スノーボールアース

スノーボール・アースは、地球の氷室気候の1つ以上の間に、地球の表面がほぼ完全に凍結し、大気にさらされた海洋水や地表水がなくなったという地理歴史学上の仮説です。このような地球規模の氷河期として最も学術的に言及されている時期は、少なくとも2つの大きな氷河期、スターティアン氷河期とマリノア氷河期を含むクライオジェニアン期の6億5千万年前より前の時期に発生したと考えられています。

この仮説の支持者は、熱帯の古緯度における氷河起源と一般に信じられている堆積物や、地質学的記録におけるその他の謎めいた特徴を最もよく説明するのは、この仮説である と主張する。この仮説の反対者は、地球規模の氷河作用の地質学的証拠や、氷または泥水で覆われた海洋の地球物理学的実現可能性に異議を唱え、 ^{[3] [4]全面凍結状態からの脱出の難しさを強調する。地球が完全な「}スノーボール」だったのか、それとも赤道上に薄い水が開いた（または季節的に開いた）帯を持つ「スラッシュボール」だったのかなど、未解決の疑問がいくつか残っている。スノーボールアースのエピソードは、アバロン爆発やカンブリア爆発として知られる多細胞生物の突然の放出の前に起こったと提案されており、最も最近のスノーボールエピソードは多細胞性の進化を引き起こした可能性がある。

地球規模の氷河作用という考えが初めて提唱されるずっと前から、古代先カンブリア時代の氷河作用の証拠を蓄積する一連の発見がありました。これらの発見の最初のものは、スコットランドのアイラ島で古代の氷河によって再加工された物質 (ティライト)を発見した J. トムソンによって 1871 年に発表されました。^[5]同様の発見がオーストラリア (1884 年) とインド (1887 年) でも続きました。4 つ目の非常にわかりやすい発見は「ロイシュのモレーン」として知られるようになり、1891 年にノルウェー北部でハンス ロイシュによって報告されました。その後、他の多くの発見がありましたが、それらの理解は (当時)大陸移動説が否定されていたために妨げられました。^[6]

オーストラリアの地質学者で南極探検家のダグラス・モーソンは、南オーストラリア州の新原生代の地層学の研究にキャリアの多くを費やし、そこで厚く広範囲に及ぶ氷河堆積物を特定した。その結果、彼はキャリアの後半に地球規模の氷河作用の可能性について推測した。^[7]

しかし、モーソンの地球規模の氷河作用に関する考えは、オーストラリアや低緯度氷河堆積物が見つかる他の大陸の地理的位置が、時代を超えて一定のままであるという誤った仮定に基づいていました。^[要出典]大陸移動説、そして最終的にはプレートテクトニクス理論の発展により、氷河堆積物に対するより簡単な説明が生まれました。つまり、氷河堆積物は大陸が高緯度にあった時代に堆積したのです。

1964年、W・ブライアン・ハーランドが古地磁気データを提示した論文を発表し、地球規模の氷河作用の考えが再び浮上した。その論文では、スヴァールバル諸島とグリーンランドの氷河堆積岩が熱帯の緯度で堆積したことを示唆している。 ^{[8]このデータと、氷河堆積物が}熱帯から温帯の緯度によく見られる岩石の連続を中断しているという堆積学的証拠から、ハーランドは、極端に氷河期が起こったために海洋氷河岩が熱帯に堆積したと主張した。

1960年代、ソ連の気候学者ミハイル・ブディコは、氷床が地球の気候に与える影響を調査するため、単純なエネルギーバランス気候モデルを開発した。このモデルを使用して、ブディコは、氷床が極地から十分離れた場所まで進むと、フィードバックループが発生し、氷の反射率（アルベド）の増加によってさらに冷却と氷の形成が進み、地球全体が氷で覆われて新しい氷に覆われた平衡状態で安定することを発見した。^[9]ブディコのモデルは、この氷とアルベドの安定が起こり得ることを示したが、彼のモデルではそのようなフィードバックループから逃れる方法は提供されていないため、実際には決して起こっていないと結論付けた。

1971年、アメリカの物理学者アロン・フェイグルは、同様のエネルギーバランスモデルが3つの安定した地球の気候を予測し、その1つがスノーボールアースであることを示した。^[10]このモデルはエドワード・ノートン・ローレンツの非推移性の概念を導入し、スノーボールアースを含む、ある気候から別の気候への大きな変化が起こる可能性があることを示した。

「スノーボールアース」という用語は、 1992年にジョセフ・キルシュヴィンクが原生代生物学に関する長編論文の中で発表した短い論文の中で造られた。^{[11]この研究の主な貢献は、(1)}縞状鉄鉱層の存在がこのような地球規模の氷河期と一致しているという認識、および(2)完全に氷で覆われた地球から脱出するメカニズムの導入、具体的には、火山からのガス放出によるCO2_の蓄積が超温室効果につながるというものである。

フランクリン・ヴァン・ホーテンは、湖の水位が上昇したり下降したりする一貫した地質学的パターンを発見し、現在では「ヴァン・ホーテン・サイクル」として知られています。彼は堆積岩中のリン鉱床と縞状鉄鉱層を研究し、地球の表面が6億5千万年以上前に凍結したとするスノーボール・アース仮説の初期の支持者となりました。^[12]

ポール・F・ホフマンと彼の同僚がキルシュヴィンクの考えをナミビアの新原生代堆積岩に適用し、キャップ炭酸塩の発生などの観察を組み込んで1998年にサイエンス誌で仮説を詳しく説明した後、スノーボールアースの概念への関心は劇的に高まりました。^[13]

2010年、ハーバード大学地球惑星科学科の助教授フランシス・A・マクドナルドらは、クライオジェニアン期にロディニアが赤道緯度にあり、氷河氷が海面かそれ以下であったこと、またそれに関連するスターティアン氷河期が地球規模であったことを示す証拠を報告した。^[14]

