlenecks and flushes", observed to accelerate evolutionary rates in some species. This is a favorable scenario for genomic reorganization and the evolution of new body plans.
  • 地表近くの温泉は光合成をする真核生物によっての避難場である。
    • アイルランド、ハワイ、ニュージーランドのように海面に近い温泉ではこのようなことが可能だが、イエローストーンのような高地の温泉はすぐ乾燥する。個々の温泉は数千年以上は続かないので、生物は別の火山地帯の温泉へか、あるいは火山で空けられた氷りの下の海に運ばれて生存しなければならない。生命の場所は、何百万年も活発に続くが、これらの有機物の群落は地表面には稀にしか分散していない。
    • これは炭素同位体の記録が示すような大量絶滅を過小評価するものではない。同時代の化石の記録が比較的乏しいので、ネオ更新世とその後の大量絶滅とを比較することは困難である。
    • 真核生物の絶滅の広がりは、生命有機物の分子的な連続性に基づく生命系統樹で明らかである。多くの系統樹は、真核生物が、系統発生が起こったこと、つまり長期間の枝分かれしない幹から突如遅れて分化したのである。
    • 始生代の真核生物の拡散が20億年前に起こった可能性があり、現代の生物において真核生物が枝分かれしたことは過小評価しているということは、初期の真核生物の系統は6~7億年前に余分な種を刈り込んだ。すべての絶滅した真核動物はネオ更新世の災害の生き残りのそのルーツがあることにある。
  • すべての生物の体型の設計は6~5.25億年前の非常に短い期間が行われ、それ以降基本的には変化していない。これは長い間の謎と見られてきた。ライエルやダーウィン以来、劇的なネオ更新世の時の記録欠如などの証拠の洗い出しが行われてきたが、この見解を支持する地層学的な記録において質的にも量的にも明らかなジャンプは見られない。
    • 最近では、動物は微小の浮遊有機物として発生したので化石を残さなかったとされている。このことは後生動物門の各種にとって6億年前は種の拡散の時期であったとする分子時計の証拠とも合致する。
    • しかし分岐する時間は、遺伝子の置換率の若い時からの外挿で推定できる。その外挿による置換率は、ネオ更新世の条件下での初期の動物の進化に当てはまるのだろうか。全地球凍結事件が、一部の種で進化の比率を高めたように、個体数のボトルネックとその後の爆発的増加を引き起こしたかも知れない。これは遺伝子の再配置と新種が誕生する進化にとって望ましいシナリオである。

>Top 5. Snowball Episodes and Earth Hisotry

  • We have shown how the great glacial deposits in Neoproterozoic rocks world-wide and the strata adjacent to them point to an extraordinary type of climatic event, a "snowball" Earth followed by a briefer but equally noxious ultra-warm "greenhouse" world. There is clear evidence that this sequence happened more than once, perhaps as many as four times between 750 and 580 million years ago.
    • But what caused these calamities in the first place, and why has the biological world been spared such events in more recent geological history? One factor was clearly that the Neoproterozoic sun was weaker by approximately 6%, making the Earth more susceptible to glaciation. The slow warming of our sun since that time might explain why no "snowball" event has occurred since the Neoproterozoic, but the geological evidence is compelling that such glaciations did not occur for at least one billion years prior to the Neoproterozoic when the sun was even cooler. Recent findings by Kirschvink and his former student, David Evans, suggest that global glaciations may have occurred around 2.3 billion years ago, but not in the intervening period.
  • A potential explanation for the rare occurrence of "snowball" events in Earth history is an unusual continental configuration. Paleomagnetic evidence suggests that there were few if any continents at high latitudes 600-700 million years ago. When most continents are close to the Equator, the Earth is deprived of a mechanism that keeps the amount of carbon dioxide in the atmosphere above a critical level.
    • If carbon dioxide in the atmosphere were to slowly drop over millions of years due to a slow reduction in volcanic activity, global temperatures would drop and glaciers would cover the high-latitude continents, just as ice sheets cover Antarctica and Greenland today. The ice sheets prevent chemical weathering, the process that converts carbon dioxide to carbonate. This stabilizes the levels of carbon dioxide in the atmosphere.
    • But if all the continents were in the tropics, such a "safety switch" would not work, as the continents would remain ice-free even as the Earth grew colder, approaching the critical threshold for a snowball.
    • Such a theory is speculative, although some unusual behavior of the carbon cycle is implicated by the unusually high amount of carbon-13 in sediments of Neoproterozoic time.
  • Could the Earth become a "snowball" in future? For the last million years, the Earth has been in its coldest state since the Neoproterozoic. We are now living in a relatively warm episode, some 80,000 years from the next glacial maximum, but some evidence suggests that each successive glaciation over the last several cycles has been getting stronger and stronger.
    • During the most recent glacial event, 20,000 years ago, the deep ocean cooled to near its freezing point, and sea ice reached latitudes as low as 40 to 45 degrees north and south, still far from the critical threshold needed to plunge the Earth into a snowball state.
    • >Top But could such a state be in our future? Certainly over time scales of hundreds to thousands of years, we are more concerned with anthropogenic effects on climate, as the Earth heats up in response to emissions of carbon dioxide.
    • But only time will tell where the Earth's climate will drift over millions of years. If the trend of the last million years of Earth history is continued and if the polar continental "safety switch" were to fail, we may once again experience a global ice catastrophe which would inevitably jolt life in some new direction.

