Tierra bola de nieve

Mucho antes de que se propusiera la idea de una glaciación global, se produjo una serie de descubrimientos que acumularon evidencia de antiguas glaciaciones precámbricas . El primero de estos descubrimientos fue publicado en 1871 por J. Thomson, quien encontró material antiguo removido por glaciares ( tilita ) en Islay , Escocia. ^{[ 5 ]} Hallazgos similares siguieron en Australia (1884) e India (1887). Un cuarto hallazgo, muy ilustrativo, que llegó a conocerse como la " Moralina de Reusch ", fue reportado por Hans Reusch en el norte de Noruega en 1891. Muchos otros hallazgos siguieron, pero su comprensión se vio obstaculizada por el rechazo (en ese momento) de la deriva continental . ^{[ 6 ]}

Douglas Mawson , geólogo australiano y explorador antártico, dedicó gran parte de su carrera al estudio de la estratigrafía del Neoproterozoico en Australia Meridional, donde identificó sedimentos glaciares gruesos y extensos. Como resultado, al final de su carrera, especuló sobre la posibilidad de una glaciación global. ^{[ 7 ]}

Sin embargo, las ideas de Mawson sobre la glaciación global se basaban en la suposición errónea de que la posición geográfica de Australia, y la de otros continentes donde se encuentran depósitos glaciares de baja latitud , se había mantenido constante a lo largo del tiempo. Con el avance de la hipótesis de la deriva continental, y posteriormente de la teoría de la tectónica de placas , surgió una explicación más sencilla para los sedimentos glaciogénicos: se depositaron en una época en que los continentes se encontraban en latitudes más elevadas.

En 1964, la idea de una glaciación a escala global resurgió cuando W. Brian Harland publicó un artículo en el que presentó datos paleomagnéticos que mostraban que las tillitas glaciares de Svalbard y Groenlandia se depositaron en latitudes tropicales . ^{[ 8 ]} A partir de estos datos y de la evidencia sedimentológica de que los sedimentos glaciares interrumpen sucesiones de rocas comúnmente asociadas con latitudes tropicales a templadas, argumentó que se produjo una edad de hielo tan extrema que provocó el depósito de rocas glaciares marinas en los trópicos.

En la década de 1960, Mikhail Budyko , un climatólogo soviético, desarrolló un modelo climático simple de balance energético para investigar el efecto de la capa de hielo en el clima global. Utilizando este modelo, Budyko descubrió que si las capas de hielo avanzaban lo suficiente fuera de las regiones polares, se producía un ciclo de retroalimentación en el que el aumento de la reflectividad ( albedo ) del hielo conducía a un mayor enfriamiento y a la formación de más hielo, hasta que toda la Tierra quedaba cubierta de hielo y se estabilizaba en un nuevo equilibrio cubierto de hielo. ^{[ 9 ]} Si bien el modelo de Budyko mostraba que esta estabilidad hielo-albedo podía ocurrir, concluyó que, de hecho, nunca había ocurrido, ya que su modelo no ofrecía ninguna manera de escapar de dicho ciclo de retroalimentación.

En 1971, Aron Faegre, un físico estadounidense, demostró que un modelo de balance energético similar predecía tres climas globales estables, uno de los cuales era la Tierra bola de nieve. ^{[ 10 ]} Este modelo introdujo el concepto de intransitividad , lo que indica que podría haber un salto importante de un clima a otro, incluyendo la Tierra bola de nieve.

El término "Tierra bola de nieve" fue acuñado por Joseph Kirschvink en un breve artículo publicado en 1992 dentro de un extenso volumen sobre la biología del eón Proterozoico . ^{[ 11 ]} Las principales contribuciones de este trabajo fueron: (1) el reconocimiento de que la presencia de formaciones de hierro bandeado es consistente con un episodio glacial global de este tipo, y (2) la introducción de un mecanismo para escapar de una Tierra completamente cubierta de hielo, específicamente, la acumulación de CO ₂ proveniente de la desgasificación volcánica que conduce a un efecto ultra invernadero .

