Kirsi Rajala

 

Myöhäisen Neoproterotsooisen eonin kryogeenikaudella (850–635 Ma) ilmasto alkoi jäähtyä ja esiintyi useita laajoja jäätiköitymisiä. Lumipallomaateorian mukaan nämä jäätiköitymiset ulottuivat laajimmillaan jopa päiväntasaajalle asti ja peittivät koko maapallon. Maan keskilämpötila on saattanut laskea jopa -50 °C:een ja päiväntasaajan alueellakin keskilämpötila on saattanut olla -20 °C, mikä vastaa nykyistä Antarktiksen lämpötilaa. Kryogeenikauden ensimmäistä laajaa jäätiköitymistä 720 Ma sitten kutsutaan Sturtian jääkaudeksi. Toinen koko maapallon kattava Marinoan jääkausi ajoittuu 635 Ma sitten ja viimeisin suhteellisen lyhyt, eikä yhtä laajamittainen Gaskiersin jääkausi 580 Ma sitten.

Tarkkaa syytä, miten maapallon laajuiset jäätiköt muodostuivat, ei tiedetä. Maan lämpötilaa määrittää maahan sitoutuvan auringon lämpösäteilyn määrä. Auringon lämpösäteilyn takaisin heijastumista kuvataan yksiköllä albedo, joka on puhtaalla lumella ~0.9 ja vedellä ~0.1. Lumi heijastaa siis huomattavasti suuremman osan auringonsäteilystä takaisin avaruuteen kuin vesi, joka puolestaan absorboi tai sitoo lämpöä tehokkaasti. Mantereilla takaisinheijastuminen vaihtelee tällä välillä. Lämpösäteilyn takaisin heijastumiseen perustuvan mekanismin lumipallomaan synnylle esitti jo 1969 neuvostoliittolainen tiedemies Mikhail Budyko. Hän totesi, että lumija jääpeitteen siirtyessä navoilta kohti päiväntasaajaa, auringon säteilyä heijastui aina vain enemmän takaisin avaruuteen. Jäätiköiden ulottuessa yli 30 leveysasteen, jäätiköityminen jatkuisi positiivisen palautevaikutuksen vuoksi päiväntasaajalle asti. Budyko ei itse hyväksynyt teoriaa, koska hän ei nähnyt, miten niin laaja jääkausi voisi päättyä.

Merkittävä ilmastoa viilentänyt tekijä Kryogeenikaudella oli supermanner Rodinian hajoaminen, joka alkoi noin 780 Ma sitten. Lumipallomaan muodostumisen välttämättömänä edellytyksenä pidetäänkin mantereiden sijoittumista päiväntasaajan alueelle. Trooppiselle alueelle sijoittuneet mantereet heijastivat enemmän auringonvaloa takaisin avaruuteen kuin merivesi, jolloin vähemmän lämpöä jäi maanpinnalle. Toisaalta trooppisilla leveysvyöhykkeillä sataa runsaammin, mikä on jouduttanut maaperän eroosiota. Tämän seurauksena ilmakehän hiilidioksidia on sitoutunut maaperästä vapautuneiden mineraalien, kuten kalsiumin ja magnesiumin kanssa muodostaen karbonaatteja, jotka ovat sitoutuneet sedimentteihin. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on samalla laskenut, mikä on heikentänyt kasvihuoneilmiötä ja johtanut ilmaston viilenemiseen.

Mantereiden heijastaessa ison osan päiväntasaajalle tulevasta lämpösäteilystä pois, merivesi on jäähtynyt, mikä on heikentänyt merivirtoja. Päiväntasaajalta ei ole enää siirtynyt merivirtojen mukana lämpöä napa-alueille, jolloin napa-alueiden jäätiköt ovat alkaneet laajenemaan. Napa-alueiden laajenevat jäätiköt ovat heijastaneet entistä enemmän lämpösäteilyä pois maapallolta ja positiivisen palautevaikutuksen vuoksi jäätiköitymisen alettua on prosessi edennyt kohti päiväntasaajaa. Muita ilmastoa viilentäviä tekijöitä ovat olleet vapaan hapen ilmestyminen ilmakehään, mikä on hapettanut ilmakehässä olleen metaanin hiilidioksidiksi, joka on metaania heikompi kasvihuonekaasu. Aurinko oli Kryogeenikaudella myös 6–7 % nykyistä himmeämpi. Auringon säteilyn voimakkuus kasvaa noin 1 %/100 Ma.

Neoproterotsooisen kauden jäätikkökerrostumien yläosassa eli jääkauden loppuvaiheilta on kallioperästä löytynyt useita metrejä korkeita kalkkikivi- tai dolomiittikerrostumia, jotka erottuvat selvärajaisina alemmista kerrostumista. Niitä sijaitsee mm. Kanadan pohjoisosissa. Määrittämällä näistä karbonaattikerrostumista magneettivuo, on kyetty osoittamaan, että alueet ovat Kryogeenikaudella sijainneet trooppisella vyöhykkeellä. Näiden kerrostumien arvellaan muodostuneen siten, että ensin tulivuoritoiminta on nostanut lumipallomaan aikaisen ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta runsaasti. Tämän seurauksena veteen on liuennut runsaasti hiilidioksidia ja on muodostunut hiilihappoa, joka on haihtumisen jälkeen satanut maanpinnalle. Maanpinnan alueet, joilla on ollut silikaatti tai karbonaattipitoisia kiviä ovat kuluneet, milloin on vapautunut runsaasti kalsiumia, joka on kulkeutunut vesistöihin ja saostunut kalsiumkarbonaatteina yhtyessään hiilihapon kanssa meren pohjaan.

