¿ Se heló alguna vez toda la Tierra ?
Durante el eón Arqueozoico, la alta concentración
de gases invernadero, que calentaban las capas bajas de la atmósfera,
mantuvo la Tierra deshelada, a pesar de que la luminosidad
del Sol era bastante más baja aún que la presente (Kaufman
& Xiao, 2003). Pero con la paulatina reducción de los gases
invernadero se abrió la posibilidad, en el Proterozoico, de que
se produjesen glaciaciones.
glaciación huroniana
Las primera evidencias que tenemos de glaciaciones en los continentes
primitivos datan del período huroniano, en la transición
del Arqueozoico al Proterozoico, entre hace unos 2.700 Ma (millones de
años) y 2.300 Ma (Hyde, 2000). Para algunos, esta glaciación
—o glaciaciones, pues al parecer hubo al menos tres fases muy frías—,
fue tremenda. Afectó a gran parte de la Tierra y se habría
debido al efecto depredador del oxígeno —creado por las cianobacterias—
sobre el metano, que por su alta concentración habría sido
hasta entonces el principal gas invernadero. Según Kasting (Kasting,
2005) la concentración de metano en la atmósfera hace 2.300
Ma pudo ser 1.000 veces superior a la actual.
Hay señales geológicas de la glaciación huroniana especialmente en estratos rocosos de la región del Lago Hurón, en Canadá, y también en Sudáfrica. De aquella época se han encontrado tillitas, rocas sedimentarias que agrupan materiales de tamaño muy diferente y que proceden de la cementación de antiguas morrenas glaciales. También han aparecido en estratos geológicos huronianos superficies con estrías, provocadas por la abrasión de la enorme masa de hielo que se movía por encima.
Tras las glaciaciones huronianas el clima pasó de nuevo a ser muy cálido, sin que se sepa aún cómo explicar la razón del cambio. Por encima de los estratos glaciales canadienses aparecen algunos tipos de roca, como la caolinita, que se forman en ambientes tropicales. Y durante un largo intervalo de casi mil quinientos millones de años, es decir, durante casi todo el eón Proterozoico, no se encuentran indicios de más glaciaciones.
glaciaciones neoproterozoicas
Pero al final del Proterozoico (Neoproterozoico), en rocas datadas entre
hace unos 750 y 580 Ma, se observan señales de nuevas glaciaciones.
Y no fueron unas glaciaciones normales, sino probablemente las más
intensas que ha habido nunca. Estas glaciaciones fueron probablemente
varias y duraron varios millones de años cada una (Bodiselitsch,
2005). Hubo probalemente tres episodios glaciales importantes: Sturtiense,
hace unos 710 Ma; Marinoense, hace unos 635 Ma y Varangiense, hace unos
600 Ma. Existen pruebas geológicas de que afectaron a todos los
continentes, de tal forma que las regiones heladas se extendieron hasta
latitudes tropicales. Lo que está aún en debate es si durante
su transcurso la superficie del mar se heló por completo, o casi
por completo.
Durante estas glaciaciones del Neoproterozoico el planeta casi dejó de ser apto para la vida. En muchas series sedimentarias de localidades situadas entonces en los trópicos aparecen estratos con depósitos glaciales correspondientes a una fase tan fría que hace pensar que cesó la actividad biológica marina.
Los análisis muestran que el carbono de esos estratos glaciales es muy pobre en carbono-13, lo que indica falta de actividad biológica marina. Ocurre que los organismos fotosínteticos oceánicos prefieren absorber menos carbono-13 (y más carbono-12), por lo que, cuando la vida es prolífica, suelen hacer que en el agua sea alta la concentración isotópica del carbono-13, y consecuentemente que suba también la concentración de ese isótopo en los carbonatos inorgánicos precipitados, que se forman a partir del carbono disuelto en el océano. Por eso, la concentración baja de carbono-13 en los sedimentos carbonatados de las última fases de las glaciaciones neoproterozoicas indican que la actividad fotosintética marina fue entonces mínima.
