12月初，几场全国性的降温接连来袭，冲上了热搜。在东北，冷空气与暖湿气流的激烈对撞引起了猛烈的暴风雪。看到东北同学可以滑着雪上学，见到雪的南方小伙甚至一头扎进雪堆里游泳（不建议模仿），真是羡煞来了大部分从未亲眼见到雪的南方同学（特别是广东人），只能吹着空调、穿着短袖，幻想着自己有一天也能在冰天雪地中遨游。

然而，这种场景并非只是幻想，在地球历史上，广东也曾下起过鹅毛大雪，而且这不仅仅发生在广东。

想象一下：从极地到赤道，无论陆地还是海洋，都被厚厚的冰盖包裹，地表甚至出现-50°C的低温，这种千里冰封、万里雪飘的状态持续了数百万甚至数千万年。这就是科学家们所称的“成冰纪（Cryogenian Period）全球冰期事件”。

雪球地球时期全球冰川覆盖面积变化以及基于能量平衡计算的全球表面温度变化，1和7代表仅两极有冰的气候状态，随着大气中二氧化碳浓度下降，极地冰盖向赤道扩展（2），并增加地球表面反射率（3），促进地表温度进一步下降，最终导致冰盖扩展到赤道地区（4），在这期间由于地表风化减弱和去气作用导致大气中二氧化碳浓度上升至临界点，地表温度迅速上升，形成两极无冰的温室气候（5），这期间全球风化作用加强，降低大气中二氧化碳，全球温度下降，恢复到两级有冰的气候状态（7）^[1]图片来源：http://www.snowballearth.org/end.html

不止是广东，连赤道也下雪了？

发生在元古宙-新元古代-成冰纪的全球冰期事件的显著特征，是发生了两次全球性的、极端寒冷的事件，即较早的斯图特冰期（Sturtian Glaciation， ~720-660 Ma）和较晚的马林诺冰期（Marinoan Glaciation， <654-635 Ma），在中国分别以长安冰期和南沱冰期称之。

科学家是怎么发现这两次冰期的存在的呢？原来是发现了该时期全球分布的冰川杂砾岩、条带状含铁建造、盖帽碳酸盐岩及其存在的碳同位素负偏（即样品中¹³C的相对丰度＜¹²C的相对丰度）：

如何解释该时期出现的特有的地质现象呢？多种气候假说众说纷纭，其中就包括著名的“雪球地球”假说。即在成冰纪的两次极寒事件中，地球的表面全部被冰川所覆盖，海洋被完全冻结，冰层厚达1公里，寒冷干燥的空气在苍凉的大陆上肆意流动。

彼时的地球已经将近40亿岁，作为一个相对成熟的行星，它拥有板块构造、稳定的大气和遍布海洋的原始生命，洋溢着一颗宜居星球特有的生机。在这看起来一切井然有序、如此“岁月静好”的背景下，为什么突然之间地球会被冰川包裹了一切，进入深度冰冻期呢？

地球进入雪球期的模拟动画

“雪球地球”的开始与结束：成也温室气体，败也温室气体

1992年，J.L.Kirschivink^[2]首次提出“新元古代的低纬度地区广泛发育海相冰川作用，整个地球都处于雪球状态”的设想。他认为，大约在9亿年前，地球上各个大陆在赤道附近结合成了一个新的“大陆”——“罗迪尼亚”超大陆（Rodinia Supercontinent）（这种情况并不寻常，在地球随后的历史上再也没有出现过）。

到了8.2亿年前，一次巨大的火山事件（“超级地幔柱”）使得“罗迪尼亚”超大陆再次发生裂解。高纬度形成的冰川使海平面降低，使部分大陆架和内陆海露出海平面，陆地面积增加，提高了地面的反射率，接收到的热量大大减少。同时，热带地区大陆面积的增加又加速了硅酸岩的风化，大气中CO₂浓度降低，导致地表温度进一步下降，进一步驱动冰川形成，最终形成“雪球地球”。

在全球周期性的冰川作用发生时，地球的陆块很可能聚集在赤道附近^[3]

在前人研究的基础上，1998年，P. F. Hoffman等人^[4]进一步联系板块运动、火山作用、化学风化强度等因素，认为新元古代晚期聚集在赤道附近的Rodinia超大陆裂解，使得大陆边缘海面积迅速增加，大大增加了边缘海生物初级产率和有机碳埋藏量，造成大气中的温室气体CO₂含量迅速减少，进而驱动了失控的冰反射灾变，形成了“雪球地球”^[5，6]。

当时的海洋都处于冰冻状态，冰盖推进到赤道，平均厚约1 km，全球温度骤降至大约-50℃，地球变为超级冰室。持续的极端寒冷使得海洋生物生产力中断，大气中的¹²CO₂无法通过光合作用被生物吸收利用，从而导致了各地一致的碳同位素负偏。

如何从持久的“冰灾”中脱难？火山及其喷出的温室气体当了一回“救世主”。由于地球的地壳比较活跃，板块运动剧烈，可为火山活动提供动力。当冰盖逐渐破裂，累积的CO₂便进入到大气，足以产生极端的“温室效应”，正反馈回路高速运转，使冰川迅速消融、退却，全球温度急剧上升至大约50°C^[3]，地表的冰雪在不到1000年的时间里就融化殆尽。

