Lumipallomaa

Yksi "jääkausi" ylitse muiden

Veiksel laajimmillaan. Kuva: Jukka-Pekka Palmu/GTK.Maapallon historiaan on mahtunut lukuisia jääkausia. Niistä viimeisin eli Veiksel päättyi 11 590 vuotta sitten Holoseeniin (nykyaikaan) Baltian jääjärven muuttuessa Yoldianmereksi. Veiksel ulottui laajimmillaan Saksaan Hampurin alueelle, Puolaan, Baltian maihin sekä aina Venäjälle Moskovan tienoille saakka. Veiksel kuitenkin kalpenee laajuudessa suuremmalle jääkaudelle, jonka mittasuhteet olivat niin valtavat, että se vuorasi koko planeettamme, niin meret kuin mantereet, paksuun jäiseen kerrokseen.

Planeetanlaajuisessa jäätiköitymisessä mantereet ja meret jäätyvät. Kuva: Fahad Sulehria.Planeetanlaajuisesta jäätiköitymisestä käytetään nimitystä lumipallomaa (engl. Snowball Earth) ja se tapahtui paljon aikaisemmin kuin Veiksel tai muutkaan viimeisten miljoonien vuosien aikana maapalloamme kohdanneet jääkaudet. Tarkasteltaessa lumipallomaata ei voida puhua kymmenistä tai sadoista tuhansista vuosista, vaan pikemmin sadoista miljoonista vuosista sillä maapallon laajuinen jäätiköityminen tapahtui myöhäis- eli neoproterotsooisella maailmankaudella, joka maapallon historiassa käsittää ajanjakson 1000—542 miljoonaa vuotta sitten.

Ajatus Maasta jään peittämänä herää

Neoproterotsoisia jäätikkökerrostumia. Kuva: Paul Hoffman.Kotiplaneettamme pinnalta tunnetaan runsaasti neoproterotsooisia jäätikkökerrostumia, ja niitä nähdään miltei kaikilla kratonisilla alueilla kuten Pohjois- ja Etelä-Amerikassa, Intiassa, Australiassa, Afrikassa sekä Baltian alueella.

Kratonisilta alueilta tunnetut kerrostumat eroavat kuitenkin perinteisistä jäätikkökerrostumista siinä, että osa niistä on syntynyt päiväntasaajan läheisyydessä. Tämä on varsin outoa, sillä tavallisesti jäätiköitymisistä ja sen synnyttämiä geologisia muodostelmia esiintyy ainoastaan kohtalaisen korkeilla leveysasteilla Maan pohjoisella tai eteläisellä puoliskolla.

Miten voidaan todistaa, että neoproterotsooiset jäätikkökerrostumat ovat todella syntyneet tropiikissa? Yksi selitys löytyy karbonaateista, joihin Brain Harland keksi ensi kerran kiinnittää huomiota 1960-luvulla.

Oliko lumipallomaa oikeasti olemassa?

Jään jäljet Namibiassa – karbonaatit antavat viitteitä lumipallomaasta

Tutkiessaan jäätikön kerrostamien sedimenttien rakenteita, kuten lustoja ja vajokiviä, Namibiassa 60-luvulla (?) huomasi Harland, että kerrostumien päällä oli runsaasti karbonaattikiviä. Karbonaatit ovat mineraaleja, jotka sisältävät karbonaattianionin (CO32-) ja metallianionin, kuten kalsium (Ca) tai magnesium (Mg). Tällaisia karbonaatteja ovat esimerkiksi (esim. kalsiitti, dolomiitti ja aragoniiti).

Koska karbonaattimineraaleja muodostuu pääasiassa lämpimissä vesissä, vaikutti aivan siltä, kuin kylmä jää olisi liikkunut lämpimässä vedessä muodostuneiden karbonaattien päällä ja irrottanut niistä palasia mukaansa. Matkaan joutuneet karbonaattimineraalien fragmentit vaikuttivat kulkeutuneen jään mukana ja kerrostuneen kuljetuksen päätteeksi muodostumiin, josta Harland niitä havainnoi. 

Epätavallisten sedimenttikerrosten lisäksi Harland pani merkille, että karbonaatteja sisältävien kerrosten rajapinta oli hyvin selvä muihin kerrostumisyksiköihin nähden. Kerrosten selvästä rajapinnasta ja karbonaattien puuttumisesta karbonaattirikkaan sedimenttikerroksen läheisyydessä Harland päätteli, että lämpötilan muutos trooppisesta jäätävän kylmään tapahtui nopeasti. Havaintoihin pohjautuen Harland esitti, että maapallolla on tapahtunut laajamittainen koko planeettaamme koskettanut jäätiköityminen 750—590 miljoonaa vuotta sitten.