Los geólogos Paul Hoffman y Daniel Schrag en Namibia se apoyan
en una capa de sedimentos glaciales entre los que se observa una gran
roca suelta que cayó al fondo del mar tras ser acarreada hasta
allí por icebergs a la deriva en la fase glacial. El estrato está
culminado por una capa de carbonatos sedimentados tras la glaciación
(cap carbonates).
http://www-eps.harvard.edu/people/faculty/hoffman/snowball_paper.html
Otra segunda huella de las glaciaciones del Neoproterozoico son las formaciones
masivas de minerales de hierro que aparecen en los estratos geológicos
de aquella época. Estas formaciones se presentan en forma de arcillas
ferruginosas bandeadas, en las que se superponen capas grises de sílex
y otras de material rojo, rico en hierro.
Formación de hierro en bandas con una roca suelta transportada por icebergs("dropstone") incrustada entre ellas en Mackenzie Mtns, Canada.
http://www-eps.harvard.edu/people/faculty/hoffman/snowball_paper.html
La alternancia entre sedimentos sin hierro y con hierro tendría
la siguiente explicación. Durante las glaciaciones, las aguas profundas
de los océanos, cubiertas y separadas del aire por una capa de
hielo de varios kilómetros de espesor, no se ventilaban, y la respiración
biológica de los organismos que habitaban en ellas agotaba el oxígeno
disuelto en el agua. De esta forma, el hierro, que emanaba de las fuentes
termales del fondo del mar, se iba disolviendo en el agua marina, sin
oxidarse ni precipitar. De ahí el color gris de los sedimentos
depositados durante las glaciaciones. Por el contrario, durante las desglaciaciones,
el deshielo de la superficie permitía de nuevo la ventilación
del agua. Entonces, el hierro disuelto que se había ido concentrando
en el agua se oxidaba y precipitaba masivamente en capas de arcillas ferruginosas
rojas, que sucedían a los sedimentos grises anteriores.
Grandes depósitos de dióxido de manganeso como los que hoy se explotan en el Kalahari probablemente se formaron de la misma manera, por una oxidación brusca de los iones de manganeso que habían permanecido disueltos en el agua marina (Kirschvink, 2002).
incógnitas
La teoría más extrema (snowball Earth) es que fueron glaciaciones
globales o casi globales, en las que la Tierra llegó a convertirse
en una gran “bola de nieve”. Según esta teoría
todos los mares, o casi, estuvieron cubiertos por una banquisa helada
con espesores de hasta mil metros.
Pero una incógnita aún no dilucidada es cómo, a pesar del frío, los animales multicelulares, que ya habían aparecido en los océanos anteriormente, lograron sobrevivir. Quizás no se congelaba toda el agua sino solamente una fina capa superficial, que permitía la penetración de la luz solar y la continuación de la vida fotosintética bajo ella. El hielo superficial aislaría térmicamente el agua subyacente que de esta forma se habría mantenido siempre en estado líquido, sin llegar a congelarse. Además, la actividad hidrotermal en los fondos marinos seguiría funcionando, aún en los tiempos más fríos, ayudando a conservar el calor de las aguas profundas (McKay, 2000).
Otra teoría, menos radical, es que quizás las glaciaciones no fueron del todo globales y que quedaba un cordón ecuatorial oceánico sin congelar, que sirvió de refugio en los tiempos más duros a los animales multicelulares.
causas: disminución del metano y del CO2
Existen varias teorías sobre las causas de estas glaciaciones del
Neoproterozoico, aunque la explicación de aquellos profundos cambios
climáticos permanece aún bastante oscura (Jenkins, 1999).
La explicación más tenida en cuenta por los geólogos es la disminución brusca de los gases invernadero y especialmente del metano, destruído por el oxígeno. Este oxígeno provendría de una fuerte crecida de la actividad fotosintética del plancton, favorecida por un aporte de nutrientes, como el fósforo, desde las profundidades marinas. El oleaje y las corrientes que causaban los grandes deshielos removían los fondos y devolvían al agua superficial y al ciclo fotosintético los nutrientes que se habían depositado allí abajo durante millones de años.
La reflexión de la luz por parte del hielo que se iba formando, y la consecuente pérdida de energía solar absorbida, fue realimentando el enfriamiento hasta hacerlo catastrófico. La falta de una concentración suficiente de gases invernadero que retuviera el calor en las capas bajas de la atmósfera, y una luminosidad del Sol que entonces, hace unos 700 Ma, era todavía más tenue que la actual —un 6 % menor aproximadamente— explicarían estas enormes glaciaciones.
