Bolygónk története során számos drámai éghajlati változáson ment keresztül. Bár jelenleg a globális felmelegedés jelenségével nézünk szembe, nem mindig volt ez így. Gyakran történtek bolygónk történetében az élet számára majdnem végzetes lehűlések is. Ezen rendkívüli események közül az egyik legtitokzatosabb és leginkább vitatott a Hógolyó-Föld elmélet, amely szerint a bolygó felülete szinte teljes egészében jégbe borult, még az Egyenlítő körüli régiókat is beleértve. Ez a globális tél hosszú évmilliókig tartott, és alapvetően formálta az élet fejlődését.
A Hógolyó-Föld elmélet gyökerei és a tudományos bizonyítékok
Nagy jégkorszakokról már a geológia hőskorában, a XIX. században is tudtak a tudósok. Legalább négy masszív, hosszan elhúzódó, melegebb-hidegebb időszakokkal tarkított eljegesedés nyomait ismerjük 2300, 1200, 900 és 700 millió évvel ezelőttről. Ám a XX. század második feléig rendre elvetették ezeket a teóriákat. Az 1960-as években születtek meg azok az elméletek, amelyek szerint bolygónk visszacsatolási folyamatok révén képes befagyni, majd visszaolvadni, később ezek geológiai nyomait is azonosítani lehetett. A Hógolyó-Föld modern elméletét először Joseph Kirschvink, a Kaliforniai Műszaki Egyetem geológusa publikálta 1989-ben. Ennek helyességét azóta több klímamodell is alátámasztotta, és egyre több terepi bizonyíték erősítette meg Kirschvink hipotézisét.
A kutatók rendkívül nagy mennyiségű, a mozgó jégár által lerakott prekambriumi törmelékes üledéket, úgynevezett tillites rétegsort tártak fel. Ezek a radiometrikus kormeghatározás szerint 716-710 millió éve üllepedtek le. Senkit se tévesszen meg azonban, hogy ezeket a tillites rétegeket Kanada északi, a sarkkörhöz közeli vidékén tárták fel. A rétegsor lerakódása idején, 716 millió éve ugyanis a kanadai ősmasszívum a paleomágneses mérések szerint még Laurencia őskontinens egyenlítői vidékén feküdt. Hasonló korú és a prekambriumi jégár által lerakott rétegeket azóta más kontinenseken, így például Ausztráliában is feltártak, bizonyítva az eljegesedés globális jellegét.
Joseph L. Kirschvink amerikai paleomágnesesség-kutató jól tudta, a kőzetrétegek mágneses polaritásából a keletkezési helyükre is következtetni lehet. A kőzetek mágneses mágnesezettsége kétséget kizáróan egykorú a kőzet keletkezésével. Ezen adatok alapján, melyeket a régmúltból bányásztak ki, egyértelműen bizonyítható, hogy gleccserek lehettek az Egyenlítő közelében. Az etiópiai kőzetrétegek elemzése, amelyek csak egy intenzív jegesedési korszakban alakulhattak ki, szintén alátámasztja ezt. Alattuk mészkőréteget találtak, amely még abból a korból származik, amikor víz borította az ősi szuperkontinenst.
A Sturti-jégkorszak és a Franklin kitörések szerepe
Charlotte Minsky, a Harvard Egyetem éghajlatkutatója és kollégái azt próbálták megfejteni, hogy mi vezethetett a 717-659 millió évvel ezelőtti Stuartian eljegesedéshez, amikor a geológiai bizonyítékok szerint a Föld egyenlítőhöz közeli régióit, köztük az óceánokat is jég borította. Ez a Sturti-glaciális kiteljesedésének idején, 716 millió éve egy képzeletbeli űrhajó kabinjában ülve a „kék bolygó” helyett egy, a szemet bántóan vakító hófehérben ragyogó Földet mutatott volna. A Sturti-jégkorszak geológiai bizonyítékait a Föld több pontján is megtalálták.