スノーボールアース仮説は、もともと熱帯の緯度に氷河が存在するという地質学的証拠を説明するために考案されました。^[15]モデル化によると、氷河が赤道から25° ^[16]から30° ^{[17]以内に広がると、}氷とアルベドのフィードバックにより氷河の氷は急速に赤道に向かって進むことになります。したがって、熱帯地方に氷河堆積物が存在することは、地球全体が氷で覆われていることを示唆しています。

したがって、理論の妥当性を評価する上で重要なのは、氷が熱帯地方に到達したという信念をもたらした証拠の信頼性と重要性を理解することです。この証拠は、次の 3 つのことを証明する必要があります。

1. 地層には氷河活動によってのみ形成された可能性のある堆積構造が含まれていること。
2. 堆積当時、その地層は熱帯地方にあった。
3. 氷河は同時に世界中のさまざまな場所で活動しており、同じ時代の他の堆積物は存在しない。

この最後の点は証明するのが非常に難しい。エディアカラ紀以前には、岩石を相関させるために通常使用される生層序マーカーが存在しなかったため、地球上のさまざまな場所の岩石が同時に堆積したことを証明する方法がない。できる最善のことは、放射測定法を使用して岩石の年代を推定することだが、その精度は100万年程度を超えることはめったにない。^[18]

最初の2点は、ケースバイケースでしばしば論争の的となる。多くの氷河地形は氷河以外の手段によっても形成される可能性があり、2億年前の陸地のおおよその緯度を推定することさえ困難を伴うことがある。^[19]

スノーボールアース仮説は、当時赤道付近の氷河堆積物と考えられていたものを説明するために最初に提唱されました。地殻プレートは時間の経過とともにゆっくりと移動するため、地球の長い歴史の特定の時点での位置を突き止めるのは容易ではありません。認識可能な陸地がどのように組み合わさっていたかを考慮することに加えて、岩石が堆積した緯度は古地磁気学によって制限される可能性があります。

堆積岩が形成されると、その中の磁性鉱物は地球の磁場と揃う傾向がある。この古地磁気を正確に測定することで、岩石マトリックスが形成された緯度（経度ではない）を推定することができる。古地磁気測定によると、新原生代岩石記録にある氷河起源の堆積物の一部は赤道から10度以内に堆積したことが示されているが^[20] 、この再構成の正確さには疑問がある。^{[18]明らかに氷河堆積物（}ドロップストーンなど）のこの古地磁気位置は、堆積物が堆積した当時、熱帯緯度では氷河が陸地から海面まで広がっていたことを示唆していると解釈されている。これが地球規模の氷河期を意味するのか、局所的でおそらく陸地に囲まれた氷河期の存在を意味するのかは明らかではない。^[21]また、ほとんどのデータは氷河堆積物を赤道から25度以内に制限していないと示唆する者もいる。^[22]

懐疑論者は、地球の古代の磁場が今日のものと大幅に異なっていた場合、古地磁気データが破損している可能性があると示唆している。地球の核の冷却速度によっては、原生代には磁場が単純な双極分布に近づかず、北磁極と南磁極が現在のように地球の軸とほぼ一直線に並んでいなかった可能性がある。代わりに、より高温の核がより活発に循環し、4つ、8つ、またはそれ以上の磁極を生み出した可能性がある。その場合、堆積鉱物が北磁極ではなく「西磁極」を指すように並んでいた可能性があるため、古地磁気データを再解釈する必要がある。あるいは、地球の双極磁場が、極が赤道に近づくように配向されていた可能性がある。この仮説は、エディアカラ紀の古地磁気記録によって示唆される磁極の異常に急速な動きを説明するために提唱されてきた。北磁極の動きはガスキエル氷河期とほぼ同時期に起こったとされる。^[23]

古地磁気データに頼ることのもう一つの弱点は、記録された磁気信号が元々のものであるか、あるいはその後の活動によってリセットされたものであるかを判断するのが難しいことである。例えば、造山運動は変成反応の副産物として熱水を放出する。この水は数千キロメートル離れた岩石に循環し、その磁気シグネチャーをリセットする可能性がある。このため、数百万年以上前の岩石の真正性は、入念な鉱物学的観察なしには判断が困難である。^[16]さらに、大規模な再磁化イベントが発生したというさらなる証拠が蓄積されており、古地磁気極の推定位置の修正が必要になる可能性がある。^{[24] [25]}

現在、低緯度で間違いなく堆積した堆積物はオーストラリアのエラティナ堆積物のみであり、その堆積年代は十分に限定されており、信号は明らかにオリジナルである。^[26]

氷河によって堆積した堆積岩には、その識別を可能にする特徴がある。スノーボールアース仮説が出現するずっと前から、多くのネオプロテローゾイック堆積物は、堆積時に熱帯緯度にあったと思われるものも含め、氷河起源であると解釈されてきた。しかし、伝統的に氷河と関連付けられている堆積物の多くは、他の方法で形成された可能性もある。^[27]そのため、スノーボールアースの重要な発生物の多くが氷河起源であるかどうかは議論されてきた。^[18] 2007 年時点で、熱帯のティライトを特定する 「非常に信頼できる」基準点は 1 つしかなく、依然として疑問視されている^{[18] 。 [20]}そのため、赤道の氷床に関する記述はいくぶん思い上がりが強い。しかし、スターティアン氷河期の熱帯地方の海面氷河の証拠は蓄積されつつある。^{[28] [29]} 堆積物の氷河起源の可能性がある証拠には、次のものがある。

• ドロップストーン（海底堆積物に落ちた石）。氷河やその他の現象によって堆積することがあります。^[30]
• 氷河湖沼における年輪堆積層（ヴァーブ）は、高温時に形成されることがある。^[31]
• 氷河の条痕（埋め込まれた岩石が岩盤に擦り付けられて形成されたもの）：同様の条痕は泥流や地殻変動によっても時々形成される。 ^[32]
• ダイアミクタイト（分類の悪い礫岩）。もともとは氷河堆積物として説明されていたが、実際は大部分が土石流によって形成された。^[18]