El descubrimiento de Franklyn Van Houten de un patrón geológico constante en el que los niveles de los lagos subían y bajaban se conoce ahora como el "ciclo de Van Houten". Sus estudios de depósitos de fósforo y formaciones de hierro bandeado en rocas sedimentarias lo convirtieron en uno de los primeros defensores de la hipótesis de la Tierra bola de nieve, que postula que la superficie del planeta se congeló hace más de 650 millones de años. ^{[ 12 ]}

El interés en la noción de una Tierra bola de nieve aumentó drásticamente después de que Paul F. Hoffman y sus colaboradores aplicaran las ideas de Kirschvink a una sucesión de rocas sedimentarias neoproterozoicas en Namibia y desarrollaran la hipótesis en la revista Science en 1998, incorporando observaciones como la presencia de carbonatos de cubierta . ^{[ 13 ]}

En 2010, Francis A. Macdonald, profesor asistente en Harvard en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias, y otros, informaron evidencia de que Rodinia se encontraba en latitud ecuatorial durante el período Criogénico con hielo glacial al nivel del mar o por debajo de él, y que la glaciación Sturtiana asociada fue global. ^{[ 14 ]}

La hipótesis de la Tierra bola de nieve se planteó inicialmente para explicar lo que entonces se consideraban depósitos glaciares cerca del ecuador. Dado que las placas tectónicas se mueven lentamente con el tiempo, determinar su posición en un punto concreto de la larga historia de la Tierra no es tarea fácil. Además de considerar cómo podrían haberse unido las masas continentales reconocibles, la latitud en la que se depositó una roca puede determinarse mediante el paleomagnetismo.

Cuando se forman rocas sedimentarias , los minerales magnéticos que contienen tienden a alinearse con el campo magnético terrestre . Mediante la medición precisa de este paleomagnetismo, es posible estimar la latitud (pero no la longitud ) donde se formó la matriz rocosa. Las mediciones paleomagnéticas han indicado que algunos sedimentos de origen glacial en el registro rocoso del Neoproterozoico se depositaron a menos de 10 grados del ecuador, ^{[ 20 ]} aunque la precisión de esta reconstrucción está en entredicho. ^{[ 18 ]} Esta ubicación paleomagnética de sedimentos aparentemente glaciales (como los clastos erráticos ) se ha interpretado como una sugerencia de que los glaciares se extendían desde tierra firme hasta el nivel del mar en latitudes tropicales en el momento en que se depositaron los sedimentos. No está claro si esto implica una glaciación global o la existencia de regímenes glaciales localizados, posiblemente sin salida al mar. ^{[ 21 ]} Otros incluso han sugerido que la mayoría de los datos no limitan ningún depósito glacial a menos de 25° del ecuador. ^{[ 22 ]}

Los escépticos sugieren que los datos paleomagnéticos podrían estar distorsionados si el campo magnético terrestre antiguo era sustancialmente diferente al actual. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento del núcleo terrestre , es posible que durante el Proterozoico, el campo magnético no se aproximara a una distribución dipolar simple, con los polos magnéticos norte y sur alineados aproximadamente con el eje del planeta como lo hacen hoy. En cambio, un núcleo más caliente podría haber circulado con mayor intensidad y dado lugar a 4, 8 o más polos. Los datos paleomagnéticos tendrían entonces que reinterpretarse, ya que los minerales sedimentarios podrían haberse alineado apuntando hacia un "polo oeste" en lugar del polo magnético norte . Alternativamente, el campo dipolar terrestre podría haber estado orientado de tal manera que los polos estuvieran cerca del ecuador. Esta hipótesis se ha planteado para explicar el movimiento extraordinariamente rápido de los polos magnéticos que implica el registro paleomagnético del Ediacárico; el supuesto movimiento del polo magnético norte ocurriría aproximadamente al mismo tiempo que la glaciación de Gaskiers . ^{[ 23 ]}

Otra debilidad de la dependencia de los datos paleomagnéticos es la dificultad para determinar si la señal magnética registrada es original o si ha sido alterada por actividad posterior. Por ejemplo, una orogenia orogénica libera agua caliente como subproducto de reacciones metamórficas ; esta agua puede circular hacia rocas a miles de kilómetros de distancia y alterar su firma magnética. Esto dificulta la determinación de la autenticidad de rocas con más de unos pocos millones de años sin minuciosas observaciones mineralógicas. ^{[ 16 ]} Además, se acumulan más pruebas de que han ocurrido eventos de remagnetización a gran escala, lo que podría requerir una revisión de las posiciones estimadas de los polos paleomagnéticos. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Actualmente solo existe un yacimiento, el yacimiento de Elatina en Australia, que indudablemente se depositó en latitudes bajas; su fecha de deposición está bien definida y la señal es demostrablemente original. ^{[ 26 ]}

