Snowball Earth

Definition Snowball Earth

Snowball Earth (Schneeball-Erde) bezeichnet das extremste vorstellbare Kaltklima, bei dem der gesamte Planet von Eis bedeckt ist. Globale Durchschnittstemperaturen würden dann um −50∘C liegen, da nahezu die gesamte Sonnenstrahlung reflektiert würde

Albedo

Die Fraktion der reflektierten Strahlungsintensität wird als Albedo bezeichnet. Sie variiert:

• Flüssiges Wasser: ∼ 0.1

• Vegetationsfreie Landoberflächen: ∼ 0.3

• Nacktes Eis (abhängig von Gasblasen und Staub): ∼ 0.45 − 0.65

• Frischer Schnee: ∼ 0.9

Klima bei Snowball Earth

Die mittlere Jahrestemperatur (MAAT) am Äquator wäre etwa −20∘C (vergleichbar mit der heutigen Antarktis). Ohne die modulierenden Effekte der Ozeane wären die täglichen und saisonalen Temperaturwechsel stark erhöht. Das Klima wäre dem des heutigen Mars ähnlich.

Sedimentäre Indikatoren

Trotz des trockenen Eisklimas würden über Sublimation Feuchtigkeitstransport und Kondensation in Kältetrögen stattfinden. Dort würde die Eismächtigkeit zunehmen und Gletscherfluss einsetzen, was zu glazialen Ablagerungen wie erratischen Blöcken, Till, Moränen, Eskern und Dropstones führt.

Proterozoische Snowball Earth Perioden

Mehrere dieser extremen Vereisungsphasen traten im Präkambrium auf, insbesondere im Proterozoikum, und das Leben auf der Erde überstand sie.

Zeitliche Einordnung und Dauer

Makganyene Vereisung: ∼ 2.2 Milliarden Jahre (Ga) vor heute. Erhaltungsgründe beschränken die Ablagerungen auf Südafrika.

Sturtian Vereisung: ∼ 720 − 670 Millionen Jahre (Ma) vor heute. Ablagerungen finden sich auf nahezu allen Kontinenten.

Marinoan Vereisung: ∼ 650 − 635 Ma vor heute. Dauer von 6-12 Ma. Ablagerungen sind ebenfalls global verbreitet.

Gaskiers Vereisung: ∼ 580 Ma vor heute.

Andere als "Snowball Earth" klassifizierte Vereisungen im Proterozoikum umfassen:

• Pongola Vereisung (∼ 2.9 Ga)

• Kaigas Vereisung (∼ 750 Ma)

• Gowganda Vereisung

• Elantina und Nantuo Vereisung

• Varanger, Vendische Vereisung

Es gab auch eine scheinbar eisfreie Periode von etwa 1.3 Ga zwischen der Makganyene und der Sturtian Snowball Earth

Makganyene Vereisung

∼ 2.2 Milliarden Jahre (Ga) vor heute. Erhaltungsgründe beschränken die Ablagerungen auf Südafrika.

Sturtian Vereisung

∼ 720 − 670 Millionen Jahre (Ma) vor heute. Ablagerungen finden sich auf nahezu allen Kontinenten.

Marinoan Vereisung

∼ 650 − 635 Ma vor heute. Dauer von 6-12 Ma. Ablagerungen sind ebenfalls global verbreitet

Gaskiers Vereisung

∼ 580 Ma vor heute.

Vereisungsindikatoren im Neoproterozoikum

Diamiktite, Dropstones, Gletscherschrammen, Cap-Carbonate

Diamiktite

Grobkörnige Sedimente, die oft als Tillite (verfestigte Till) interpretiert werden und Dropstones enthalten können.

Dropstones

Sedimentpartikel, die von Eisbergen auf den Seeboden fallen und dort Sedimentdeformation verursachen können

Gletscherschrammen

Kratzspuren auf Felsuntergründen, die durch Gletschertransport verursacht werden

Cap-Carbonate

Mächtige Kalkstein- oder Dolomitschichten, die direkt auf glazialen Ablagerungen folgen. Sie sind oft durch ungewöhnliche Sedimentstrukturen wie gigantische Rippel, Mikrobenriffe und primäre Barite gekennzeichnet

Paläogeographie und Vereisung in niedrigen Breitengraden

Die Verteilung von neoproterozoischen Glazialablagerungen deutet darauf hin, dass Vereisungen auch in niedrigen Breitengraden (um 30 − 40∘) auftraten. Dies wird durch paläomagnetische Daten gestützt.

Antriebsfaktoren für Glazialphasen

Glazialphasen, einschließlich Snowball Earth-Ereignisse, werden durch eine Kombination aus internen und externen Faktoren angetrieben.