スノーボールアース期に形成された堆積物の中には、活発な水循環がある場合にのみ形成された可能性があるものもあるようです。最大5,500メートルの厚さの氷河堆積物の帯が、数メートルの小さな非氷河堆積物の帯で区切られていることから、氷河が何千万年もの間繰り返し融解と再形成を繰り返していたことがわかります。固体の海では、この規模の堆積は起こり得ません。 ^{[33]現在の}南極で見られるような氷流が、これらの堆積層を引き起こした可能性があると考えられています^{（誰が？）}。さらに、開水域でのみ形成され得る堆積性の特徴（例えば、波状のさざ波、遠くまで運ばれた氷に運ばれた残骸、光合成活動の指標）は、スノーボールアース期の堆積物全体に見られます。これらは完全に凍った地球上の融解水の「オアシス」を表している可能性があるが、 ^[34]コンピューターモデリングでは、海洋の広い範囲が氷のないままであったはずであり、エネルギーバランスと一般循環モデルの観点から「硬い」雪玉はあり得ないと主張している。^[35]

海水中には炭素の安定同位体が2 つあります。炭素 12 ( ¹² C) と、炭素原子の約 1.109 パーセントを占める希少な炭素 13 ( ^{13 C) です。}光合成を含む生化学プロセスでは、より軽い^{12 C 同位体が優先的に取り込まれる傾向があります。そのため、海洋に生息する光合成生物 (}原生生物と藻類の両方) は、地球上の炭素の主な火山源に見られる豊富さに比べて、 ¹³ Cがごくわずかに減少する傾向があります。したがって、光合成生物がいる海では、有機物内の¹³ C/ ¹² C 比は低く、対応する海水中の比率は高くなります。石化した堆積物の有機成分では、 ¹³ C がごくわずかですが測定可能な程度に減少したままになります。

珪酸塩風化は、二酸化炭素が大気から引き出されて岩石に沈着する無機的なプロセスであり、炭素を分別する。クライオジェニアン期直前のいくつかの大きな火成岩地域の定置と、それによって形成された巨大な大陸洪水玄武岩の化学的風化は、ロディニアの分裂によってこれらの洪水玄武岩の多くが海岸に近いより暖かく湿った条件にさらされ、化学的風化が加速されたことにも助けられ、炭素同位体比の大きな正の変化を引き起こし、スターティアン氷河期の始まりに貢献したと考えられている。^[36]

スノーボールアースの時代とされる時期には、¹³ Cと¹² Cの比率が急激かつ極端にマイナスに変動します。 ^{[37]世界中の堆積物中の13} Cの「急上昇」のタイミングを詳細に分析すると、新原生代後期に4回、おそらく5回の氷河期イベントが発生したことがわかります。^[38]

縞状鉄鉱床 (BIF) は、層状の酸化鉄と鉄分の少ないチャートからなる堆積岩です。酸素が存在すると、鉄は自然に錆びて水に溶けなくなります。縞状鉄鉱床は一般に非常に古く、その堆積は古原生代に地球の大気が酸化されたことに関係していることが多く、海洋に溶解した鉄が光合成で生成された酸素と接触して酸化鉄として 沈殿しました。

縞模様は、無酸素の海と酸素のある海の転換点で生成されました。今日の大気は酸素に富み (体積比で約 21%)、海と接触しているため、縞模様の地層を堆積させるのに十分な量の酸化鉄を蓄積することはできません。古原生代 (18 億年前以降) 以降に堆積した唯一の大規模な鉄地層は、クライオジェニアン氷河堆積物に関連しています。

このような鉄分を豊富に含む岩石が堆積するには、海洋が無酸素状態になって、溶解した鉄（酸化鉄として）が酸化剤と出会い、酸化鉄として沈殿する前に蓄積される必要がある。海洋が無酸素状態になるためには、酸素を豊富に含む大気とのガス交換が限られている必要がある。この仮説の支持者は、堆積記録におけるBIFの再出現は、海氷で覆われた海洋の酸素レベルが限られている結果であると主張している。^[11]氷河期の終わり近くには、海洋と大気の酸化された鉄分を豊富に含む海水との間のガス交換が再開される。^[39] δ ⁵⁶ Fe _IRMM-014のクライオジェニアンBIFの下層から上層への正のシフトは、海洋の氷がどんどん溶けて海洋によって溶解されるにつれて上層が堆積したため、海洋酸性化の増加を反映している可能性がある。^[40]

この仮説に反対する人々は、BIF 堆積物の希少性は、内海で形成されたことを示しているのではないかと示唆している。海洋から隔離されていたため、このような湖は深部で停滞し、今日の黒海のように酸素が不足していた可能性がある。十分な鉄の流入は、BIF 形成に必要な条件を提供した可能性がある。^[18] BIF が氷河期の終わりを告げたと主張する上でのさらなる困難は、それらが氷河堆積物と交互に層をなして発見されていることだ。^{[21]このような交互に層をなす現象は、}ミランコビッチ サイクルの産物ではないかと示唆されており、ミランコビッチ サイクルは定期的に海を温め、大気と海洋の間でガス交換を可能にし、BIF を沈殿させたと考えられる。^[41]

新原生代氷河堆積物の頂上付近では、通常、数メートルから数十メートルの厚さの化学的に沈殿した堆積性石灰岩またはドロマイトへの急激な変化が見られます。 ^[42]これらのキャップ炭酸塩岩は、他の炭酸塩岩が存在しない堆積性連続体中に発生することがあり、その堆積は海洋化学の重大な異常の結果であることを示唆しています。^[43]