Toinen laajan jääkauden merkki ovat kerrostuneet rautamuodostumat, joissa kerroksittain vuorottelevat rautaoksidi ja piikivi. Nämä muodostumat ovat syntyneet, kun hapettomaan meriveteen liuennut rauta on saostunut rautaoksidina joutuessaan kontaktiin yhteyttämisessä muodostuneen hapen kanssa. Saostunut rautaoksidi on vajonnut merenpohjaan muodostaen rautakerrostuman. Nykyisessä ilmakehässä on 21 % happea, joten rautaa ei liukene tarpeeksi veteen, minkä vuoksi vastaavia rautamuodostumia ei voi enää syntyä. Meressä on voinut olla hapettomat olosuhteet, jos se on ollut paksun jääkerroksen peitossa, jolloin auringonvaloa ei ole tunkeutunut jään läpi ja yhteyttäminen ei ole ollut mahdollista. Toisaalta on esitetty, että rautamuodostumat ovat voineet syntyä sisämerissä tai järvissä, jolloin koko planeetan ei tarvinnut olla jään peitossa.

Mekanismin lumipallomaavaiheen päättymiselle ja myös käsitteen ”lumipallomaa” esitteli 1992 Joseph Kirschvink. Esimerkiksi Sturtian jääkausi sijoittuu ajallisesti samaan aikaan kuin laajat basalttilaakiot, jotka löytyvät nykyään Alaskan ja Kanadan koillisosan välistä. Jääkauden päättymisen yhteydessä tulivuoritoiminnan seurauksena ilmakehään on vapautunut runsaasti hiilidioksidia, joka on kasvihuonekaasu. Normaalioloissa ilmakehän hiilidioksidi on tasapainossa valtameriin sitoutuneen hiilidioksidin kanssa. Koska lumipallomaan pinta on ollut lumen ja jään peitossa, eivät ilmakehän ja meriveden hiilidioksidi ole voineet muodostaa tasapainoa. Hiilidioksidi ei ole voinut myöskään reagoida maanperästä rapautuvien mineraalien kanssa ja sedimentoitua merten pohjalle. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut vähitellen yhä korkeammaksi, minkä seurauksena on muodostunut voimakas kasvihuoneilmiö, joka on vähitellen johtanut lumipallomaan sulamiseen.

Kryogeenikauden jäätiköitymisten sarjan päättymiseen on vaikuttanut mannerten siirtyminen pois päiväntasaajan läheisyydestä. Auringonsäteily on myös hitaasti voimistunut. Lumipalomaan muodostumista uudelleen tulevaisuudessa pidetään hyvin epätodennäköisenä, koska aurinko on nykyään kirkkaampi kuin Kryogeenikaudella. Eliökunta on myös kehittynyt, mikä tuottaa runsaasti hiilidioksidia ilmakehään.

Ennen laajoja jääkausia oli kehittynyt jo kaikki eukaryoottien eli aitotumallisten eliöiden pääryhmät eläimiä lukuun ottamatta. Onkin esitetty, että maapallolla on pitänyt olla ainakin paikallisia sulia paikkoja, jotta fotosynteesi eli yhteyttäminen on voinut jatkua ja eliökunta säilyä jääkauden yli. Toisaalta fotosynteesiä voi esiintyä jopa 100 metrin syvyydellä jään alla, jos edes hieman valoa pääsee kulkeutumaan jään läpi. Paikkoja joissa elämä on voinut säilyä lumipallomaavaiheen yli, ovat esimerkiksi merenpohjan mustien savuttajien ympä- ristöt. Eliöt ovat myös voineet säilyä univaiheessa olevina soluina tai siemeninä, jotka ovat olleet syväjäässä jäätikön sisällä. Maapallolla on myös geotermisia kuumia pisteitä, joissa on voinut olla kapealla alueella sulaa vettä. Toisaalta äärimmäiset olosuhteet ja sen aiheuttama stressi eliökunnalle ovat voineet edistää elämän monimuotoistumista jääkauden jälkeen. Laaja jää- tiköityminen on aiheuttanut evolutiivisen pullonkaulan, joka on luonut selvinneille lajeille mahdollisuuden levittäytyä vapautuneisiin ekologisiin lokeroihin jääkauden päätyttyä.

Laajoja jäätiköitymisiä seurasivat Ediakarakausi ja Kambrikauden eliökunnan rä- jähdys, milloin eliökunta monimuotoistui huimaavaa vauhtia. Yhden hypoteesin mukaan laajamittaisten jääkausien ketjun päättymisessä on voinut olla osatekijänä eliökunnan kehittyminen. Tehokkaiden hajottajien toiminta alkoi vapauttaa kuolleeseen eloperäiseen ainekseen sitoutunutta hiiltä ilmakehään hiilidioksidina, mikä voimisti vähitellen kasvihuoneilmiötä. Hiilidioksidipitoisuuden nousu tehosti fotosynteettisten kasvien evoluutiota, koska hiilidioksidi on yhteyttämiselle välttämä- töntä. Mereen ilmestyi myös uusia trofiatasoja eläinplanktonin kehittymisen myötä ja tämä eläinplankton vapautti osan levien sitomasta hiilestä hengityksen kautta ennen kuin se ehti sitoutua sedimentteihin.