Dolomiittien ja proglasiaalisten kerrostumien kontakti Namibiassa (635 Ma) Kerroksissa näkyy karbonaattien palasia. Lyhenteiden selitykset: CD=postglasiaalista kalkkikiveä, IRD=jään irroittamaa materiaalia, DF=sedimenttivyöryn muodostamaa. Kuva: Paul Hoffman.

Kerrokselliset rautamuodostumat (BIF) – listätodiste globaalista jäätiköitymisestä

Kerrokselliset rautamuodostumat (engl. Banded Iron Formation, BIF) ovat sedimenttejä, jotka koostuvat vuorottelevista SiO2- ja rautarikkaista kerroksista. Miltei kaikki kerrokselliset rautamuodostumat ovat syntyneet prekambrisella kaudella paljon ennen neoproterotsooisia jääkausia, arkeeisen eonin aikana,  yli 2500 miljoonaa vuotta sitten. Tällöin ilmakehässä oli vain vähän vapaata happea ja syvällä meressä paljon rautaa. Tällaisissa olosuhteissa rauta esiintyi liuenneena, minkä vuoksi se kykeni reagoimaan rikin tai karbonaattianionin kanssa muodostaen pyriittiä (FeS2) ja karbonaattia (FeCO3). Reaktion tuloksena rauta siis saostui ja pitkän ajan kuluessa syntyi kerroksellisia rautamuodostelmia.

Kerroksellinen rautamuodostelma Kanadassa. Kuva: G. Gross.

Neoproterotsooisia kerroksellisia rautamuodostomia tunnetaan esimerkiksi Australiasta, Brasiliasta ja Kanadasta. Pohjois-Kanadassa olevat BIF-kerrokset ovat kerrostuneet tilliittien (kivettynyt moreeni) ja satunnaisten vajokivien väliin. Miten on mahdollista, että satojen miljoonien vuosien tauon jälkeen kerroksellisia rautamuodostumia on alkanut syntyä globaalin jäätiköitymisen yhteydessä?

Lumipallomaan myötä kehittynyt meret peittävä ahtojää pienensi merellisten virtausten ja tuulten vuorovaikutusta, jolloin niiden kytkös katkesi. Tällöin ilmakehän ja meren välinen hapenvaihto väheni, merten pohjassa olevat merivirrat hiljenivät pysähtyen lopulta, jolloin ne alkoivat köyhtyä hapesta. Tämän vuoksi valtamerten keskiselänteiden kivistä ja pohjasedimenteistä peräisin oleva rauta alkoi lisääntyä muodostaen lopulta ohuita rautarikkaita kerroksia reagoidessaan happirikkaiden jäätikön sulamisvesien kanssa.

Magneettivuo – jäätiköityminen varmistuu

Varmoja viitteitä päiväntasaajan korkeudella tapahtuneesta jäätymisestä saatiin vuonna 1991, kun Schmidt tutkimusryhmineen analysoi Etelä-Australiasta kerättyjä kivinäytteitä, joissa näkyi jäätikköjärven muodostamia jaksollisia sedimenttisarjoja (engl. rhytmite). He huomasivat, että näytteiden jäännösmagneettivuo oli asettunut pian kerrostumisen jälkeen, eikä siinä havaittu tapahtuneen muutoksia neoproterotsooisen maailmankauden jälkeen. Toisin sanoen oli magneettivuo primäärinen.

Magneettivuon aseman perusteella, joka sopi hyvin yhteen muiden samanikäisten kivien magneettivoiden kanssa pääteltiin, että kerrostumisen on täytynyt tapahtua alle 10 asteen päässä päiväntasaajasta. Magneettivuon asettumisen aikoihin sijaitsi Australia päiväntasaajan seudulla, joten jäätikön on täytynyt edetä tropiikkiin asti.

Miten Maa voi kylmetä?

Auringonsäteily

Maapallon ilmastoa kontrolloivista tekijöistä auringonsäteily on tärkein. Tavallisesti noin kolmannes maahan saapuneesta lämpösäteilystä heijastuu pilvistä ja maanpinnasta takaisin avaruuteen. Loput lämpösäteilystä absorboituu pääasiassa meriin myötävaikuttaen planeettamme lämpimänä pysymiseen.

Auringon lämpösäteilyn heijastumista mitataan muuttujalla, jota kutsutaan albedoksi. Lumella on korkea heijastavuus (~0.8), kun taas merivesi absorboi säteilyä tehokkaasti eli sen albedo on alhainen (~0.1). Planeettamme merestä vapailla alueilla, kuten mantereilla heijastuminen on lumen ja meriveden välimaastossa (mm. kasvillisuus vaikuttaa tähän).

Auringonsäteilyn tasainen heijastuminen ylläpitää aborboitumis-/heijastumistasapainoa. Tämä on tärkeää sillä, jos Maan pinnalta heijastuisi enemmän lämpöä takaisin avaruuteen, alkaisi planeettamme jäähtyä. Toisaalta, jos heijastuminen olisi paljon pienempää, kohtaisi meitä ilmaston lämpeneminen, jolla on radikaaleja seurauksia.