これらのキャップ炭酸塩は珍しい化学組成を持ち、奇妙な堆積構造を持ち、しばしば大きな波紋として解釈される。^[44] このような堆積岩の形成は、スノーボールアースイベント後の極端な温室効果中に急速な風化によって生成されるような、正に帯電したイオンの大量の流入によって引き起こされた可能性がある。キャップ炭酸塩のδ13C同位体シグネチャは^-5 ‰に近く、マントルの値と一致している。光合成は通常値を上げるように働くため、このような低い値は生命の不在を意味すると見なすことができる。あるいは、メタン堆積物の放出がそれを高い値から下げ、光合成の影響を相殺した可能性がある。

キャップ炭酸塩の形成に関係するメカニズムは明らかではないが、最もよく引用される説明は、スノーボールアースが溶ける際に、水が大気中の豊富な CO _{2 を溶解して}炭酸を形成し、それが酸性雨として降るというものである。これにより、露出したケイ酸塩岩と炭酸塩岩（容易に侵食される氷河の残骸を含む）が風化し、大量のカルシウムが放出され、それが海に流れ込むと、独特の質感の炭酸塩堆積岩の層が形成される。このような非生物的「キャップ炭酸塩」堆積物は、スノーボールアース仮説の根拠となった氷河堆積物の上に見ることができる。

しかし、氷河起源の炭酸塩岩を特定することにはいくつかの問題がある。大気中の二酸化炭素濃度が高いと、海洋は酸性化し、そこに含まれる炭酸塩が溶解するが、これは炭酸塩岩の堆積とはまったく矛盾している。一部の炭酸塩岩の厚さは、比較的急速な氷河後退で合理的に生成される厚さをはるかに超えている。同時期に氷河起源であることが明らかな多くの層の上に炭酸塩岩が見られないこと、および氷河起源とされる層内に同様の炭酸塩岩が存在することから、この原因はさらに弱められている。^{[18]少なくとも}ドゥシャントゥオ炭酸塩岩を生成した可能性のある別のメカニズムは、メタンの急速で広範囲にわたる放出である。これにより、-48 ‰という信じられないほど低いδ ¹³ C堆積物を通るガスの流れによって形成されたと思われる異常な堆積特性も見られる。^[45]

ホウ素同位体は、マリノア氷河期の前後で海洋のpHが劇的に低下したことを示唆している。^[46] これは、大気中の二酸化炭素の蓄積を示しており、その一部は海洋に溶解して炭酸を形成したと考えられる。ホウ素の変動は極端な気候変動の証拠かもしれないが、必ずしも地球規模の氷河期を意味するわけではない。

地球の表面ではイリジウムが極めて乏しく、主に地球の核に存在している。地表におけるこの元素の唯一の重要な供給源は、地球に到達した宇宙粒子である。地球がスノーボールアース状態にある間、イリジウムは氷床に蓄積し、氷が溶けると、その結果生じた堆積層はイリジウムを豊富に含むことになる。イリジウムの異常が炭酸塩岩層の底で発見され、氷河期が少なくとも300万年続いたことを示唆するのに用いられたが^{[47] 、これは必ずしも氷河期が}地球全体に及んだことを意味するものではない。実際、同様の異常は大きな隕石の衝突によって説明できる可能性がある。^[48]

化学的風化中に土壌中に残留する陽イオンに対する移動性陽イオンの比率（化学的変質指数）を用いると、化学的風化は氷河期の連続の中で周期的に変化し、間氷期には増加し、寒冷で乾燥した氷河期には減少することが示された。^{[49]このパターンが実際の出来事を反映しているならば、「スノーボール・アース」は完全に凍った地球よりも}更新世の 氷河期サイクルによく似ていることを示唆している。

さらに、スコットランドのポート・アスカイグ・ティライト層の氷河堆積物は、氷河堆積物と浅海堆積物の層状サイクルをはっきりと示している。^[50]これらの堆積物の重要性は、その年代測定に大きく依存している。氷河堆積物の年代測定は難しく、ポート・アスカイグ層に最も近い年代測定済みの層は、対象層より地層学的に 8 km 上にある。その年代測定が 6 億年前であることから、この層は暫定的にスターティアン氷河期と相関関係にあると考えられるが、スノーボールアースの前進または後退を表している可能性もある。

スノーボールアース現象の開始には、何らかの初期冷却メカニズムが関与し、その結果、地球上の雪と氷の被覆率が増加する。地球上の雪と氷の被覆率が増加すると、今度は地球のアルベドが増加し、冷却の正のフィードバックが生じる。十分な量の雪と氷が蓄積されると、暴走冷却が生じる。この正のフィードバックは赤道上の大陸分布によって促進され、太陽放射が最も直接的である赤道に近い地域に氷が蓄積される。

スノーボールアースの始まりには、超巨大火山の噴火、メタンや二酸化炭素などの温室効果ガスの大気中濃度の減少、太陽エネルギー出力の変化、地球の軌道の摂動など、多くの引き金となるメカニズムが考えられます。引き金が何であれ、初期の冷却により氷と雪で覆われた地球表面の面積が増加し、追加された氷と雪はより多くの太陽エネルギーを宇宙に反射し、地球をさらに冷却して、氷と雪で覆われた地球表面の面積をさらに増やします。この正のフィードバックループにより、最終的には現代の南極と同じくらい寒い凍った赤道が形成される可能性があります。

数百万年にわたる火山活動によって放出された二酸化炭素の大気中への大量蓄積に関連する地球温暖化が、スノーボールアースの融解を引き起こす引き金になると考えられています。融解の正のフィードバックにより、地球の表面のほとんどを覆う雪と氷が最終的に融解するには、わずか 1,000 年しかかかりません。

大陸が熱帯に分布していることは、直感に反するかもしれないが、スノーボールアースの発生に必要である。^[52]熱帯大陸は外洋よりも反射率が高く、太陽熱の吸収が少ない。今日、地球上の太陽エネルギーの吸収のほとんどは熱帯の海で起きている。^[53]さらに、熱帯大陸は降雨量が多く、河川流量と浸食が増加する。空気にさらされると、ケイ酸塩岩は風化反応を起こし、大気から二酸化炭素を除去する。これらの反応は、一般的に次のような形で進行する。