Las rocas sedimentarias depositadas por glaciares poseen características distintivas que permiten su identificación. Mucho antes del surgimiento de la hipótesis de la Tierra bola de nieve, muchos sedimentos neoproterozoicos se habían interpretado como de origen glacial, incluyendo algunos que aparentemente se encontraban en latitudes tropicales en el momento de su deposición. Sin embargo, muchas características sedimentarias tradicionalmente asociadas con glaciares también pueden formarse por otros medios. ^{[ 27 ]} Por lo tanto, el origen glacial de muchos de los hallazgos clave de la Tierra bola de nieve ha sido cuestionado. ^{[ 18 ]} Hasta 2007, solo existía un punto de referencia "muy fiable" —aún cuestionado ^{[ 18 ]} — que identificaba tillitas tropicales, ^{[ 20 ]} lo que hace que las afirmaciones sobre la cobertura de hielo ecuatorial sean algo presuntuosas. Sin embargo, se acumula evidencia de glaciación a nivel del mar en los trópicos durante la glaciación Sturtiana. ^{[ 28 ] [ 29 ]} La evidencia de un posible origen glacial de los sedimentos incluye:

• Caída de piedras (piedras que caen en sedimentos marinos), que pueden ser depositadas por glaciares u otros fenómenos. ^{[ 30 ]}
• Varvas (capas de sedimentos anuales en lagos periglaciares), que pueden formarse a temperaturas más altas. ^{[ 31 ]}
• Estrías glaciares (formadas por rocas incrustadas raspadas contra el lecho rocoso): estrías similares se forman de vez en cuando por flujos de lodo o movimientos tectónicos. ^{[ 32 ]}
• Diamictitas (conglomerados mal clasificados). Originalmente descritas como till glacial , la mayoría fueron formadas en realidad por flujos de detritos . ^{[ 18 ]}

Parece que algunos depósitos formados durante el período de la Tierra bola de nieve solo pudieron haberse formado en presencia de un ciclo hidrológico activo . Bandas de depósitos glaciares de hasta 5500 metros de espesor, separadas por pequeñas bandas (metros) de sedimentos no glaciares, demuestran que los glaciares se derritieron y reformaron repetidamente durante decenas de millones de años; los océanos sólidos no permitirían esta escala de deposición. ^{[ 33 ]} Se considera posible que corrientes de hielo como las que se ven hoy en la Antártida pudieran haber causado estas secuencias. Además, se pueden encontrar características sedimentarias que solo podrían formarse en aguas abiertas (por ejemplo: rizaduras formadas por olas , detritos transportados por hielo a larga distancia e indicadores de actividad fotosintética ) en sedimentos que datan de los períodos de la Tierra bola de nieve. Si bien estos pueden representar " oasis " de agua de deshielo en una Tierra completamente congelada, ^{[ 34 ]} la modelización por ordenador sugiere que grandes áreas del océano deben haber permanecido libres de hielo, argumentando que una "bola de nieve dura" no es plausible en términos de balance energético y modelos de circulación general. ^{[ 35 ]}

En el agua de mar existen dos isótopos estables de carbono: el carbono-12 ( ^¹²C ) y el carbono-13 ( ^¹³C ), que constituye aproximadamente el 1,109 % de los átomos de carbono. Los procesos bioquímicos , entre los que se encuentra la fotosíntesis , tienden a incorporar preferentemente el isótopo ^¹²C , más ligero . Por lo tanto, los organismos fotosintéticos que habitan en el océano, tanto protistas como algas , tienden a presentar una concentración muy baja de ^¹³C , en comparación con la abundancia presente en las fuentes volcánicas primarias del carbono terrestre. En consecuencia, un océano con vida fotosintética tendrá una menor proporción de ^¹³C / ^¹²C en los restos orgánicos y una mayor proporción en el agua de mar. El componente orgánico de los sedimentos litificados presentará una concentración muy baja, pero detectable, de ^¹³C .

La meteorización de silicatos , un proceso inorgánico por el cual el dióxido de carbono se extrae de la atmósfera y se deposita en las rocas, también fracciona el carbono. Se cree que el emplazamiento de varias grandes provincias ígneas poco antes del Criogénico y la posterior meteorización química de los enormes basaltos de inundación continentales producidos por ellas, favorecida por la fragmentación de Rodinia que expuso muchos de estos basaltos a condiciones más cálidas y húmedas cerca de la costa y aceleró la meteorización química, también causó un importante cambio positivo en las proporciones isotópicas del carbono y contribuyó al inicio de la glaciación Sturtiana. ^{[ 36 ]}