Lämpötila kääntyy laskuun

Ajatellaan, että suuri osa mantereista kerääntyy laattatektoniikan seurauksena päiväntasaajan korkeudelle, jonne myös auringon lämpösäteilyä kulkeutuu eniten. Suuren yhtenäisen mannermassan albedo on kohtalaisen suuri, jolloin säteilyä heijastuu tavallista enemmän takaisin avaruuteen. Tämä vaikuttaa meriveden lämpötilaan, mikä puolestaan muokkaa merivirtojen toimintaan, sillä ne eivät enää kuljeta lämpöä mukanaan pohjoiselle ja eteläiselle pallonpuoliskolle. Lämpötilan laskun seurauksena napojen jäätiköityminen alkaa tapahtua kiihtyvällä tahdilla. Koska jäällä ja lumella on erittäin korkea albedo myötävaikuttaa niiden muodostuminen puolestaan planeettamme jäähtymiseen. Tämän seurauksena jäätikkö alkaa edetä kohti päiväntasaajaa ja Maa muuttuu vähitellen lumipalloksi.

Venäläinen tiedemies Mikhail Budyko määritti tätä ilmiötä vuonna 1969 julkaisemassaan tutkimuksessa, jossa hän osoitti, että jos Maan ilmasto kylmenisi, kasvaisi jään määrä ja samalla myös kokonaisalbedo minkä tuloksena jäätä voisi muodostua alhaisemmilla leveysasteilla kuin normaalisti. Budykon mukaan jään ylittäessä n. 30 asteen leveyspiiriin pohjoisella tai eteläisellä pallonpuoliskolla, kasvaisi Maan heijastaman lämpösäteilyn määrä niin suureksi, että tapahtuisi riittävän paljon jäähtymistä, jotta jäätiköt voivat edetä päiväntasaajan korkeudelle. Tällöin jäätymisprosessi ruokkisi itse itseään kasvattaen heijastuneen lämpösäteilyn määrää jään lisääntymisen myötä.

Miten lumipallomaa on voinut päättyä

Yksi maapallon tärkeimmistä kasvihuonekaasuista, hiilidioksidi (CO2), absorboi itseensä maan pinnasta heijastuvaa infrapunasäteilyä. Lyhyellä aikavälillä ilmakehän hiilidioksidipitoisuuteen saattavat vaikuttaa mm. ihmistoiminta ja biologiset prosessit (fotosynteesi). Pidemmällä aikavälillä (miljoonia vuosia) ilmakehän hiilidioksidin määrää säätelee ilmakehän ja valtamerten tasapaino. Toisin sanoen maanpäällisistä ja merenalaisista tulivuorista purkautuu (muun materiaalin ohessa) hiilidioksidia, joka kemiallisen rapautumisen myötä SiO2-pitoisten kivien kanssa muuttuu kalsiumkarbonaatiksi ja hautautuu sedimentteihin.

Kuvitellaan tilanne, jossa maapallo on jäätynyt suureksi lumipalloksi. Tällöin laattatektoniikan myötä tapahtuneen vulkaanisen toiminnan vapauttama hiilidioksidi ei kykene poistumaan ilmakehästä kemiallisen rapautumisen myötä. Tästä johtuen sen pitoisuus alkaa kasvaa ja saavuttaen lopulta todella korkean tason. Korkea hiilidioksidipitoisuus voimistaa kasvihuoneilmiötä ja maan pinta lämpenee, kunnes sulaminen käynnistyy ja globaali jäätyminen hiipuu. Jos tulivuorten CO2-tuoton ajatellaan olleen vastaava, kuin nykyisin, olisi sulaminen pelkästään päiväntasaajan läheisyydessä kestänyt miljoonia tai jopa kymmeniä miljoonia vuosia.

Miten elämä on selvinnyt?

Budykon lumipalloteoriaan kohdistui paljon epäilyjä. Hänen ajatuksensa kyseenalaistettiin mm. argumentilla, ettei elämä olisi voinut selvitä planeetanlaajuisesta jäätiköitymisestä. Tämä ajatus kuitenkin kaatui 70-luvulla, kun valtamerten pohjan mustista savuttajista ja Itä-Antarktiksen äärimmäisen karuista olosuhteista löydettiin elämää. Lisäksi on päätelty, että Maan sisästä johtuva pieni lämpömäärä on estänyt valtamerten jäätymisen pohjaan asti ja, että sulaa vettä olisi voinut esiintyä pienissä ”lätäköissä” päiväntasaajan korkeudella. Voi siis hyvinkin olla, että elämä selvisi lumipallomaan karuissa olosuhteissa, mutta jäätävän kylmyyden sijaan vallitsikin polttava kuumuus.