Redaktör: Anna Johnson, mars 2022. Efter artikeln Lumipallomaa av Ari Brozinski & Teemu Karlsson

En istid framom andra istider

Jordens historia rymmer många istider. Den senaste nedisningsperioden som kallas Weichsel tog slut för kring 10 000 år sedan då den holocena epoken inleddes och då Baltiska issjön övergick i Yoldiahavet. Under Weichselglacialens maximala utbredning nådde istäcket ända till området kring Hamburg i Tyskland, till Polen, de baltiska länderna och hela vägen till Moskvaregionen i Ryssland. Weichsel bleknar dock i jämförelse med de riktigt stora nedisningarna då hela planeten, såväl kontinenter som oceaner, antagligen varit helt täckt av ett tjockt islager.

En nedisning som täcker hela planeten har fått benämäningen ”snöbollsjord” (eng: Snowball Earth). Man antar att detta fenomen har skett flera gånger under jordens historia, mycket tidigare än Weichsel eller de andra glaciala perioderna som kommit och gått under de senaste 2–3 miljoner åren. När det gäller omfattningen av ett fenomen som snöbollsjord räcker det inte att tala om tiotals till hundratals tusen år, utan här gäller det snarare tidsrymder som sträcker sig över hundratals miljoner år. De äldsta spåren efter fenomenet är från längre tillbaka i tiden än 2 miljarder år (Ga). Den senaste globala nedisningsperioden tros ha inträffat under den senproterozoiska eran (neopoterozoicum) som inföll för 1 000–542 miljoner år (Ma) sedan. Den här artikeln fokuserar på spår efter denna senaste och bäst kända period av snöbollsjord.

Idén om en istäckt planet vaknar

På planetens yta finns det gott om neoproterozoiska glaciala avlagringar. Dessa hittas på nästan alla kratoner som Nordamerika, Sydamerika, Indien, Australien, Afrika och i Baltikum.

Dessa avlagringar skiljer sig från mera traditionella istidsavlagringar genom att många av dem har uppstått nära ekvatorn. Det här är mycket speciellt eftersom nedisningar och de geologiska formationer som uppstår i samband med dem normalt endast förekommer på relativt hög nordlig och sydlig bredd.

Hur kan det bevisas att de neoproterozoiska glaciala avlagringarna verkligen har uppstått i tropikerna? En förklaring kan hittas genom de karbonater som forskaren Brian Harland först uppmärksammade på 1960-talet.

Existerade snöbollsjorden verkligen?

Istidsspår i Namibia – karbonater antyder snöbollsjord

När Harland studerade strukturer hos glacialt avsatta sediment i Namibia, som varvad lera med droppstenar (eng. dropstones eller drop stones), märkte han att det ovanför dessa lager fanns rikligt med karbonatsten. Karbonater är mineral som består av en karbonat-anjon (CO₃^2-) och en metall-katjon som kalcium (Ca) eller magnesium (Mg). Den här typens karbonater är t.ex. kalcit (CaCO₃), dolomit (CaMg(CO₃)₂) och aragonit (en polymorf av CaCO₃).

Eftersom karbonatmineral huvudsakligen bildas i miljöer med varmt vatten verkade det som om kall is skulle ha rört sig över och lösgjort fragment av (varmvattens-)karbonatbergarter. Fragmenten såg ut att ha transporterats med isen i dess rörelseriktning, och sedan deponerats i de formationer som Harland upptäckte.

Utöver att sedimentlagren var ovanliga märkte Harland också att gränsytorna till de lager som innehöll karbonatmineral var mycket tydliga jämfört med gränserna mellan de övriga deponeringsenheterna. Lagrens tydliga gränser och det faktum att det nära karbonatrika lager låg lager där karbonater helt saknades fick Harland att dra slutsatsen att en temperaturförändring från tropiskt till iskallt klimat måste ha skett mycket snabbt. Baserat på dessa fynd presenterade Harland teorin om att jorden utsatts för en omfattande global nedisning för 750–590 Ma sedan.