Durante el episodio propuesto de la Tierra bola de nieve, se producen excursiones negativas rápidas y extremas en la proporción de ^13C a ^12C . ^{[ 37 ]} Un análisis detallado de la cronología de los "picos" de ^13C en los depósitos de todo el mundo permite reconocer cuatro, posiblemente cinco, eventos glaciales a finales del Neoproterozoico. ^{[ 38 ]}

Las formaciones de hierro bandeado (FIB) son rocas sedimentarias compuestas de óxido de hierro en capas y sílex pobre en hierro . En presencia de oxígeno, el hierro se oxida naturalmente y se vuelve insoluble en agua. Estas formaciones suelen ser muy antiguas y su deposición a menudo está relacionada con la oxidación de la atmósfera terrestre durante el Paleoproterozoico , cuando el hierro disuelto en el océano entró en contacto con el oxígeno producido por la fotosíntesis y precipitó como óxido de hierro.

Las bandas se formaron en el punto de transición entre un océano anóxico y uno oxigenado. Dado que la atmósfera actual es rica en oxígeno (casi un 21 % en volumen) y está en contacto con los océanos, no es posible acumular suficiente óxido de hierro para depositar una formación bandeada. Las únicas formaciones de hierro extensas que se depositaron después del Paleoproterozoico (hace más de 1800 millones de años) están asociadas con depósitos glaciares del Criogénico .

Para que se depositaran rocas tan ricas en hierro, tendría que haber anoxia en el océano, de modo que gran cantidad de hierro disuelto (como óxido ferroso ) pudiera acumularse antes de encontrarse con un oxidante que lo precipitara como óxido férrico . Para que el océano se volviera anóxico, debía tener un intercambio gaseoso limitado con la atmósfera oxigenada. Los defensores de la hipótesis argumentan que la reaparición de BIF en el registro sedimentario es resultado de niveles limitados de oxígeno en un océano sellado por hielo marino. ^{[ 11 ]} Cerca del final de un período de glaciación, se produciría un restablecimiento del intercambio gaseoso entre el océano y la atmósfera, oxidando el agua de mar rica en hierro ferroso. ^{[ 39 ]} Un cambio positivo en δ ⁵⁶ Fe _IRMM-014 desde las capas inferiores a las superiores de BIF criogenias puede reflejar un aumento en la acidificación del océano, ya que las capas superiores se depositaron a medida que se derretía más y más hielo oceánico y el océano disolvía más dióxido de carbono. ^{[ 40 ]}

Los detractores de la hipótesis sugieren que la rareza de los depósitos de BIF podría indicar que se formaron en mares interiores. Al estar aislados de los océanos, estos lagos podrían haber sido estancados y anóxicos en profundidad, muy parecidos al actual Mar Negro ; un aporte suficiente de hierro podría proporcionar las condiciones necesarias para la formación de BIF. ^{[ 18 ]} Otra dificultad para sugerir que los BIF marcaron el final de la glaciación es que se encuentran intercalados con sedimentos glaciares; ^{[ 21 ]} se ha sugerido que esta intercalación es un artefacto de los ciclos de Milankovitch , que habrían calentado periódicamente los mares lo suficiente como para permitir el intercambio de gases entre la atmósfera y el océano y precipitar los BIF. ^{[ 41 ]}

En la parte superior de los depósitos glaciares del Neoproterozoico, suele haber una transición abrupta hacia una caliza o dolomita sedimentaria precipitada químicamente , de metros a decenas de metros de espesor. ^{[ 42 ]} Estos carbonatos de cubierta a veces aparecen en sucesiones sedimentarias que no tienen otras rocas carbonatadas, lo que sugiere que su deposición es el resultado de una profunda aberración en la química oceánica. ^{[ 43 ]}

Estos carbonatos de cubierta tienen una composición química inusual, así como extrañas estructuras sedimentarias que a menudo se interpretan como grandes ondulaciones. ^{[ 44 ]} La formación de tales rocas sedimentarias podría ser causada por una gran afluencia de iones con carga positiva , como la que se produciría por una rápida meteorización durante el extremo efecto invernadero posterior a un evento de Tierra bola de nieve. La firma isotópica δ ¹³ C de los carbonatos de cubierta es cercana a −5‰, consistente con el valor del manto; un valor tan bajo podría tomarse como una ausencia de vida, ya que la fotosíntesis generalmente actúa para aumentar el valor; alternativamente, la liberación de depósitos de metano podría haberlo disminuido desde un valor más alto y contrarrestar los efectos de la fotosíntesis.