岩石形成鉱物 + CO ₂ + H ₂ O → 陽イオン + 重炭酸塩 + SiO ₂

このような反応の一例としては、珪灰石の風化が挙げられます。

CaSiO ₃ + 2 CO ₂ + H ₂ O → Ca ²⁺ + SiO ₂ + 2 HCO⁻
₃

放出されたカルシウム陽イオンは、海水中の溶解した重炭酸塩と反応して、化学的に沈殿した堆積岩として炭酸カルシウムを形成します。これにより、温室効果ガスである二酸化炭素が大気から地圏へ移動し、地質学的時間スケールの定常状態では、火山から大気中に放出される二酸化炭素を相殺します。

2003年時点では、分析に適した堆積物が少なすぎたため、新原生代における大陸の正確な分布を明らかにすることは困難であった。^[54]いくつかの再構築では、極大陸の存在を示唆している。極大陸は他のすべての主要な氷河期の特徴であり、氷が核形成できる地点を提供している。海洋循環パターンの変化が、スノーボールアースの引き金となった可能性がある。^[55]

新原生代スノーボールの発生に寄与した可能性のあるその他の要因としては、大気中の遊離酸素の導入が挙げられます。遊離酸素は大気中のメタンと反応してメタンを二酸化炭素（はるかに弱い温室効果ガス）に酸化するのに十分な量に達した可能性があります。 ^[56]また、太陽が若くなり、暗くなったことで新原生代に6%少ない放射線を放出したと考えられます。^[18]

通常、地球は自然の気候変動や太陽放射の入射量の変化により寒冷化しており、その冷却によって風化反応が遅くなる。その結果、大気から除去される二酸化炭素が少なくなり、この温室効果ガスが蓄積するにつれて地球が温暖化する。この「負のフィードバック」プロセスによって冷却の程度が制限される。しかし、クライオジェニアン期には、地球の大陸はすべて熱帯緯度にあったため、この緩和プロセスはそれほど効果的ではなく、地球が冷却しても陸上では高い風化率が続いた。これにより、氷は極地を越えて前進した。氷が赤道から30°以内に前進すると、^[57]正のフィードバックが起こり、氷の反射率（アルベド）の増加によってさらに冷却が進み、より多くの氷が形成され、地球全体が氷で覆われる可能性がある。

極大陸は蒸発率が低いため、大量の炭素が堆積するには乾燥しすぎており、炭素循環から除去できる大気中の二酸化炭素の量が制限される。地球全体の氷河期以前の堆積物中の¹² Cに対する13 C^同位体の割合が徐々に上昇していることは、スノーボールアース以前の_CO2の減少がゆっくりとした継続的なプロセスであったことを示している。^{[58]スノーボールアースの始まりは堆積物のδ13} C値の急激な低下によって特徴付けられ、^[59]低温と氷で覆われた海洋の結果としての生物生産性の急激な低下に起因する可能性がある特徴である。

2016年1月、ジャーノンらはロディニアの崩壊に関わる「浅瀬仮説」を提唱し、浅瀬に沿ったハイアロクラスタイトの噴火と急速な変化を、厚い氷に覆われた海洋のアルカリ度の大幅な増加に結び付けた。ジャーノンらは、氷河期の過程でのアルカリ度の増加は、スノーボールアースイベントの余波で形成されたキャップ炭酸塩の厚さを説明するのに十分であることを実証した。^[60]

スターティアン氷河期の始まりの年代測定により、熱帯地方の大規模な火成岩地域の形成と同時期であることが判明した。この赤道直下の大規模な火成岩地域の風化により、大気中の二酸化炭素が十分に吸収され、大規模な氷河期の発達が可能になったと考えられている。^[61]

地球の気温は低下し、赤道は現代の南極と同じくらい寒くなった。^[51]この低温は、太陽エネルギーのほとんどを宇宙に反射する氷床の高いアルベドによって維持された。大気中の水蒸気が凍結して熱を保持する雲が不足し、この効果が増幅された。クライオジェニアン期には二酸化炭素の脱ガスが異常に少なかったと推測されており、これが地球規模の氷河の持続を可能にした。^[62]

地球を解凍するために必要な二酸化炭素レベルは、現在の350倍、大気の約13％と推定されています。^{[63]地球はほぼ完全に氷で覆われていたため、}珪質岩からアルカリ金属イオンが風化して放出されても、大気から二酸化炭素を取り除くことはできませんでした。400万年から3000万年かけて、主に火山から放出されるだけでなく、氷の下に閉じ込められた有機炭素をガスに変換する微生物によっても生成される十分な量のCO2とメタンが蓄積し、_[ ^64]最終的に十分な温室効果を引き起こし、熱帯地方の表面氷が溶けて、永久に氷のない陸地と水域が形成されました。これは氷よりも暗く、太陽からより多くのエネルギーを吸収し、「正のフィードバック」を開始します。^[65]

永久氷が解けた最初の地域は熱帯ではなく中緯度だったかもしれない。急速な水循環が低緯度での氷の融解を抑制したためだ。中緯度地域で氷が解けたため、そこからの塵が他の場所の氷床に吹き付けられ、アルベドを低下させ、融氷の進行を加速させた。^{[66]低緯度の}永久凍土に閉じ込められた大量のメタンハイドレートの堆積が不安定になったことも、融氷と温暖化の引き金や強い正のフィードバックとして作用した可能性がある。^[67]

メタン生成菌は、マリノア・スノーボール・アースの融解に大きく寄与した。表層水での高い一次生産力が回復したことで、微生物による硫黄の大規模な還元が促進され、深層水は高度にユーキシニア化した。ユーキシニアは大量のメチル硫化物の生成を引き起こし、それがメタン生成菌によってメタンに変換された。ニッケル同位体の大幅な負の変動は、融解と地球温暖化の時期にメタン生成活動が活発であったことを裏付けている。^[68]