Interne Antriebsfaktoren

Paläogeographie und Plattentektonik:

• Landmassen in hohen Breiten begünstigen Glaziale.

• Ozeanengpässe und globale Strömungen beeinflussen die Vereisung (z.B. Isolation der Antarktis durch den antarktischen Zirkumpolarstrom).

• Verwitterungsintensität und damit die chemische Verwitterung von Silikatgesteinen, die CO2aus der Atmosphäre entzieht, hängt von der Paläoposition der Kontinente ab und wird durch Humidität moduliert.

Vulkanismus: Ausstoß von Asche und Aerosolen (insbesondere Sulfate) in große Höhen reduziert die Sonneneinstrahlung

Externe Antriebsfaktoren

Position des Sonnensystems in der Galaxis: Die Bewegung unseres Sonnensystems durch die Milchstraße, insbesondere durch Spiralarme, kann zu einem Anstieg der kosmischen Hintergrundstrahlung (CRF) führen, was einen Umweltimpakt hat.

Milankovitch-Zyklen: Veränderungen in der Erdumlaufbahn (Exzentrizität, Achsenneigung, Präzession) beeinflussen die Sonneneinstrahlung und können Eiszeiten fördern (z.B. während der Dwyka-Vereisung).

Galaktische Umlaufbahn: Die Umlaufbahn unseres Sonnensystems um das galaktische Zentrum dauert ca. 230-250 Ma. Perioden mit erhöhter kosmischer Hintergrundstrahlung könnten mit großen Vereisungsphasen zusammenfallen.

Was verursachte Snowball Earth?

Die Hauptursache für Snowball Earth-Ereignisse wird in einer massiven Abnahme der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen, primär CO2 und CH4, gesehen.

Was verursachte Snowball Earth? Gesteinsverwitterung

• Atmosphärisches CO2 bildet Kohlensäure, die bei der Verwitterung von Silikatgesteinen verbraucht wird.

• Dies führt zur Aufnahme von Protonen und zur Freisetzung von Ca2+ und HCO3− -Ionen, die in die Ozeane transportiert und als Karbonate ausgefällt werden.

• Die Silikatverwitterung ist der geschwindigkeitsbestimmende Prozess des Kohlenstoffkreislaufs und verläuft schneller bei warmem, feuchtem Klima und langsamer bei trocken-kaltem Klima.

Was verursachte Snowball Earth? Rolle der Kontinente im Cryogenium

• Während der Sturtian und Marinoan Snowball Earth-Perioden lagen die Kontinente in den feucht-warmen Tropen. Dies führte zu global hohen Raten der Silikatverwitterung, was den pCO2senkte und zu globaler Abkühlung führte.

• Die globale Abkühlung wiederum verlangsamte die Silikatverwitterung unter trocken-kalten Bedingungen und stabilisierte das Klimasystem im Kaltzustand

Was verursachte Snowball Earth? Geodynamische Faktoren im Proterozoikum

• Die Verteilung kontinentaler Landmassen (z.B. Pangäa-ähnliche Superkontinente) in hohen Breiten und ein Äquatorgürtel könnten die Albedo erhöht und die Sonneneinstrahlung über Subtropen reduziert haben.

• Ausgedehnte Kontinentalmassen in den Tropen wären einer höheren chemischen Verwitterung ausgesetzt, was den CO2-Gehalt senkt.

• Eine schwächere Hadley-Zirkulation und ein reduzierter ozeanischer Wärmetransport könnten die Entstehung von Eisschilden begünstigt haben.

Was verursachte Snowball Earth? Vulkanische Aktivität

• Das Auseinanderbrechen von Rodinia (∼ 830 Ma) und damit verbundenes Rifting über ∼ 200 Magenerierten viel verwitterungslabile Vulkanite, die CO2 konsumierten.

• Massive Eruptionen basaltischer Lava (Flutbasalte), z.B. um 723 Main polaren Regionen (die damals am Äquator lagen), intensivierten die Silikatverwitterung. Basalt verwittert schnell und setzt Ca2+-Ionen frei.

Das Ende von Snowball Earth

• Anreicherung von CO₂ in den Ozeanen

• Atmosphärischer CO₂-Aufbau

• Treibhauseffekt

• Sublimation von Trockeneis

• "Hothouse Earth"

Das Ende von Snowball Earth: Anreicherung von CO₂ in den Ozeanen

Trotz geringen CO2-Verbrauchs durch Silikatverwitterung während einer Snowball Earth-Phase setzte sich die vulkanogene CO2-Emission fort. Dieses CO2 sammelte sich über Millionen von Jahren in den Ozeanen an.

