夏天看點清涼的，你知道七億年前的地球是個雪球嗎？

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溯鷹

構造地質學博士，科學松鼠會成員，中國科普作家協會會員。從天地初開到洪荒辟離，從生物滅絕到板塊漂移......在每個亘古的歲月里，都有值得講述的有趣故事。我是溯鷹，一位回溯地球歷史的旅人，很榮幸成為您的Storyteller。

對浮生須臾的人類來說，地球46億年的浩瀚歷史，無疑是一部充滿震撼的長鏡頭。有太多封存在時光深處的場景，足以衝擊我們最極限的想像力。比如說，你能腦補出整個地球被冰封時的樣子嗎？這不是特效大片也不是魔幻現實，而是可能發生在七億年前的真實場景。

在這段時期，整個地球幾乎被凍成了宇宙「大雪球」。從極地到赤道，地球的表面全部被冰蓋所遮覆。乾燥的空氣磨蝕著蒼涼的陸地，廣袤的大洋被全部凍結，哪怕你站在熱帶，感受到的也是今日南極的溫度；腳跨赤道，看到的也不外乎是一片晶瑩的蒼白。這就是新元古代的「雪球事件」（SEE, The Snowball Earth Event），整個地球46億年的極寒紀元。

「雪球地球」的想像圖

圖片來源：網路

雪球印象

雪球事件發生在距今七億年前。七億年，在歷史的長河中，實在是一個頗為尷尬的節點。對地球誕生的原點來說，它足夠漫長。40億年的光景，早已讓地球演化成一個成熟的行星，它有了板塊構造，有了穩定的大氣，有了遍布海洋的簡單生命，一切看上去早已井然有序；然而，對於站在時空這頭的我們，七億年又顯得足夠遙遠，遙遠到比寒武紀生物大爆發還要早上兩億年。那個時候，不僅恐龍們的中生代是遙遙無期的未來，甚至連三葉蟲和角石也尚未登上地球舞台，只有藍藻等單細胞生物，統治著當時那尚未喧囂的海洋。它們在廣闊的潮坪上安靜地棲息，隨著潮漲潮落，堆疊起樂譜般的紋層。這些層層疊疊的藻類遺迹，是後世唯一可以觀察到的生命印記。

七億年前的雪球地球。

雖然不熱鬧，但元古代的這幅光景，還是擁有一顆宜居帶內的星球該有的生機與活力。然而，全球冰川就這麼突如其來地封禁了一切。先是從兩極開始，冰川逐漸向低緯度進軍，直至把熱帶的暖風與浪花，全部凝固在肅殺的極寒中。儘管無法直接目睹當時的環境巨變，但我們能夠在遙遠的太空中，找到當時地球大致的形貌。歐羅巴（Europa），木星的第二顆衛星，一顆圍繞著巨人旋轉的晶瑩小球。與我們印象中多數坑坑窪窪的灰色星體不同，木衛二有著淡藍而細膩的外衣，那是它冰質的外殼。這顆遙在5億公里開外的異星，神似七億年前我們自己的溫暖家園，曾經的樣子。

雪球地球（上）與木衛二（下），它們身處不同的時間與不同的空間，情景卻是高度相似。

雪球事件一如鬼魅般來去匆匆，在元古代末期留下印記後，便馬上消失在一如既往的溫暖中。在此後數億年的時光里，它再也未曾重現，以至於人們直接用此次事件，來命名地球歷史上這段非同尋常的時期。成冰紀（The Cryogene），三個肅殺的字眼提醒著人們，這生機勃勃的地球上曾有過一段冰雪漫布的紀元，在彼時，冰川遍布四海；在彼時，赤道白雪皚皚。

七億年前的往事拼圖

人們究竟是靠什麼線索，斷言當時的地球是這麼一個宇宙級的「大雪球」呢？靠岩石。滄海桑田、往事不復，只有岩石的殘片，是唯一能夠穿越時空，將塵封的往事保留至今的星球遺迹。

作為岩石王國里的環境指示物，沉積岩——由地表沉積物壓實固結而形成的岩類——是反映當時地表環境的直觀快照。一層層的沉積岩，構成地層；一套套地層，又構成大陸表面直接披覆的「外皮」。所謂大陸，不外乎是藍海中一座座龐大的「移動方舟」，它們會漂移、會裂解、也會在某些時段合眾為一。今天你腳下大地所處的位置，可能與千萬年前大徑相庭。除了位置不一樣，大陸表面的環境也在無時不刻地改變著。這也是為什麼哪怕你在乾旱的內陸，也有機會找到淺海貝殼的原因。

