Trái Đất quả cầu tuyết (Snowball Earth) là giả thuyết cho rằng đã có những thời kỳ băng phủ gần như toàn bộ hành tinh, kể cả vùng xích đạo. Hai đợt được nghiên cứu kỹ nhất nằm trong kỷ Cryogen: Sturtian (khoảng 717–660 triệu năm trước) và Marinoan (kết thúc khoảng 635 triệu năm trước). Trái Đất thoát ra nhờ khí CO₂ từ núi lửa tích tụ hàng triệu năm trong bầu khí quyển, cho tới khi hiệu ứng nhà kính đủ mạnh để làm tan băng.
Dấu vết băng hà ở nơi lẽ ra phải nóng
Sông băng để lại dấu vết đặc trưng: đá hỗn tạp (diamictite) gồm đủ cỡ hạt trộn lẫn, đá bị băng cào xước, và đá rơi (dropstone) – những tảng đá rời từ băng trôi rơi xuống làm lõm lớp bùn mịn dưới đáy biển. Các nhà địa chất từ đầu thế kỷ 20 đã thấy dấu vết loại này trong đá cuối Tiền Cambri trên gần như mọi lục địa.
Điều lạ xuất hiện khi họ dùng cổ từ – từ tính lưu giữ trong đá, cho biết đá hình thành ở vĩ độ nào. Một số tầng băng tích hoá ra đã hình thành gần xích đạo. Thập niên 1960, nhà địa chất người Anh W. Brian Harland đề xuất rằng cuối Tiền Cambri đã có một đợt băng hà quy mô toàn cầu. Năm 1992, Joseph Kirschvink (Viện Công nghệ California) đặt tên "Snowball Earth". Năm 1998, Paul Hoffman cùng cộng sự công bố trên Science nghiên cứu ở Namibia, biến ý tưởng thành giả thuyết được bàn rộng rãi.
Vòng xoáy băng – gương: vì sao băng tự lan ra
Cuối thập niên 1960, nhà khí hậu học Liên Xô Mikhail Budyko xây dựng mô hình đơn giản và tìm ra một kết quả đáng sợ. Băng tuyết phản xạ phần lớn ánh nắng, còn mặt biển hấp thụ phần lớn. Khi băng lan tới vĩ độ đủ thấp – trong mô hình của ông, khoảng 30° – phần ánh nắng bị phản xạ tăng nhanh tới mức Trái Đất lạnh tiếp, băng lan tiếp, cho tới khi phủ kín. Đây là phản hồi băng – suất phản chiếu chạy mất kiểm soát.
| Bề mặt | Phần ánh nắng phản xạ lại (gần đúng) |
|---|---|
| Mặt biển | Khoảng 6–10% |
| Rừng | Khoảng 10–20% |
| Sa mạc cát | Khoảng 30–40% |
| Băng biển trần | Khoảng 50–70% |
| Tuyết mới | Có thể trên 80% |
Budyko cho rằng trạng thái đó là ngõ cụt: một khi đóng băng hoàn toàn thì không thoát được. Chính các tầng đá phía trên băng tích đã cho câu trả lời ngược lại.
Lối thoát nằm trong bầu khí quyển
Kirschvink chỉ ra mắt xích còn thiếu: núi lửa vẫn hoạt động dưới băng. Bình thường, CO₂ núi lửa bị rút khỏi không khí nhờ mưa và phong hoá đá. Khi Trái Đất đóng băng, gần như không có mưa, đá bị băng phủ, nên CO₂ không còn đường thoát. Nó cứ thế tích tụ trong khí quyển, qua hàng triệu năm.
Theo tính toán của Ken Caldeira và James Kasting (1992) và các nghiên cứu sau, cần CO₂ cao gấp hàng trăm lần mức hiện nay mới làm tan được băng ở xích đạo – con số cụ thể tuỳ mô hình. Khi đạt ngưỡng, băng tan dần, mặt biển tối lộ ra, hấp thụ nắng, và vòng xoáy chạy theo chiều ngược lại: Trái Đất chuyển nhanh từ cực lạnh sang cực nóng.
Đá vôi "nắp": dấu vết của cơn nóng đột ngột
Ngay phía trên băng tích Marinoan, khắp thế giới có một lớp đá carbonat nắp (cap carbonate) dày từ vài mét đến hàng chục mét. Lớp đá này được giải thích là kết quả của một khí quyển giàu CO₂ đổ mưa axit xuống đá vụn do băng nghiền, trôi ra biển và kết tủa thành đá vôi với tốc độ cực nhanh. Đây là một trong những bằng chứng chính Hoffman dùng ở Namibia.
Sắt quay lại đáy biển
Thành hệ sắt dải – loại đá đã gần như ngừng hình thành từ khoảng 1,8 tỷ năm trước – xuất hiện trở lại trong kỷ Cryogen, ví dụ hệ tầng Rapitan ở Canada. Lời giải thích: băng bịt kín mặt biển, nước biển thiếu oxy trở lại, sắt hoà tan tích tụ; khi băng tan và oxy quay lại, sắt kết tủa thành đá.
Quả cầu tuyết hay quả cầu tuyết tan?
Giả thuyết vấp phải câu hỏi khó: nếu biển đóng băng hoàn toàn suốt hàng triệu năm, sự sống quang hợp sống sót bằng cách nào? Có hai phe chính:
- Quả cầu tuyết cứng (hard snowball): băng phủ toàn bộ biển; sinh vật sống sót ở suối nước nóng, các vùng băng mỏng, khe nứt, lớp nước trên mặt băng nơi bụi làm băng tan.