总的来说，“雪球地球”假说认为，新元古代地球的极端气候事件，是由长期的全球冰冻状态和短暂的极度温室状态两部分所组成：一方面，构造运动驱动风化作用吸收大气中的温室气体，从而使气候变冷，进入冰期；另一方面，构造运动驱动火山活动，向大气排放大量的温室气体，气温升高，进入间冰期。

Stage 1：7.7亿年前单个大陆的分裂留下了散布在赤道附近的小大陆。以前的内陆地区如今更接近海洋。增加的降雨会除去更多的CO₂以及更快地侵蚀陆地上的岩石。因此，全球气温下降，极地海洋形成了巨大的冰盖。冰比海水反射更多的太阳能，这种反馈循环触发了一种不可阻挡的冷却效应，将在一千年之内将地球吞没在冰中。

Stage 2：在失控的冰冻开始后不久，全球平均气温骤降至-50°C。冰盖厚达1 km。大多数微小的海洋生物死亡，但也有一些会在火山温泉周围存活。寒冷干燥的空气阻止了陆地冰川的生长，形成了由风沙组成的广阔沙漠。由于没有降雨，火山释放出二氧化碳不会从大气中移除。当板块运动导致火山喷发，二氧化碳大量释放，地球开始变暖，海冰慢慢变薄。

全球变冷不全是好事：地球生命的地狱or乐园？

“雪球地球”的发生、演变和终结改变了地球海洋和大气的物理化学条件，深刻影响了地球生物圈及其赖以生存的环境。

第一，全球性的寒冷气候使冰期前后的生态系统产生了较大的变化。化石记录可以佐证，在雪球地球形成之前，海洋被一种叫蓝藻的原核生物所占据；而在雪球地球形成后，疑源类、多细胞藻类等后生动物取代了蓝藻的优势地位。这些生物由于更强的活动性和新陈代谢能力，对大气氧含量有着更高的需求。

雪球地球冰期结束后真核生物辐射演化^[8]

第二，大冰期也给予了生物本身巨大的选择压力，一些生物在极端寒冷事件中灭绝。冰川作用也带来了广泛的地理隔离，很可能加速了部分海洋生物，特别是真核生物的成种速度。最新的研究表明，“雪球地球”期间地球没有完全被冰雪覆盖，中低纬度地区仍存在开阔水域，为海洋中的底栖宏体藻类提供了“避难所”，这为当时的宏体生物生存和演化提供了新证据，将“生命的绿洲”从赤道扩大为更为宽阔的海域^[7]。

新元古代地球-生命系统协同演化^[9]

第三，冰期中的大陆上主要以物理风化为主，积累了大量陆源碎屑物质。冰期之后，温暖湿润的气候使化学风化作用大大加强，从而让大量陆源碎屑物质和淡水注入海洋，使得当时的浅海可能在较短的时间内形成温暖、富营养的环境，这种环境有利于浮游低等藻类的繁盛。

快速的风化作用和沉积作用把藻类的遗体带入沉积物中，并以黑色页岩的形式进入岩石圈，通过有机质埋藏的方式减少了海水中氧气的消耗。而浮游藻类产生的氧气大量进入大气圈，使大气和浅海中的氧含量可能在冰期结束后一个相对较短的时间内有了明显的升高。

雪球地球结束后的大气与海洋环境变化^[8]

快速变化的温度

洛根市犹他州立大学地质学家Carol Dehler曾表示：“我认为‘雪球地球’能给人类传递的最大信息就是，它展示了地球在短时间和长时间内以极端方式变化的能力。”这警示我们，不仅要关注温度变化的幅度，也要对温度变化的速度提高警惕。

雪球地球事件如同幽灵一般，于新元古代末期匆匆而至，留下烙印后，便马上消失在一如既往的温暖中。在此后数亿年的时光里，它再未“重出江湖”。而这一独特的时期也被命名为成冰纪，形象地提醒着人们，昔日纪元，冰川漫布苍穹，赤道银裹如白羽。

参考文献

[1] Hoffman P F， Schrag D P. The snowball Earth hypothesis: testing the limits of global change. Terra nova， 2002， 14(3): 129-155.

[2] Kirschvink J L. Late Proterozoic low-latitude global glaciation: The snowball earth[A]. Schopf J W‚Klein Ceds. The Proterozoic biosphere[C]. Cambridge: Cambridge University Press‚1992. 51-52．

[3] Hoffman P F， Schrag D P. Snowball Earth[J]. Sci. Am‚2000‚282: 62-75

[4] Hoffman P F， Kaufman A J， Halverson G P， Schrag D P. A Neoproterozoic snowball Earth[J]. Science， 1998， 281: 1342-1346．

[5] Hoffman P F. The break-up of Rodinia， birth of Gondwana， true polar wander and the snowball Earth[J]. J.Afr.Earth Sci.‚1999‚28: 17-33．

[6] Schrag D P， Berner R A， Hoffman P F. On the initiation of a snowball Earth[J]. Geochem. Geophys. Geosystems， 2002， 3: 1-21．

[7] Song H， An Z， Ye Q， et al. Mid-latitudinal habitable environment for marine eukaryotes during the waning stage of the Marinoan snowball glaciation[J]. Nature Communications， 2023， 14(1): 1564.

[8] 郎咸国，陈家乐，2023. 成冰纪全球冰期事件的环境效应研究进展[J]. 沉积与特提斯地质，43(3): 651-660.

[9] 刘伟，张兴亮.新元古代地球环境与生命演化研究进展与趋势[J].西北大学学报(自然科学版)，2021， 51(06): 1057-1064.

https://th.hujiang.com/new/p629834/

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