Země jako ledová koule

Před stovkami milionů let byla na Zemi jen obrovská bílá pustina. Od pólů až k rovníku se po kontinentech plazily gigantické ledovce kilometrové mocnosti. Globální teplota povrchu Země se po miliony let pohybovala hluboko pod bodem mrazu.

Ve světle takového kataklyzmatu se kvartérní doby ledové jeví jen jako přechodná mírná ochlazení. Zmíněná představa nám může připadat nepravděpodobná, nicméně nacházíme stále další indicie svědčící o tom, že pevnina byla skutečně pokryta ledem i na rovníku. Otázkou zůstává míra zalednění oceánů a důsledky této katastrofy pro život na Zemi.

S myšlenkou, že Země byla kdysi postižena výrazným zaledněním, si vědci začali pohrávat v roce 1960. Různě po světě nalézali ledovcové uloženiny zhruba 700 milionů let staré, z neoproterozoické éry, kdy na Zemi žily pouze jednobuněčné organizmy. Když britský geolog Brian Harland zkoumal vzorky těchto uloženin, zjistil, že podle záznamu magnetického pole pocházejí i z míst, která tenkrát ležela v blízkosti rovníku. Nemohl však vyloučit možnost, že se magnetické pole v jeho vzorcích změnilo až během mladších období.

V téže době sovětský klimatolog M. I. Budyko dospěl při modelování ledových dob k závěru, že jakmile se led a sníh rozšíří do určité kritické vzdálenosti od pólů, dá se do pohybu nevratný proces, jehož výsledkem je planeta pokrytá ledem. Jak je to možné? Čím větší je rozloha sněhu a ledu, tím více slunečního tepla je odraženo zpět do vesmíru (a tím chladnější je klima). Když se oblasti pokryté ledem rozšíří blíže než na nějakých 30° k rovníku, začne tento jev výrazně nabývat na síle, protože území v nízkých zeměpisných šířkách odrazí mnohem více přímého slunečního záření než stejné území blíže k pólu. Celá planeta se pak pokryje ledem během několika tisíciletí.

Další vědci však v této teorii našli trhlinu. Kdyby bývala Země zmrzla úplně, nemohla nikdy roztát, protože led a sníh by odrážely veškeré teplo. Země ale zmrzlá není, a proto nikdy úplně zmrzlá nebyla Teorie globálního zalednění byla opuštěna tak rychle, jak rychle přišla na svět.

V roce 1986 se u australského Adelaide našly vzorky ledovcových uloženin, jejichž magnetický záznam ukazoval na vznik v nízké zeměpisné šířce, a přitom prokazatelně pocházel z doby jejich vzniku, což potvrdil specialista na paleomagnetizmus Joe Kirschvink. To by znamenalo, že Země skutečně byla pokryta ledem i v rovníkových oblastech. Jak potom ale mohla rozmrznout? Kirschvink hledal vysvětlení v oxidu uhličitém, který se dostává do atmosféry v důsledku sopečné činnosti. Z atmosféry je CO₂ odnášen srážkami, rozpuštěný ve vodě se účastní zvětrávacích pochodů, a nakonec se ve formě karbonátů ukládá v moři (viz Globální cyklus uhlíku, tabulka a citace článků o CO₂ z let 1993-2000 v tomtéž čísle, Vesmír 80, 153, 2001/3). Jenže při globálním zalednění byly kontinenty pokryté ledem a neexistovaly vodní toky, které by odkrývaly nové a nové horniny podléhávající zvětrávání. CO₂ uvolňovaný z vulkánů proto neskončil jako karbonát na dně moří, ale hromadil se v atmosféře, až nakonec vyvolal skleníkový efekt.