Hatalmas vulkánkitörések alapozhatták meg a Föld szinte teljes eljegesedését 700 millió évvel ezelőtt - állítja egy friss kutatás. A Franklin kitörések hatalmas mennyiségű friss szilikátos kőzetet hoztak a felszínre. Egy három évvel ezelőtti hipotézis szerint ezeknek a mállása vezetett a légköri szén-dioxid-megkötéséhez és így a bolygónk éghajlatának alakulását alapvetően vezérlő üvegházhatású gáz szintjének csökkenéséhez. A szén-dioxid (és más üvegházhatású légköri gázok) koncentrációjának csökkenése egy öngerjesztő folyamatot indított be. Ahogy a bolygó hűlt, egyre több jég keletkezett. A nagy kiterjedésű hó és jég megnövelte a Föld albedóját (fényvisszaverő képességét), ami további lehűlést okozott. A jég visszatükrözte a Nap fényét, ami a hőmérséklet csökkenésével járt, és ez tovább fokozta a jegesedést. Az elmélet alátámasztja azokat a modelleket, amelyek szerint, ha a jég eléri a 30. szélességi fokot, akkor az egész bolygót igen rövid idő alatt beborítja.
Az eljegesedés okai és lehetséges kiváltó tényezői
A hógolyóeseményt egy kezdeti lehűlési szakasznak kellett kiváltania, a Földet borító hó és jég pedig megvastagodott. A rejtélyes okokból bekövetkező légköri széndioxid koncentráció csökkenés és oxigén tartalom megnövekedés globális lehűléshez vezetett. Több elmélet is létezik a magyarázatra.
Egyik szerint a tengeri mikroorganizmusok által széndioxidból előállított oxigén egészét addig felemésztették az óceáni vassal végbemenő reakciók. Viszont a vas pótlódásához szükséges friss vulkanikus tevékenység nélkül az oxigén szabadon halmozódhatott fel a légkörben. Ez hatását tekintve még tovább hűthette a Földet, mivel metánt, azaz egy újabb erőteljes üvegházgázt vont ki a légkörből. A metán többek szerint viszonylag bőségesen jelen volt a Föld történetének korai szakaszában, segítve a bolygó melegen tartásában akkor, amikor a Nap még jóval halványabb volt, mint ma. Az addig szabadon burjánzó élet szabályosan megfagyott, ugyanis a felszíni hőmérséklet -50 Celsius fokra csökkent, még az Egyenlítő környékét is jég borította.
Másik elmélet szerint egy ősi szuperkontinens, a Rodinia földarabolódása játszott szerepet. Egy népszerű teória szerint az éppen az Egyenlítőnél időző ősi szuperkontinens, a Rodinia földarabolódott. A lemeztöredékek közé nyomuló víztömegek párolgása miatt több csapadék hullhatott az amúgy rendkívül szikár szárazföldekre, ami viszont nagy mennyiségű szén-dioxidot mosott ki a légkörből. A gáz végül lassú kémiai folyamatok révén karbonátos kőzetekbe épült. Ez karbonátokba záródva lehűléshez vezetett.
Mint mindig, most is felmerül egy szupervulkán kitörése, aminek milliárd tonyányi hamuja hosszú időre elhomályosítja a Napot. Vagy éppen a Nap sugárzása gyengült le időlegesen, kevesebb napenergiát sugározva. Ez azonban önmagában nem tekinthető perdöntőnek.
Az élet túlélése és a Hógolyó-Föld felolvadása
A megfagyott Földön nem volt párolgás, eső, kémiai mállás, így a szén-dioxid megkötése sem mehetett végbe. Ehelyett a vulkánok továbbra is üvegházhatású gázokat bocsátottak ki a légkörbe. M. Budyko, a neves szovjet klímakutató továbbgondolta az elméletet, miszerint a vulkáni tevékenység révén egyre több szén-dioxid halmozódott fel a légkörben, ami fokozatosan erősítette az üvegházhatást. Ehhez óriási mennyiségű, mintegy 350-szeres szén-dioxid-koncentrációra volt szükség ahhoz, hogy a megfagyott Föld az üvegházhatás miatt felolvadjon.