大陸漂移在這顆星球上延續了數十億年，但科學家們卻有一套完善的方式，揭示出大陸上的每一塊沉積岩形成於何時、何地、以及何種環境，並以此來還原大陸漂移和環境變遷的歷史：利用層序律和同位素時鐘，他們能夠確定出地層形成的年代；利用沉積岩中含磁礦晶的排列方位，他們能夠還原出大陸當時所處的緯度。岩石的結構與構造，可以揭露沉積物生成的環境；而地層間的疊置關係，則記錄著環境的演化與變遷。時間、地點、環境，當所有的鋪墊都已到位，剩下的，就是怎麼把遙不相及的殘片，拼合為一個完整的故事了。

雪球事件的野外證據：被冰川攜帶的巨礫，突兀地「砸」入穩定沉積的地層。

在全球的各個大陸上，都或多或少地殘留著元古代地層的遺迹。從蘇格蘭到納米比亞，從澳州腹地到中國三峽，當人們觀察這些屬於7億年前形成的地層時，發現它們基本上都殘留著冰川曾經覆蓋過的痕迹：這些沉積岩有著淺海波浪所形成的、獨特而細膩的紋層，在這些紋層中，截然分布著碩大的冰積巨礫。在外動力地質作用中，除了冰川外，大概沒有什麼外力能夠如此「偶然」地把完全不屬於一個水動力量級、甚至來源也截然不同的沉積物，放置到正常情況下完全「不該出現」的環境里了。這樣的構造，往往出現在高緯度地區。通過古緯度還原，我們卻發現7億年前這些地層根本不是高緯度的極區特產，幾近覆蓋了從極地到赤道的全部地域。這樣，對「岩石古卷」的破譯，最終把兩個看上去風馬牛不相及的辭彙——赤道和冰川——活生生地湊到了一起。

來自五洲四海的更多數據，最終拼合成了一幅明晰而又生動的畫卷：一個遍布著冰雪的白色地球。當故事的塵埃已經落定，科學家的焦點，便放到了背後推手的位面。不要太樂觀，因為接下來所發生的一切，似乎是一個必然註定的死局。

死局

死局是如何形成的？是所有不利因素偏偏在同一時刻出現，聚為合力，抑或是因果相連，形成一個越來越強有力的反饋鏈？很不幸，當時的地球，似乎這兩者都佔了。

先說說合力的使然吧。一切的始作俑者似乎還是大陸漂移。古緯度還原表明，在當時的地球上，各個板塊已經聚合為聯合大陸，處於中低緯度區間。由於大陸的表面是岩石，相較於大洋，對太陽光的反照率（albedo）要強得多，而低緯度偏偏又是地球接受太陽光最多的區域。陸地增加的直接後果，便是單位時間內整個地球系統獲得的太陽能更少了。地表的溫度輸入主要靠陽光。「凈收入」變少，是全球變冷的「第一推力」。

反照率增加的形象表示。隨著中低緯度地區陸地面積的增加，地球反照陽光的量越來越大，使得整個地球系統獲得的太陽能愈發減少。

地表之上，還有個大氣層。溫度的輸入是一回事，但維持又是另一回事。地表溫度的維持主要靠溫室氣體——比如二氧化碳（CO2）等對太陽能的鎖定。大量陸地聚集到低緯度，對大氣CO2的含量是一個極為負面的影響因素。熱帶降雨活躍、大氣潮濕，導致大陸岩石圈風化作用空前活躍。在風化作用中，大氣中的O2、CO2、H2O等成分被消耗，並隨著生成物進入岩石圈，從而退出大氣循環。當大氣中「凈流通」的二氧化碳等溫室氣體減少，溫室效應便隨之減弱。環境的溫度逐步降低，冰川一步步生成並擴大，冰期就在這樣的遞減中，悄然而至了。

到了冰川擴大的時候，事情就變得更加不可挽回了，冰川本身便是上述合力的結果，但更可怕的是，它本身恰恰是全球持續變冷最有效的誘因。回到反照率這個概念上。說到反射太陽光，無論海水也好、岩石也罷，又有誰能跟晶瑩的冰雪相比？另一方面，當水體擴大結冰，蒸發會越來越少，大氣中能夠維持溫度的水蒸氣含量也驟然下降。反照率的激增和蒸發率的驟減，直接將「冷室效應」帶入了一個持續堆棧的死循環。環境學模擬表明，當地球表面有一半被冰覆蓋的時候，全球凍結將成為不可逆轉的趨勢——換句話說，一個冰雪滿布的全球，將會成為這個鏈式反應末端必然出現的結局。

這樣的冰蓋，在當時的地球上十分常見，可以說「司空見慣」。

每一個因素里，似乎都找不到破局的希望。合力和死循環牢牢把持著「雪球」形成的每一方面原因。未來將走向何方呢？還好，我們本身生活在一個毫無懸念的「未來」里。現在的問題是，誰又是當時地球的破冰者呢？不是太陽，也不是撞擊的天體，而是地球自己。不要忘了，地球是一顆有著活躍內動力的熱行星。這終將表現出來的力量，叫做火山作用。