- Quả cầu tuyết tan (slushball): vẫn còn dải nước mở hoặc băng mỏng quanh xích đạo, đủ để quang hợp và trao đổi khí.
Đến nay chưa có bên nào thắng hẳn. Các mô hình khí hậu cho thấy cả hai trạng thái đều khả thi tuỳ điều kiện, và bằng chứng địa chất có thể được đọc theo cả hai cách.
Các đợt quả cầu tuyết trong lịch sử Trái Đất
| Đợt | Thời gian (gần đúng) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Huronian | ~2,4–2,1 tỷ năm trước | Có thể là quả cầu tuyết, gắn với Sự kiện Ôxy hoá lớn; mức độ toàn cầu còn tranh luận |
| Sturtian | ~717–660 triệu năm trước | Kéo dài khoảng 55–60 triệu năm, rất dài |
| Marinoan | ~650/640–635 triệu năm trước | Ngắn hơn, kết thúc bằng lớp carbonat nắp phổ biến toàn cầu |
| Gaskiers | ~580 triệu năm trước | Băng hà ngắn, nhiều khả năng chỉ khu vực, không phải quả cầu tuyết |
Vì sao kỷ Cryogen lại dễ đóng băng? Một giải thích là lúc đó các lục địa tụ quanh xích đạo sau khi siêu lục địa Rodinia tan vỡ. Lục địa nhiệt đới nhận mưa nhiều, đá phong hoá mạnh – đặc biệt là đá bazan mới phun trào – rút CO₂ nhanh khỏi khí quyển. Đây là cơ chế được nhiều người ủng hộ, nhưng không phải duy nhất.
Sau băng: động vật lớn xuất hiện
Không lâu sau đợt Marinoan là kỷ Ediacara, với những sinh vật đa bào lớn đầu tiên được biết đến – hoá thạch Ediacara khoảng 575–540 triệu năm trước. Oxy tăng mạnh trong giai đoạn này (Sự kiện Ôxy hoá Tân Nguyên Đại). Có giả thuyết cho rằng đợt băng tan đổ lượng lớn dưỡng chất từ đá bị băng nghiền ra biển, nuôi tảo bùng nổ, tăng chôn vùi carbon hữu cơ và đẩy oxy lên. Mối liên hệ này hợp lý nhưng chưa được chứng minh trọn vẹn.
Góc nhìn hôm nay
Quả cầu tuyết cho thấy hai mặt của bầu khí quyển: nó có thể để hành tinh rơi vào trạng thái cực đoan, và cũng chính nó – qua khí núi lửa tích luỹ – kéo hành tinh ra. Đồng thời, nó nhắc rằng chu trình carbon địa chất chạy theo thang triệu năm, không thể "cứu" nhanh bất kỳ thay đổi khí quyển ngắn hạn nào.
- Nơi xem tận mắt: Namibia (vùng Otavi), Nam Úc (dãy Flinders – nơi đặt tên Sturtian và Marinoan), Svalbard, miền bắc Canada.
- Sách phổ thông: Snowball Earth (2003) của Gabrielle Walker kể chuyện các nhà địa chất theo đuổi giả thuyết này.
- Liên hệ ngoài Trái Đất: một số ngoại hành tinh có thể đang ở trạng thái "quả cầu tuyết" – yếu tố người ta tính tới khi bàn về vùng có thể sống.
Câu hỏi thường gặp
Trái Đất quả cầu tuyết là gì?
Đó là giả thuyết cho rằng Trái Đất từng bị băng phủ gần như toàn bộ, kể cả vùng xích đạo. Bằng chứng là trầm tích băng hà hình thành ở vĩ độ thấp, lớp carbonat nắp và thành hệ sắt dải xuất hiện lại. Tên gọi do Joseph Kirschvink đặt năm 1992.
Trái Đất quả cầu tuyết xảy ra khi nào?
Hai đợt chắc chắn nhất nằm trong kỷ Cryogen: Sturtian khoảng 717–660 triệu năm trước và Marinoan kết thúc khoảng 635 triệu năm trước. Băng hà Huronian khoảng 2,4–2,1 tỷ năm trước có thể cũng là một đợt, nhưng còn tranh luận.
Trái Đất thoát khỏi trạng thái quả cầu tuyết bằng cách nào?
Núi lửa vẫn thải CO₂ dưới băng, trong khi mưa và phong hoá đá – vốn rút CO₂ – gần như ngừng. CO₂ tích tụ suốt hàng triệu năm tới mức cao gấp hàng trăm lần hiện nay, đủ để hiệu ứng nhà kính làm tan băng ở xích đạo.
Sự sống sống sót qua quả cầu tuyết thế nào?
Nhiều khả năng sinh vật trú ở suối nước nóng, vùng băng mỏng, khe nứt hoặc các dải nước mở nếu có. Các nhà khoa học vẫn tranh luận giữa mô hình băng phủ hoàn toàn và mô hình còn nước mở ở xích đạo. Sau quả cầu tuyết, sinh vật đa bào lớn xuất hiện trong kỷ Ediacara.
Trái Đất có thể thành quả cầu tuyết lần nữa không?
Trong tương lai gần thì không có dấu hiệu nào. Mặt Trời hiện sáng hơn thời Cryogen và các lục địa không tụ cả quanh xích đạo. Quả cầu tuyết cần những điều kiện kết hợp đặc biệt kéo dài hàng triệu năm.