A metsző hidegnek valószínűleg az aktivizálódó vulkánok vetettek véget. A globális eljegesedésnek a Laurencia őskontinensen elkezdődött aktív vulkanizmus vethetett véget a kutatók feltételezése szerint. A több százezer, esetleg egy-két millió évig eltartó intenzív vulkáni tevékenység e hipotézis szerint annyi szén-dioxidot juttatott a légkörbe, hogy az üvegházhatás miatt elindult az atmoszféra drasztikus felmelegedése, ami végül elolvasztotta a jeget.
Földrengések és vulkánok 🌋| Élő bolygó: A Föld | Da Vinci TV Magyarország
Az élet ekkor még csak az ősi világóceánban létezett primitív egysejtű létformák képében. A túlélő mikroorganizmusok egyes még aktív hőforrások közelében vészelhették át az időszakot. A kutatók azt feltételezik, hogy a hógolyó-Föld egyenlítői vidékén olyan kisebb jégmentes vízfelületek maradhattak fenn, amelyek elősegítették e létformák túlélését.
Egy újonnan, a Nature Communications folyóiratban közzétett kutatási eredmény szerint volt jégmentes régió, és nemcsak az Egyenlítő vidékén, ahogy azt már korábban sejtették, hanem attól északra, nagyjából a Rák-térítő szélességén is. A kutatócsoport olyan, a mai Dél-Kína területén talált kőzetet vizsgált, ami ebből a korszakból maradt fenn, és rengeteg nagy méretű moszat (szabad szemmel látható, centis nagyságot is elérő) kövülete van benne. E kőzetréteg az eljegesedés üledékes kőzetei közé ékelődött be, ez pedig arra utal, hogy legalább egy ideig lehetett nyílt, jégmentes vízfelület. Attól függően, hogy az óceánban fennállt-e kapcsolat a légkörrel, más és más izotópok dúsulnak fel az ekkor keletkezett kőzetekben. Ezen izotópok pontos mérései vezették el a szakembereket a következtetéshez, miszerint nyílt vízfelület biztosította a kőzetben talált moszatok fotoszintézisét. Eszerint vagy jóval szélesebb lehetett az a jégmentes övezet, amely az Egyenlítő körül fennállt, vagy valamilyen okból a térítő vidékén is kialakult egy jelentősebb méretű jégmentes régió, ahol az élet menedéket talált.
Az éghajlati rendszer dinamikája a Hógolyó-Föld idején
Még történetének egyik legszélsőségesebb jégkorszaka idején sem állt le teljesen a Föld éghajlati rendszere - derül ki egy friss kutatásból. A szakemberek szerint a „hógolyó-Föld” időszakában, amikor a jégtakaró egészen a trópusokig ért, és bolygónk az űrből nézve egy hatalmas hógolyóra hasonlított, a klíma akkor is mutatott ritmikus ingadozásokat. A vizsgálatot a Southamptoni Egyetem kutatói végezték, eredményeiket az Earth and Planetary Science Letters című tudományos folyóiratban publikálták. A tanulmány a kriogén időszakra (720-635 millió évvel ezelőtt) fókuszál, amikor feltételezések szerint a Föld felszínét szinte teljes egészében jég borította. A korábbi elképzelések szerint ebben az időszakban az óceán és a légkör között lejátszódó időjárási folyamatok gyakorlatilag megszűntek, így az éghajlati rendszer „leállt”, és évmilliókon át egy stabil, rendkívül hideg klíma uralkodott.