Aparte de la posible explicación de la pérdida brusca de metano por oxidación, de la que hemos hablado, otra de las causas pudo ser la pérdida de CO2. ¿Por qué disminuiría el CO2? Antes de este período glacial, hace unos 1.000 Ma, probablemente existía un gran supercontinente, al que se ha llamado Rodinia. Cuando Rodinia comenzó a fragmentarse en placas, subió el nivel de los mares y comenzaron a aumentar las extensiones costeras recubiertas de agua. Estas nuevas regiones marinas de aguas someras —abundantes en nutrientes y muy fértiles en plancton— funcionaron como sumideros del CO2 atmosférico, debido a la actividad biológica intensa que allí se desarrolla.
Además, la actividad tectónica estuvo acompañada de la creación de nuevas cordilleras, con mayores precipitaciones en los bordes continentales, lo que ocasionó un aumento de la erosión y de la meteorización de los silicatos. Este proceso químico es uno de los principales factores de disminución de CO2 atmósferico en su ciclo geológico (Donnadieu, 2004). Una vez comenzado el enfriamiento se ralentizó el ciclo hidrológico, con lo que la evaporación se atenuó y disminuyó en la atmósfera otro importante gas invernadero: el vapor de agua.
¿mayor oblicuidad del eje terrestre?
Otra hipótesis más atrevida es la de que las regiones tropicales
se congelaron debido a un cambio drástico en la oblicuidad del
eje terrestre (Williams, 1998). Fuertes variaciones de la inclinación
del eje pudieron modificar el reparto latitudinal de la radiación
solar entrante, haciendo disminuir drásticamente el calor recibido
en los Trópicos (en la actualidad la inclinación del eje
de rotación de la tierra es de 23,5 grados, pero si en algún
período de su historia hubiese sido superior a 54 grados, la insolación
anual en el Ecuador habría sido entonces menor que en los Polos).
Esta basculación pudo ser debida a rápidos movimientos en
la deriva de los continentes, o al choque de un asteroide de grandes dimensiones.
Posteriormente la inercia rotacional de las masas de magma del manto profundo
devolvería a la Tierra a una posición de giro de nuevo más
cercana a la actual. El fallo de esta teoría es que también
los polos se congelaron de forma permanente, pero de ser cierta esa basculación
del eje, la fuerte intensidad de la radiación solar en las latitudes
altas durante el verano, no lo hubiese permitido.
... o suciedad espacial.
Una teoría astronómica más general, aplicable a las
glaciaciones del Neoproterozoico, es la de que, en escalas temporales
muy largas hayan existido fuertes variaciones en la energía solar
que llega a la atmósfera terrestre, debido a cambios en la transparencia
del espacio que separa la Tierra del Sol. Estos cambios serían
debidos a que en el transcurso de su trayectoria alrededor del núcleo
galáctico, de 250 millones de años de duración, el
Sistema Solar atraviesa zonas sucias de polvo cósmico que producen
una cierta opacidad en la transmisión de la luz entre el Sol y
la Tierra. Se ha calculado que el flujo solar que llega a la Tierra podría
disminuir hasta casi 10 W/m2 durante períodos de hasta 200.000
años, lo cual habría provocado en el pasado estas enormes
glaciaciones (Pavlov, 2005).
Es posible también que en el transcurso de esta larga trayectoria
la entrada en el sistema solar de rayos cósmicos procedentes de
la galaxia fuese variando y que afectase en consecuencia al viento solar
y a la cobertura nubosa de la Tierra.
¿cómo acabaron?
¿Cómo acabaron las gigantescas glaciaciones del Neoproterozoico?
Difícil saberlo. Es probable que la concentración de CO2
aumentase en algún momento brusca y espectacularmente. Según
esta teoría, debido a una abrupta y gigantesca actividad volcánica,
continental y submarina, los niveles de CO2 se dispararon en poco tiempo
y alcanzaron una concentración de 120.000 ppm (ppm: partes por
millón), es decir, 350 veces la concentración actual, provocando
un efecto invernadero de tal calibre que fue suficiente para descongelar
la superficie de los mares. A la vez, hubo fuertes deposiciones de carbonatos,
provenientes de este CO2 , en los fondos de los océanos, que aparecen
en la capa superior de los estratos glaciales (cap carbonates). Por otra
parte, estos estratos sedimentarios de carbonatos muestran unas estructuras
y unas formas (ripple marks) que indican que se formaron en un
régimen de fuerte oleaje y de fuertes vientos, causados probablemente
por los contrastes térmicos entre las zonas desheladas y las que
aún no lo estaban (Allen & Hoffman, 2005).