大陸では、氷河が溶けることで大量の氷河堆積物が放出され、浸食され風化するだろう。その結果海に供給される堆積物にはリンなどの栄養素が多く含まれ、それが大量の_{二酸化炭素}と組み合わさってシアノバクテリアの個体数爆発を引き起こし、比較的急速な大気の再酸素化を引き起こし、エディアカラ生物相の台頭とそれに続くカンブリア爆発（酸素濃度の上昇により大型多細胞生物が発達する）の一因となった可能性がある。正のフィードバックループにより氷は地質学的に短期間、おそらく1,000年未満で溶けるだろうが、大気中の酸素の補充と二酸化炭素レベルの減少に_はさらに数千年かかるだろう。

二酸化炭素濃度が下がり、地球が再び凍りつく可能性もある。このサイクルは、大陸が極地の緯度に移動するまで繰り返されたのかもしれない。 ^[69]最近の証拠によると、海洋温度が下がると、海洋のガス溶解能力が高まり、海水の炭素含有量がより速く酸化されて二酸化炭素になるという。これは大気中の二酸化炭素の増加、地球表面の温室効果の強化、そして完全な雪玉状態の防止に直接つながる。^[70]

数百万年の間に、クリオコナイトは氷の上と内部に蓄積した。好冷性微生物、火山灰、氷のない場所からの塵が数百万平方キロメートルを覆う氷の上に堆積した。氷が溶け始めると、これらの層が目に見えるようになり、氷の表面を暗くして、プロセスを加速させるのに役立った。^[71]また、太陽からの紫外線は水分子に当たると過酸化水素（H ₂ O _{2 ）を生成した。通常、H 2} O _{2 は}日光で分解されるが、一部は氷の中に閉じ込められていた。氷河が溶け始めると、それは海と大気の両方に放出され、そこで水と酸素分子に分解され、大気中の酸素が増加した。^[72]

氷河の存在は議論の余地がないが、地球全体が氷で覆われていたという考えはより議論を呼んでおり、一部の科学者は「スラッシュボール・アース」を仮定している。これは、赤道の周囲に氷のない、または氷が薄い帯状の水域が残り、水循環が継続する状態をいう。この仮説は、開水面または急速に移動する氷（移動するには氷のない場所が必要）の下でのみ形成される堆積記録の特定の特徴を観察する科学者にとって魅力的である。最近の研究では、砕屑岩の地球化学的周期性が観察され、最近の地球史における氷河期の周期と同様に、スノーボール期は温暖期によって中断されていたことが示されている。スノーボール・アースのコンピュータ・モデルを構築する試みは、地球を支配する法則と定数を根本的に変更せずに、地球全体の氷床を組み込むのに苦労している。

それほど極端ではないスノーボールアース仮説では、大陸の配置が絶えず変化し、海洋循環が変化すると想定される。^[73]総合的な証拠から、地層の記録から地球全体の氷河期を想定できないスラッシュボールアースモデルが生まれた。 ^[74]キルシュヴィンクの当初の仮説^[11]では、スノーボールアースには暖かい熱帯の水たまりが存在すると予想されていた。

より極端な仮説であるウォーターベルト地球仮説は、熱帯大陸が氷河に覆われても、氷のない海洋領域が存在し続けたことを示唆している。^[75]

この仮説に対する反論は、「スノーボール・アース」堆積期の氷床の変動と融解の証拠である。このような融解の証拠は、氷河ドロップストーンの証拠、^[33]気候周期の地球化学的証拠、^[49]および氷河と浅海堆積物の層状化の証拠から得られる。^{[50]オマーンからのより長い記録は、北緯13度に限定され、7億1200万年前から5億4500万年前までの期間をカバーしており、}スターティアン氷河期とマリノア氷河期を含む期間であり、氷河堆積と氷のない堆積の両方を示している。^[76]スノーボール・アース仮説は、氷河期と間氷期のイベントの交代や、氷河シートの縁の振動を説明できない。^[77]

地球規模の気候モデルでスノーボールアースを再現するのは困難だった。混合層海洋を持つ単純なGCMは赤道まで凍結させることができるが、完全な動的海洋を備えたより洗練されたモデル（ただし原始的な海氷モデルに過ぎない）では赤道まで海氷を形成することができなかった。^[78]さらに、地球全体の氷床を溶かすために必要なCO2のレベルは_130,000 ppmと計算されており、^[63]これは不合理に大きいと考える人もいる。^[79]

ストロンチウム同位体データは、氷河期中のケイ酸塩風化の停止と氷河期直後の急速な風化に関する提案されたスノーボールアースモデルと矛盾することが判明しました。そのため、海進中に永久凍土から放出されたメタンが、氷河期直後の時期に測定された大規模な炭素変動の原因であると提案されました。^[80]

ニック・アイルズは、新原生代スノーボールアースは、地球の歴史における他の氷河期と実際は何ら変わらず、単一の原因を見つけようとする努力は失敗に終わる可能性が高いと示唆している。^[18]「ジッパーリフト」仮説は、氷河期と一致する、2回の大陸の「ジッパー解除」の波、すなわち、最初はロディニアの分裂による原始太平洋の形成、次にバルティカ大陸とローレンシア大陸の分裂による原始大西洋の形成を提唱している。これに関連する地殻隆起によって高原が形成され、ちょうど東アフリカ大地溝帯が高地地形の原因となっているのと同様、この高地には氷河が存在する可能性がある。