Bandad järnmalm (BIF) – ytterligare bevis för global nedisning

Bandad järnmalm (eng: Banded Iron Formation, BIF) är sediment som består av omväxlande SiO₂-rika och järnrika lager. Nästan alla bandade järnmalmer bildades långt tidigare än neoproterozoikum, nämligen under den arkeiska eonen för mer än 2 500 Ma sedan. Då fanns det endast en mycket liten mängd fritt syre i atmosfären medan det i djuphaven fanns mycket järn. Under dylika förhållanden uppträder järnet i löst form i vattnet, då kan det reagera med svavel eller karbonat och bilda pyrit (FeS₂) eller järnspat/siderit (FeCO₃). Reaktionen resulterar alltså i att järnet faller ut, och fällningarna bildar med tiden de sedimentlager som omvandlas till bandade järnmalmer.

Neoproterozoiska bandade järnmalmer har hittats i bland annat Australien, Brasilien och Kanada. I norra Kanada har BIF-lagren sedimenterats bland tilliter (förstenad morän) och enstaka dropstenar. Hur kan det alltså vara möjligt att det efter en paus på hundratals miljoner år igen har kunnat börja bildas bandade järnmalmer (BIF) i samband med globala nedisningar?

Det islager som i samband med snöbollsjorden lade sig över oceanerna minskade växelverkan mellan havs- och luftströmmarna tills kontakten mellan hydrosfären och atmosfören i stort sett bröts. Detta ledde till att syreutbytet mellan luft och vatten minskade, de havsströmmar som nått ner till djuphaven avstannade vilket medförde att bottenskiktet så småningom blev allt syrefattigare. Som ett resultat av den anoxiska miljön började halten fritt järn (som härstammade från oceanryggarnas bergarter och äldre bottensediment) i vattnet öka, och när det fria järnet sen kom i kontakt med syrerikt smältvatten från glaciärisarna föll det ut och bildade tunna järnrika lager på bottnen.

Remanent magnetism – nedisningen bekräftas

Klara indikationer på att en nedfrysning skett vid ekvatoriala breddgrader erhölls 1991 när en grupp forskare ledda av P.W. Schmidt analyserade neoproterozoiska stenprover som samlats in i östra Australien. Proverna påvisade periodisk sedimentering, rytmit (eng: rhythmite), som hade bildats på havs- eller sjöbotten i samband och i närkontakt med inlandsis. Forskargruppen lade märke till att den remanenta magnetismen i proven inte hade påverkats sedan den låsts fast i samband med att sedimenten avsatts. Med andra ord, den magnetiska riktningen var primär.

Baserat på det remanenta magnetfältets riktning som dessutom passade väl ihop med andra mätningar av samma ålder i området, drog man slutsatsen att sedimenten hade avsatts i en glacial miljö mindre än 10 grader från ekvatorn. Glaciärisen måste därför ha sträckt sig ända till tropikerna vid den här tiden.

Hur kyls jorden ner?

Solstrålning och reflektion

Av de faktorer som kontrollerar jordens klimat är solstrålningen den viktigaste. Normalt reflekteras ungefär en tredjedel av den värmestrålning som når jorden tillbaka ut i rymden. Resten av värmestrålningen absorberas i huvudsak av haven vilket bidrar till att hålla planeten uppvärmd.

Albedo är ett mått på reflektionsförmåga, dvs. den andel av solvärmestrålningen som reflekteras från en belyst yta, i detta fall jordytan, haven och molnen. Snö har en hög reflektionsförmåga, ett högt albedo (~0,8), medan havsvatten absorberar strålning effektivt och har ett lågt albedo (~0,1). På de snöfria kontinenterna ligger albedo någonstans mellan albedot för havsvatten och snö. Bland annat vegetetation påverkar värdet i någon mån.

En jämn reflektion av solstrålning över tid upprätthåller balansen mellan absorption och reflektion. Det här är viktigt därför att om mera värme reflekterades bort från jordens yta tillbaka ut i rymden skulle planeten börja kylas ner. Å andra sidan, om reflektionsförmågan var mycket mindre skulle vi stå inför en global uppvärmning med radikala konsekvenser.