Das Ende von Snowball Earth: Atmosphärischer CO₂-Aufbau

Plattentektonische Prozesse und vulkanische Aktivität setzten weiterhin CO2 frei. Da die Silikatverwitterung stark reduziert war (weniger flüssiges Wasser, trockene Bedingungen), konnte sich das atmosphärische CO2 wieder aufbauen.

Das Ende von Snowball Earth: Treibhauseffekt

Der erhöhte CO2-Gehalt in der Atmosphäre führte zu einem starken Treibhauseffekt, der das Eis schließlich schmelzen ließ

Das Ende von Snowball Earth: Sublimation von Trockeneis

Die permanente Deposition von CO2-Eis (Trockeneis) an den Polen konnte den pCO2 nicht dauerhaft unter dem Schwellenwert halten, der für die Überwindung der hohen Albedo notwendig ist. Trockeneis sublimiert im Sommer und kann keine dauerhafte Senke für CO2 darstellen

Das Ende von Snowball Earth: "Hothouse Earth"

Nach dem Ende einer Snowball Earth-Phase folgte oft eine Phase extrem hoher Temperaturen ("Hothouse Earth")

Konsequenzen einer Snowball Earth: Auswirkungen auf das Leben

Extrembedingungen: Eiszeiten stellen klimatische Extremsituationen dar, die nur wenige adaptierte Arten überleben konnten. Landvegetation, wichtig für Photosynthese und Nahrung, wurde stark beeinträchtigt.

Refugien: Im Phanerozoikum gab es Eiszeiten, die nicht die gesamte Erde betrafen und Refugien für Organismen boten. Eine komplette Eisbedeckung würde Leben eliminieren, es sei denn, es gäbe kleine Warmhabitate (z.B. an Hydrothermalquellen).

Evolutionärer Druck: Trotz der extremen Bedingungen fand die Evolution einen Weg, auch während Snowball Earth-Perioden.

Sauerstoffgeschichte und Photosynthese

UV-Strahlung und H₂O₂: Ein Mechanismus zur Sauerstoffbildung könnte die photochemische Erzeugung von Wasserstoffperoxid (H2 O2) durch UV-Strahlung auf Gletscheroberflächen gewesen sein.

Einfrieren und Freisetzung von O₂: H2 O2 gefriert zu Eis und setzt bei Kontakt mit Wasser freien Sauerstoff (O2) frei.

Ursprung der oxygenen Photosynthese: Dies könnte die Sauerstoff-Welt, wie wir sie heute kennen, eingeleitet haben. Snowball Earth-Ereignisse könnten die Grundlage für heutigen Lebensformen gelegt haben, indem sie die Umstellung von anaeroben zu oxidierenden Bedingungen förderten.

Biomarker: Die Untersuchung von Biomarkern (z.B. Sterane) deutet darauf hin, dass die oxygenen Photosynthese sich zeitnah zur Makganyene Snowball Earth-Periode ereignet haben könnte.

Kohlenstoff-Isotopen-Evolution

Große Exkursionen im 𝜹𝟏𝟑 C: Die 𝛿13C-Werte von marinen Karbonaten zeigen während des späten Proterozoikums und Kambriums große Schwankungen, die nie im Phanerozoikum erreicht wurden.

Ursachen: Diese Schwankungen sind auf den Aufbau und plötzlichen Austritt von CO2 aus submarinen hydrothermalen Quellen sowie auf schnelle Verwitterung zurückzuführen.

Cap-Carbonate und 𝜹𝟏𝟑C: Cap-Carbonate sind oft verarmt an 13C, was auf erhöhte Alkalinität und schnelle Karbonatfällung hinweist. Hohe 𝛿13C-Werte sind oft vor den Vereisungen zu finden, niedrige Werte danach

Zyklischer Prozess

Snowball Earth-Ereignisse sind ein zyklischer Prozess:

1. Eine ausgedehnte Kälteperiode führt zum Gefrieren der Ozeane.

2. Die erhöhte Reflektivität (Albedo) führt zu weiterer Abkühlung und endet in "Snowball Earth".

3. Der CO2-Kreislauf im Ozean stoppt; vulkanisch ausgestoßenes CO2 baut sich auf.

4. Ein starker Treibhauseffekt schmilzt das Eis und führt zu "Hothouse Earth".

5. Der CO2-Kreislauf setzt wieder ein, CO2 gelangt zurück in die Ozeane, und der Treibhauseffekt normalisiert sich.

Dynamische Modelle

Einige Theorien schlagen vor, dass die Glazialphasen eher fleckig und kürzer waren, während andere von langlebigen, globalen Vereisungen ausgehen. Vulkanische Asche kann die Erde weiter abkühlen und zur Eisverdickung beitragen.