縞状鉄鉱床は、溶解した鉄イオンと無酸素水を必要とするため、地球全体が氷で覆われていることの避けられない証拠とみなされてきた。しかし、新原生代の縞状鉄鉱床の範囲が限られていることから、凍った海洋ではなく内海で形成された可能性がある。このような海は、さまざまな化学的性質を経験する可能性がある。蒸発率が高いと鉄イオンが濃縮され、周期的な循環不足により無酸素の底水が形成される可能性がある。大陸の隆起とそれに伴う沈降により、このような陸地に囲まれた水域が形成される傾向がある。この隆起とそれに伴う沈降により、堆積物が急速に堆積する空間が生まれ、地球全体の海面を上昇させるような大規模かつ急速な融解の必要性がなくなる。

赤道大陸に氷が存在する理由を説明する仮説として、地球の軸の傾きが約 60 度とかなり高く、地球の陸地が高「緯度」に位置するという説があるが、裏付けとなる証拠は乏しい。^[81]それほど極端ではない可能性としては、単に地球の磁極がこの傾きに変わっただけという説がある。氷で満たされた大陸を示唆する磁気の測定値は、磁極と自転極が比較的似ていることに依存しているからである。どちらの場合も、凍結は比較的狭い範囲に限定され、これは今日の状況と同じであり、地球の気候に深刻な変化は必要ない。

スノーボールアース期に低緯度に氷河堆積物があったという証拠は、慣性交換真極移動の概念を通じて再解釈されてきた。^{[82] [83]} 古地磁気データを説明するために作られたこの仮説は、スノーボールアースに起因する一般的な時間枠の間に、地球の自転軸に対する向きが1回以上シフトしたことを示唆している。これにより、赤道緯度に堆積する必要なく、同じ氷河堆積物の分布が生じる可能性がある。^[84]この命題の背後にある物理学は妥当であるが、元の研究から欠陥のあるデータポイントが1つ削除されたため、このような状況でこの概念を適用することは不当となった。^[85]

大規模な氷河作用により、地球上の光合成生物が減少すると、大気中の酸素が枯渇し、酸化されていない鉄分を多く含む岩石が形成される。反対派は、このような氷河作用により生命は完全に絶滅したと主張する。しかし、ストロマトライトやオンコライトなどの微化石は、少なくとも浅い海洋環境では生命がいかなる混乱も受けなかったことを証明している。代わりに、生命は栄養段階の複雑さを発達させ、寒冷期を無傷で生き延びた。^[86]賛成派は、生命が以下の方法で生き延びることができた可能性があると反論する。

• 地球の深海と地殻に生息する深海熱水噴出孔の化学物質によって動く嫌気性・低酸素生命の宝庫。しかし、そこでは光合成は不可能だっただろう。
• 氷層の下には、現代の氷河床、高山帯および北極の崖錐永久凍土、基底氷河氷に存在するものと理論的に類似した化学栄養（鉱物代謝）生態系が存在する。これは特に火山活動や地熱活動の地域で起こり得る。^[87]
• 南極のボストーク湖に似た、氷冠の内部と下部の液体の水の溜まり。理論的には、このシステムは南極の乾燥谷の一年中凍った湖に生息する微生物群集に似ている可能性がある。光合成は最大20メートルの厚さの氷の下で起こり、モデルで予測される温度では、赤道の昇華により赤道の氷の厚さは10メートルを超えることはない。^[88]
• 凍結期間の最も厳しい時期に、卵や休眠細胞、胞子が氷の中に深く凍結されます。
• 外洋の水域の小さな領域：ポリニヤ。これらの自然の氷穴は、周囲の海が完全に凍っていても、風、海流、または地元の熱源（地熱など）の作用によって発生する可能性があります。これらの氷穴は、光と二酸化炭素にアクセスして微量の酸素を生成する光合成生物（当時は多細胞植物は存在していませんでした）の集団を保存し_、酸素依存生物を維持するのに十分な量です。氷に穴が形成される必要はなく、氷の一部が光が入るほど薄くなるだけで十分です。これらの小さな領域は、ロディニアまたはその残骸が崩壊して地殻プレート上を漂流したときに、遠く離れた深海で発生した可能性があります。^[要出典]
• 氷床の上の「汚れた氷」の層が、その下の浅い海を覆っている。海からの動物や泥は氷の底に凍りつき、上の氷が蒸発するにつれて徐々に氷の上に集まる。氷を通じた栄養分の流れのおかげで、小さな池には生命が溢れるだろう。^[89]このような環境は、地球の表面積の約12パーセントを覆っていた可能性がある。^[90]
• 現在のアイスランドに似た地熱ホットスポットの近くに見られるような、液体の水の小さなオアシス。^[91]
• 熱帯地方のヌナタク地域では、日中の熱帯の太陽や火山の熱によって、冷たい風から守られた裸の岩が熱せられ、小さな一時的な融解水​​たまりが形成され、日没時に凍結します。 ^{[出典が必要]}
• 酸素を含んだ氷河下の融解水は、氷河水に溶けている鉄分を多く含む堆積物とともに、海に入ると融解水の酸素ポンプを形成し、真核生物に酸素を供給し、光合成生物と化学合成生物の両方に生態系を支えるのに十分な栄養素を供給した。淡水はまた、高塩分の海水と混ざり合い、海の他の部分よりも真核生物にとってより適した地域を作った。^[92]

しかし、化石記録から判断できる限り、生物と生態系は大量絶滅によって予想されるような大きな変化を経験していないようです。より正確な年代測定法の登場により、スノーボールアースと関連づけられていた植物プランクトンの絶滅は、氷河期より1600万年も前に起きていたことが示されました。^[93]たとえ、上記のすべての生態学的避難所で生命が生き残ったとしても、地球全体が氷河期になれば、生物相の多様性と構成は著しく異なるものとなるでしょう。この多様性と構成の変化はまだ観察されていません^[94] — 実際、気候変動の影響を最も受けやすいはずの生物は、スノーボールアースから無傷で出現しています。^[48]これに対する反論の1つは、スノーボールアースによる大量絶滅に反対する議論がなされている多くの場所で、クライオジェニアン化石記録が乏しいという事実です。^[95]