Az új eredmények alapját a Skócia nyugati partjainál fekvő Garvellach-szigeteken található, kivételesen jó állapotban megőrződött, úgynevezett varvás üledékes kőzetek adják. Ezek a rétegek a sturtiai eljegesedés idején rakódtak le, amely a „hógolyó-Föld" egyik legintenzívebb eljegesedési szakasza volt, és mintegy 57 millió évig tartott. A kutatók 2600 egyedi réteget elemeztek a Port Askaig Formációban. Mivel minden egyes réteg egy év üledékképződését jelenti, a kőzetek gyakorlatilag évről évre rögzítették az akkori éghajlati viszonyokat. Thomas Gernon, az egyetem professzora és a kutatás társszerzője így fogalmazott: "Ezek a kőzetek megőrizték az éghajlati jellemzők mindazon ritmikusságait, amelyeket ma is ismerünk - az évszakok váltakozását, a naptevékenység ciklusait és az évek közötti ingadozásokat - mindezt egy „hógolyó-Föld" idején. Ez döbbenetes. Azt mutatja, hogy az éghajlati rendszernek veleszületett hajlama van a változékonyságra - még szélsőséges körülmények között is." A mikroszkópos vizsgálatok alapján a rétegek szezonális fagyási és olvadási ciklusok során jöttek létre vastag jégtakaró alatt, mély, nyugodt vizekben. A rétegvastagság statisztikai elemzése során a kutatók többéves, évtizedes, sőt évszázados ismétlődő mintázatokat azonosítottak. Egyes ciklusok kifejezetten hasonlítanak a mai éghajlati jelenségekre, például az El Niño-típusú ingadozásokra vagy a napciklusokra.
A kutatók ugyanakkor hangsúlyozzák: nem arról van szó, hogy a teljes kriogén időszak dinamikus lett volna. Az eredmények inkább arra utalnak, hogy a rendkívül hideg, stabil alapállapotot időnként rövidebb - néhány ezer évig tartó - zavarok szakíthatták meg.
Az élet evolúciójára gyakorolt hatás és a jelenlegi helyzet
Az utolsó hólabda-Föld elolvadását egy addig nem létező, páratlan gazdagságú élővilág hirtelen megjelenése követte. Minden ma ismert faj őse jelent meg váratlanul. Ezek a nevezetes kanadai Ediacaran-fosszíliák 575 millió évvel ezelőttről származnak, és minden mai élőlény előzményei. Egészen pontosan ettől az időszaktól kezdve vannak csak nyomaink az első szilárd vázú létformákról.
A második ilyen hógolyó állapotra 654-635 millió éve került sor, ekkor a kontinensekről kiinduló jégtakaró a trópusi óceánokat is elérte. Azonban bizonyos, hogy volt olyan hely a Földön, ahol az ekkor még kizárólag a tengerben létező élet fennmaradhatott, ehhez pedig az kellett, hogy legyen jégmentes régió, ahol a légkörrel is ki tudja cserélni gázait az óceán.
Globális hógolyó nem alakult ki többet. Minsky és kollégái az átlagosan magasabb hőmérsékletekkel (különösen a földtörténeti középidőben és az újidő elején), valamint a szárazföldi növények elterjedésével magyarázzák, amik korlátozzák az erózió mértékét. Az elburjánzó növényzet napsugár-visszaverő (albedó) képessége kisebb, mint a hóé vagy a vízé. Ezért olyan korokban sem indulhatott el szélsőséges lehűlés, amikor a kontinensek újra a trópusoknál gyülekeztek. A Nap fényessége is folyamatosan növekszik (becslések szerint 30 százalékkal erősebben süt, mint a korai földtörténeti korokban).
Az elmúlt 50 millió évben viszont hosszú távon csökkenő tendenciát mutatott a Föld átlaghőmérséklete. Az emberiség az elmúlt 150 évben közel 2500 milliárd tonna szén-dioxidot juttatott a Föld légkörébe, aminek következtében 1,3 Celsius-fokkal nőtt a globális átlaghőmérséklet az iparosodást megelőző állapothoz képest. Ma a Föld jege gyorsan olvad. 252 millió évvel ezelőtt olyan meleg volt, hogy a tengeri fajok 96 százaléka és a szárazföldi gerincesek 70 százaléka eltűnt a Földről. Ez a jelenség - a melegedés - még most is tart.