逃離永恆之冬

火山的及時救援，讓地球從全面的凝結中蘇醒過來。

在今人眼裡看來，被稱為極端火山作用（extreme volcanism）的事件，無疑是生物圈的滅絕級大殺器。在顯生宙歷史上，只要把這個障礙搬出來，生物圈幾乎必然要用一次大滅絕來「交卷」。二疊紀末的大滅絕（>90%海洋物種滅絕殆盡），就是5.4億年來最漂亮的「傑作」。然而在此時，這個讓生物圈聞風喪膽的「大殺器」，卻成了把「死局」盤活，把地球從雪球中拯救出來的功臣。當然，就像對付生物圈那樣，對付冰雪的套路其實也沒什麼新鮮的：兩者都不是靠岩漿的溫度來直接「烘烤」，而是靠輸出氣體來間接改變大氣圈的成分。

相比火山活動的「明火」，火山造成的氣體釋放，對氣候造成的「潛移默化」影響更加深遠

圖片來源：Education for Everyone

當時那些被封進岩石圈，從而退出大氣循環的溫室氣體大概不會忘記，地球本身——其實是一個更加龐大的循環系統。鎖進岩石圈？不要緊。岩石還要在板塊構造的循環中被帶回地幔裡頭呢。當岩石的枷鎖融化為流動的岩漿，氣體也就重獲了自由。隨後，只等火山作用適時打開重歸地表的通道，這些溶於岩漿的揮發分（volatile），便會隨著洶湧的熱流一道，回到久違的大氣層了。地表二氧化碳不是被消耗了嗎？從地球內部再放出來一些就是了。

雪球時期，由於大量冰蓋的影響，全球的岩石風化率進入了一個歷史低位，地表溫室氣體的消耗因素幾乎「觸底」。此時，火山作用的凈輸入便顯得尤為突出了。火山持續溢氣，大氣中的溫室氣體越聚越多，當它們的比例重新升高到足以「封存」陽光的熱量，使平均溫度能夠重回冰點之上時，「白地球」便開始融化了。久違的藍海出現，生命的家園復甦。然而始料未及的是，在經歷「冬眠」後，生物圈的反應，遠遠超出了元古代長期以來的「平靜」樣子。一個從雪球中醒來的生物圈，將要給地球帶來多大的變革呢？

極寒終末，世界蘇醒

從埃迪卡拉生物群（Ediacaran biota）的誕生到寒武紀生命大爆發，哪怕今日，人們也很難能徹底說清楚這段時間的地球，究竟孕育著怎樣的瘋狂事件。在經歷雪球事件之後，生物圈獲得了一場幾乎是「迸髮式」的發展。長久以來被單細胞生物所統治的時空，隨著雪球事件的結束而一併瓦解。多細胞的複雜生命，輻射性地擴展到了地球的每一個角落。複雜生物的全方位「爆發」，直接完成了地球歷史宙（Eon）一級的更替。隱生時代結束了，地球進入了它的第四宙級——顯生宙（The Phanerozoic）。生命從此成為地球的「顯學」。

埃迪卡拉生物群是已知最早的多細胞生物化石，存在於6億多到5億多年前，最早於澳大利亞的埃迪卡拉發現，圖片是埃迪卡拉的一種典型化石，屬於一個早已滅絕的門Proarticulata

圖片來源：維基百科

這5.4億年，是人類「自己的故事」，生命見證了一個個優勢類群的崛起，也見證了慘不忍睹的絕滅。高山依然在隆升和剝蝕，海洋也依然在擴張和閉合，但是，神秘的「雪球」再也不曾出現過了。

未來，地球還會出現雪球事件嗎？老實說，不知道。儘管我們無法預測那麼長遠的未來，但不妨讓我們對文明自身的抵禦機制報一份謹慎的樂觀。畢竟這是人類的時代。就算雪球歸來，這顆星球也早已不再是單細胞的世界，而是文明與智慧的家園。自然的變數、未來的文明，在兩者之間，命運的天平到底將傾向何處？在把籌碼押給人類之前，至少我不希望看到，當生態災難的魅影開始出現時，有人指著它說：「瞧，這是我們自己，一手釀成的災難！」

雖然對於地球本身來說，人類也好、雪球也罷，終歸也都不是什麼大問題。

備註

本文所謂的「雪球事件」，特指發生在新元古代，資料詳實程度最完善的一次。科學界有聲音認為，在前寒武紀歷史上曾發生過數次雪球事件，比如太古代時期的休倫大冰河。由於這些事件涉及到太陽系早期更複雜的模型，比如弱日悖論（The Faint-Young-Sun Theory），與後期穩定環境下的災變差異較大，故不在此文的討論範圍內。

作者：溯鷹

編輯：紅色皇后

排版：紅色皇后

來源：科學松鼠會

題圖：pixabay

科學松鼠會，是一家以推動科學傳播行業發展為己任的非營利組織，成立於2008年4月。我們希望像松鼠一樣，幫助公眾剝開科學的堅果，分享科學的美妙

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