Pero para otros investigadores (Jacobsen, 2001), el causante del brusco
recalentamiento no fue el CO2 volcánico sino el metano, CH4, escapado
al descongelarse el subsuelo oceánico costero y continental, tras
ocurrir una transgresión marina que inició el proceso. Así,
la ratio elevada de carbono-12 y el descenso en el contenido de carbono-13,
que, según algunas nuevas dataciones de los sedimentos, se produce
no en la glaciación sino en los carbonatos sedimentados en la desglaciación
(cap carbonates), se debería al aumento brusco de metano, que,
por su origen biológico, tiene esas características isotópicas
(pobre en carbono-13).
Escape de
metano del subsuelo marino en zonas polares. Tras permanecer encerrado
en celdillas de hielo (clatratos), el calentamiento de las aguas o los
derrumbes del fondo marino costero lo liberan al agua y a la atmósfera.
Estos escapes han podido ser enormes en algunos períodos del pasado.
Según esta teoría es posible que un aumento inicial de la
temperatura de las aguas costeras desestabilizase bolsas de metano, atrapado
en cristales de hielo, del subsuelo marino. Estos depósitos consisten
en gas metano que queda enclaustrado entre los cristales de agua que se
congela en los poros de los primeros metros de los sedimentos submarinos,
debido a la presión y las bajas temperaturas. También se
encuentran hidratos de metano en el permafrost, o suelos congelados, de
regiones continentales de latitudes altas, pero en menores cantidades.
El metano proviene de la descomposición bacteriana, metanogénica,
de la materia orgánica que va cayendo al suelo del fondo marino.
En los fondos anóxicos (mal ventilados) de los mares costeros de
alta productividad biológica se produce más metano. Normalmente
las burbujas del gas así formado suben y se escapan a la atmósfera,
pero cuando la temperatura del agua es muy baja (1º o 2ºC), parte del
metano puede quedar atrapado en el agua congelada, que a su vez rellena
los espacios porosos del subsuelo marino. El metano de estos depósitos
se habría liberado tras una subida inicial de la temperatura del
agua y, al ser un potente gas invernadero, habría amplificado a
su vez el calentamiento, hasta crear unas condiciones climáticas
catastróficas.
referencias:
Allen P. & Hoffman
P., 2005, Extreme winds and waves in the aftermath of a Neoproterozoic
glaciation, Nature, 433, 123-127
Bodiselitsch B. et al., 2005, Estimating duration and
intensity of Neoproterozoic snowball glaciations from Ir anomalies, Science,
308, 239-242
Donnadieu Y. et al., 2004, “A ‘snowball Earth’
climate triggered by continental break-up through changes in runoff”,
Nature, 428, 303-306
Hoffman P & D. Schrag, 1999, The
Snowball Earth, http://www-eps.harvard.edu/people/faculty/hoffman/snowball_paper.html
Kasting J., 2005, Methane greenhouses and antigreenhouses
on the early Earth, Earth System Processes, Calgary 2-8 August
2005
Kaufman A., 2003, High CO2 levels in the Proterozoic
atmosphere estimated from analyses of individual microfossils, Nature,
425, 279-282
Kirschvink J., 2002, Quand tous les
océans étaient gelés, La Recherche, 355,
26-30.
Hyde W. et al., 2000, Neoproterozoic 'snowball Earth'
simulations with a coupled climate/ice-sheet model, Nature, 405, 425-428
Jacobsen S., 2001, Gas hydrates and deglaciations, Nature,
412, 691
Jenkins G.S. et al. 1999, GCM simulations of snowball
Earth conditions during the late Proterozoic, Geophysical Research Letters,
26, 15, 2263-2266
McKay C., 2000, Thickness of tropical ice and photosynhesis
on a snowball Earth, Geophysical Research Letters, 27, 2153-2156
Pavlov A. et al., 2005, Passing through a giant molecular
cloud: “Snowball” glaciations produced by interstellar dust,
Geophysical Research Letters, 32, L03705
Williams D.M. et al. 1998, Low latitude glaciation and
rapid changes in the earth's obliquity explained by obliquity-oblateness
feedback, Nature, 396, 453-455