Významný důkaz pro globální zalednění nalezl harvardský geolog Paul Hoffman v Namibii. Zjistil, že během neoproterozoického zalednění v uloženinách kleslo zastoupení izotopu ¹³C na úkor ¹²C, a na konci zalednění dosáhl jejich poměr hodnoty odpovídající zemskému plášti. Tuto skutečnost lze těžko vysvětlit jinak než tehdejším velmi nízkým zastoupením fotosyntetizujících organizmů. Tyto organizmy narušují izotopový poměr, protože při fotosyntéze dávají mírně přednost CO₂ obsahujícímu izotop ¹²C před CO₂ obsahujícím ¹³C. Při intenzivní fotosyntéze je mořská voda (a tedy i karbonáty usazující se na dně) obohacena izotopem ¹³C. Během globálního zalednění fotosyntetizující organizmy téměř vyhynuly, čímž lze dobře vysvětlit příklon k původním hodnotám, obvyklým pro doby před existencí fotosyntetizujících organizmů.

Jiní vědci spočetli, že k tomu, aby Země zcela pokrytá ledem roztála, by byla potřeba koncentrace CO₂ 350krát vyšší než ta dnešní. Takové množství CO₂ by ale vulkanickou činností vznikalo miliony let. Hoffmanův kolega D. Schrang přemýšlel, jak by se takový superskleníkový efekt projevoval, a došel k závěru, že vzhledem k přítomnosti vodních par a CO₂ by mohly teploty vzduchu dosáhnout 40 až 50 °C. Během několika století by se klima změnilo z mrazivého do nejteplejšího, objevily by se přívaly kyselých dešťů a obrovské hurikány. V teplém klimatu by se začaly srážet karbonáty A právě skutečnost, že jsou neoproterozoické glaciální uloženiny v mnoha oblastech pokryty vrstvou karbonátů, považuje Schrang za jeden z hlavních argumentů pro teorii globálního zalednění. V roce 1998 ji v Science uveřejnili P. Hoffman a D. Schrang. Po měsíce se stránky prestižních časopisů Nature i Science plnily jak kritickými, tak souhlasnými odezvami. Mnoho vědců zůstalo nepřesvědčeno.

Podle Hoffmana teorie globálního zalednění řeší řadu nevysvětlených záhad. Dob globálního zalednění bylo podle něho víc dvě, nebo dokonce čtyři. Přestože život začal již před 3,5 miliardy let, setrvával ve formě jednobuněčných bakterií a řas, a teprve po posledním globálním zalednění se objevila ediakarská fauna (viz Vesmír 76, 16, 1997/1; Vesmír 78, 236, 1999/4), první mnohobuněčné organizmy, a potom kambrická evoluční exploze a vznik kmenů existujících dodnes. Proč nastal náhlý rozkvět života právě v této době? Hoffman a Schrang věří, že příčinou bylo právě globální zalednění, jemuž v konečném důsledku vděčí za svou existenci i člověk.

Jak takové globální zalednění vznikne a proč jich v historii Země nebylo mnohem víc? Podle D. Schranga to není tak snadné, jak to vysvětloval M. I. Budyko. Když se polární čepičky začnou rozšiřovat, tak se nejen více odráží sluneční teplo, ale zároveň ledový pokryv znemožňuje zvětrávací procesy. CO₂ potom není poután v karbonátech a jako skleníkový plyn zvyšuje teplotu, tj. brání dalšímu ochlazování. Lavinová reakce vedoucí ke globálnímu zalednění vznikne jedině tehdy, když jsou kontinenty blízko rovníku a ledové čepičky se rozšiřují v oceánu; potom je CO₂ i při značném pokrytí planety ledem pohlcován během erozních procesů na kontinentech u rovníku.

Někteří vědci se domnívají, že globální zalednění v podání Hoffmana a Schranga je příliš extrémní. V oceánu pokrytém kilometr mocnou vrstvou ledu by nastaly anoxické podmínky a většina organizmů by vyhynula. W. Hyde proto vytvořil model simulující chování klimatu za globálního zalednění. Ukázalo se, že i při pokrytí kontinentů ledovci v rovníkových oblastech může existovat rovníkový oceán bez ledu.