スノーボールアースは地球上の生命の歴史に重大な影響を及ぼした。多くの避難所が想定されているが、地球全体の氷の覆いは太陽光に依存する生態系を間違いなく破壊しただろう。低緯度の氷河堆積物に関連する岩石からの地球化学的証拠は、氷河期に海洋生物が激減したことを示していると解釈されている。大規模な氷河後退は大型藻類の生存に有利であった。^[96]

海洋の水の約半分は氷として固まっていたため、残りの水の塩分濃度は現在よりも2倍高く、凝固点が下がっていた。二酸化炭素を多く含む高温の大気下で氷床が溶けると、海は最大2キロメートルの厚さの温かい（50℃）淡水の層で覆われた。温かい表層水がより冷たく深い塩水と混ざって初めて、海はより暖かく塩分の少ない状態に戻った。^[97]氷が溶けたことで、多様化のための多くの新しい機会が生まれ、クライオジェニアン期の終わりに起こった急速な進化の原動力となった可能性がある。地球規模の氷床が存在していたとすれば、地熱加熱と相まって、活発でよく混ざり合った海と大きな垂直対流循環をもたらした可能性がある。^[98]

新原生代は、動物を含む多細胞生物の著しい多様化の時代であった。スノーボール氷河期の終焉後、生物のサイズと複雑さは大幅に増加した。多細胞生物のこの急速な発達は、複数の氷室-温室サイクルに起因する進化圧力の増大の結果であった可能性がある。この意味では、スノーボールアースエピソードは進化を「ポンプ」した可能性があり、更新世の氷河期が南極で多様性ポンプとして機能したことが知られているのとよく似ている。^[99]あるいは、銅レベルの変動と酸素の増加が役割を果たした可能性がある。多くのスターティアン・ダイアミクタイトは、グリーンランド、北アメリカ、オーストラリア、アフリカの銅鉱化地層に不整合に重なっている。スターティアン氷河期中の銅を多く含む岩石の氷河崩壊と浸食は、フランクリン大火成岩区の化学的風化と相まって、海洋の銅濃度を大幅に上昇させた。銅は、酸素毒性の緩和、アデノシン三リン酸の合成、エラスチンとコラーゲンの生成など、さまざまな生物学的機能に関与する多くのタンパク質の必須成分であるため、銅濃度の急上昇は、新原生代後半の多細胞生物の爆発的な進化に不可欠でした。銅濃度の上昇は顕生代初期のカンブリア爆発まで続き、その進路にも影響を与えた可能性があります。^[100]

近年広まりつつある仮説の 1 つは、初期のスノーボール アースは地球上の生命の進化に影響を与えたというよりも、むしろその結果として起こったというものである。実際、この 2 つの仮説は相互に排他的ではない。地球上の生命体は地球規模の炭素循環に影響を与えており、そのため主要な進化イベントが炭素循環を変え、生物圏システム内のさまざまな貯蔵庫内で炭素を再分配し、その過程で大気 (温室) の炭素貯蔵庫が一時的に低下し、改訂された生物圏システムが新しい状態に落ち着くという考え方である。ヒューロニアン氷河期の寒冷期は、大酸化イベント中の大気中の温室効果ガス含有量の減少に関連していると推測されている。同様に、5 億 8000 万年前から 8 億 5000 万年前の先カンブリア時代のクライオジェニアン期のスノーボール アース (それ自体が多数の異なるエピソードがあった) は、より高度な多細胞動物の出現と陸上への生命の定着に関連している可能性がある。^{[101] [102]}しかし、2022年の研究では、以前の研究結果に基づいて、陸上植物の進化はクライオジェニアン氷河期によって引き起こされたと示唆され、これが、陸上植物の姉妹群であるジグネマト藻類が単細胞で好冷性になり、鞭毛を失い、有性生殖を進化させた理由であると理論づけられました。^[103]

スノーボール・アース仮説は、カナダのヒューロニアン累層群の氷河堆積物を説明するために持ち出されたが、低緯度に氷床があったことを示す古地磁気学的証拠には異論があり、^{[104] [105]}地層の証拠は、氷河物質の堆積が3つ（ラムゼー層、ブルース層、ゴウガンダ層）しかなく、それらは有意な期間を隔てていることを明確に示している。南アフリカのマッガニエン層の氷河堆積物はヒューロニアン氷河堆積物（約22億5000万年前）よりもわずかに新しく、熱帯緯度で堆積した可能性がある。^[106]大酸化イベント中に発生した遊離酸素の増加により、大気中のメタンが酸化によって除去されたと提案されている。当時は太陽放射が著しく弱かったため、地球の気候は、表面温度を氷点以上に保つために強力な温室効果ガスであるメタンに依存していた可能性がある。このメタン温室効果がなければ、気温は急激に低下し、古原生代シデリアン期とリャキアン期の25～22億年前に地球規模の氷河期が起こった可能性がある。 ^[105]

後期新原生代には、3、4回の重要な氷河期があった。このうち、マリノア氷河期が最も重要で、スターティアン氷河期も広範囲に及んだ。^[107]スノーボール理論の主導的提唱者であるホフマンでさえ、35万年続いた^[1]ガスキアー氷河期は、おそらく後期オルドビス紀氷河期と同じくらい強かったものの、地球規模の氷河期にはつながらなかったことに同意している。 ^[52]カイガス「氷河期」または「寒冷化イベント」の状況は現在のところ不明である。一部の科学者はこれを氷河期とは認めず、他の科学者は、スターティアン関連の年代測定が不十分な地層を反映しているのではないかと疑っており、また他の科学者は、これが第三氷河期であると考えている。^[108]これはスターティアン氷河期やマリノア氷河期ほど重要ではなく、おそらく地球規模のものではなかった。新たな証拠は、地球が新原生代に多くの氷河期を経験したことを示唆しており、これはスノーボール仮説と強く矛盾するものである。^[4]