5. 雪だるまのエピソードと地球の歴史:

  • 世界中のメタ更新世の岩石にどのように巨大な氷河堆積物が存在し、それに隣接する地層は異常機構を表していること、つまり雪だるま地球は短期間であり、その後は有害なほど灼熱の温室効果の世界があったことを示してきた。この地層の連続が一度ならず何度も起こっており、7.5億から5.8億年前の間に4回は発生している明らかな証拠がある。
    • しかし何がこの不幸の始まりだったのだろうか、そしてなぜ生物界は最近の地質時代まで生き延びてこれたのだろうか。一つの要素はネオ更新世の太陽は6%程弱かったので、地球は氷河期になりやすかった。それ以降は太陽が徐々に暑くなり、雪だるま地球の事件はネオ更新世以降は発生していない。しかし地質学の証拠によれば、太陽が今より弱かったとしても、このような氷河作用は少なくともネオ更新世の前の10億年間は起きなかったことがわかる。Kirschvinkや彼の前の学生だったDavid Evansの発見によれば、地球規模の氷河作用は23億年前に起きたかもしれないが、その間には起きていない。
  • 雪だるま地球という初期の地球の歴史における希有な事件は、大陸の異常な配置のせいだったと説明できるかもしれない。古磁気学の証拠によれば、6-7億年前には高緯度地方には大陸はなかったという。ほとんどの大陸は赤道近辺にあり、地球は大気中の二酸化炭素を限界レベル以上に保つメカニズムがなかった。
    • もし火山活動が減少することで、何百万年以上に亘って大気中の二酸化炭素が徐々に低くなると、世界の気候は寒冷化し、高緯度地方は今日の南極やグリーンランドのようなや氷河に覆われる。氷河の地層によって、二酸化炭素を炭酸塩に変える風化作用がなくなる。このことが大気中の二酸化炭素のレベルを安定させている。
    • しかしすべての大陸が熱帯にあると、この安全装置が働かなくなり、地球が寒冷化しても、大陸には氷河がなくなり、雪だるま地球への限界に近づいていく。
    • この理論はまだ推測だが、ネオ更新世の堆積岩中のC13量が異常に高いことから、炭素サイクルの異常なふるまいが見られる。
  • 地球は将来、雪だるまの地球になるのだろうか。過去数百万年の間は、地球はネオ更新世以来、寒冷期であった。我々は現在、やや温暖な時期にいる。約8万年後には次の氷河期のピークを迎えるというが、過去数回の亘る氷河期はますます規模がおおきくなってきている証拠が見つかっている。
    • 直近の氷河期は、2万年前であるが、深海はほぼ氷結近くまでいき、海上の氷は南北の緯度40-45度まで下がってきた。それでも地球が雪だるま状態に突入する限界からはほど遠かった。
    • これから将来はどうなるのか。数百~数千年のタイムスケールでは、我々は気候に対しはむしろ人類が原因で改変する効果に留意すべきであって、この地球は二酸化炭素の発生によって熱せられているからである。
    • 地球の気候は何百万年の後どうなるかは時間だけが知っている。もし過去百万年の傾向が続き、極地方の大陸の安全装置が崩壊すると、我々は再び地球規模の氷による天変地異を経験することになり、それは必然的に生命にとって新たな方向に向かうほどの衝撃を与える。
  • The SF movie of "The day after tomorrow" released in June 2004 represents a world of such Snowball Earth.
  • 2004年6月封切の"The day after tomorrow"のSF映画はこの雪だるま地球を描いている。

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