Temperaturen sjunker

Vi gör ett tankeexperiment där en stor del av kontinenterna genom plattektoniska förflyttningar ligger vid ekvatorn där också solens värmeinstrålning är som störst. Albedot för en stor sammanhängande kontinent är relativt högt vilket gör att mera strålning än vanligt reflekteras tillbaka ut i rymden. Det här påverkar temperaturen i världshaven vilket i sin tur ändrar på havsströmmarnas mönster så att de inte längre lika effektivt transporterar värme till de nordliga och sydliga polarområdena. Som en följd av temperatursänkningen i polarområdena börjar istäckena där att växa till sig allt snabbare. Eftersom snö och is har ett mycket högt albedo bidrar det växande snö- och istäcket till att planeten kyls ner ytterligare. Resultatet blir att istäcket sträcker sig allt närmare ekvatorn så att planeten gradvis förvandlas till en snöboll.

Den ryska forskaren Mikhail Budyko definierade det här fenomenet i en publikation från 1969 där han visade att om jordens klimat kyldes ned skulle istäckets omfattning öka, och med ett ökande istäcke stiger även jordens helhetsalbedo vilket skulle leda till att glaciärer naturligt börjar bildas mycket närmare ekvatorn än i nuläget. Enligt Budyko skulle ett istäcke som sträcker sig ner över den trettionde breddgraden (N eller S) vara tillräckligt stort för att höja jordens värmereflektion (albedo) i en sådan grad att det skulle bli tillräckligt kallt för istäcket att breda ut sig ända till ekvatorn. I det här fallet matar nedkylningsprocessen sig själv, istäcket växer vilket ökar mängden bortreflekterad värmestrålning, vilket gör det kallare så att istäcket växer…

Hur slutar en period av snöbollsjord?

En av jordens viktigaste växthusgaser, koldioxid (CO₂), absorberar infraröd strålning som reflekteras från jordens yta. På kort sikt kan koldioxidhalten i atmosfären påverkas av t.ex. mänskliga aktiviteter och biologiska processer (fotosyntes). På längre sikt, miljontals år, regleras atmosfärens koldioxidhalt av att en balans mellan C i atmosfären och i oceanerna upprätthålls. Det här sker genom att vulkaner både på kontinenterna och under havsytan frigör koldioxid (med mera) till atmosfären. Vid kemisk vittring av SiO₂-haltiga bergarter förenas C ur atmosfärens koldioxid med till exempel kalcium till kalciumkarbonat (kalksten, CaCO₃) som slutligen lagras på havsbottnarna som sediment.

Vi föreställer oss att jorden har kylts ner och frusit till en stor snöboll. I det här fallet kan koldioxiden som vulkanerna sprutar ut i atmosfären inte försvinna därifrån genom kemisk vittring av SiO₂-haltiga bergarter eftersom vittringsprodukterna är täckta av snö och is. Därför börjar CO₂-halten i atmosfären i stället öka och når så småningom en riktigt hög nivå. Höga koldioxidhalter förstärker växthuseffekten genom absorption av infraröd strålning vilket för med sig att atmosfären värms upp. Då blir också jordytan varmare, isen börjar smälta och den globala nedkylningen avtar. Om de vulkaniska CO₂-utsläppen antas vara i samma storleksskala som de är idag skulle uppsmältningen av bara den del av istäcket som låg närmast ekvatorn ha tagit miljoner eller t.o.m. tiotals miljoner år i anspråk.

Hur kunde livet överleva?

Budykos teori om snöbollsjorden mötte mycket tvivel. Hans tankar ifrågasattes bland annat med argument om att livet inte skulle ha kunnat överleva en global nedisning. Det här argumentet föll dock på 1970-talet i och med upptäckten att liv kan existera i samband med hydrotermala öppningar (eng: black smokers) på oceanbottnarna och i Öst-Antarktis extremt karga kyla. Dessutom har man kommit fram till att den värme som strålar från jordens inre har kunnat förhindra oceanerna från att bottenfrysa, och att smältvatten skulle ha kunnat förekomma i små pölar vid ekvatorn. Det kan alltså mycket väl vara så att liv kan överleva de extrema förhållandena vid en global nedisning, dels i miljöer av extrem kyla, dels genom att söka sig till miljöer av extrem hetta.