_{El mecanismo implicado en la formación de carbonatos de cubierta no está claro, pero la explicación más citada sugiere que ,} durante el deshielo de una Tierra bola de nieve, el agua disolvería el abundante CO₂ de la atmósfera para formar ácido carbónico , que caería en forma de lluvia ácida . Esto erosionaría las rocas de silicato y carbonato expuestas (incluidos los detritos glaciares fácilmente atacados), liberando grandes cantidades de calcio, que al ser arrastrado al océano formaría capas de roca sedimentaria carbonatada con texturas distintivas. Este sedimento abiótico de "carbonato de cubierta" se puede encontrar sobre el till glaciar que dio origen a la hipótesis de la Tierra bola de nieve.

Sin embargo, existen algunos problemas con la designación de un origen glacial para los carbonatos de cubierta. La alta concentración de dióxido de carbono en la atmósfera provocaría la acidificación de los océanos y la disolución de cualquier carbonato contenido en ellos, lo cual contradice rotundamente la deposición de carbonatos de cubierta. El espesor de algunos carbonatos de cubierta es muy superior al que razonablemente podría producirse durante las desglaciaciones relativamente rápidas. La causa se debilita aún más por la ausencia de carbonatos de cubierta sobre muchas secuencias de claro origen glacial en un momento similar y la presencia de carbonatos similares dentro de las secuencias de origen glacial propuesto. ^{[ 18 ]} Un mecanismo alternativo, que podría haber producido al menos el carbonato de cubierta de Doushantuo , es la liberación rápida y generalizada de metano. Esto explica los valores increíblemente bajos —tan bajos como −48‰— de δ ¹³ C.valores—así como características sedimentarias inusuales que parecen haberse formado por el flujo de gas a través de los sedimentos. ^{[ 45 ]}

Los isótopos de boro sugieren que el pH de los océanos disminuyó drásticamente antes y después de la glaciación Marinoana . ^{[ 46 ]} Esto podría indicar una acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera, parte del cual se disolvería en los océanos para formar ácido carbónico. Si bien las variaciones de boro pueden ser evidencia de un cambio climático extremo, no necesariamente implican una glaciación global.

La superficie terrestre está muy empobrecida en iridio , que reside principalmente en el núcleo de la Tierra. La única fuente significativa de este elemento en la superficie son las partículas cósmicas que llegan a la Tierra. Durante una Tierra bola de nieve, el iridio se acumularía en las capas de hielo, y cuando el hielo se derritiera, la capa de sedimento resultante sería rica en iridio. Se ha descubierto una anomalía de iridio en la base de las formaciones carbonatadas de la cubierta y se ha utilizado para sugerir que el episodio glacial duró al menos 3 millones de años, ^{[ 47 ]} pero esto no implica necesariamente una extensión global de la glaciación; de hecho, una anomalía similar podría explicarse por el impacto de un gran meteorito . ^{[ 48 ]}

Utilizando la relación entre los cationes móviles y los que permanecen en los suelos durante la meteorización química (el índice químico de alteración), se ha demostrado que la meteorización química varió de forma cíclica dentro de una sucesión glacial, aumentando durante los períodos interglaciales y disminuyendo durante los períodos glaciales fríos y áridos. ^{[ 49 ]} Este patrón, si refleja fielmente los acontecimientos, sugiere que las "Tierras bola de nieve" se asemejaban más a los ciclos de la edad de hielo del Pleistoceno que a una Tierra completamente congelada.

Además, los sedimentos glaciares de la Formación Tillita de Port Askaig en Escocia muestran claramente ciclos intercalados de sedimentos glaciares y marinos someros. ^{[ 50 ]} La importancia de estos depósitos depende en gran medida de su datación. Los sedimentos glaciares son difíciles de datar, y el estrato datado más cercano al grupo de Port Askaig se encuentra 8  km estratigráficamente por encima de los estratos de interés. Su datación en 600  Ma significa que los estratos pueden correlacionarse tentativamente con la glaciación Sturtiana, pero podrían representar el avance o retroceso de una Tierra bola de nieve.

Una distribución tropical de los continentes es, quizás de forma contraintuitiva, necesaria para permitir el inicio de una Tierra bola de nieve. ^{[ 54 ]} Los continentes tropicales son más reflectantes que el océano abierto y, por lo tanto, absorben menos calor del Sol: la mayor parte de la absorción de energía solar en la Tierra hoy en día ocurre en los océanos tropicales. ^{[ 55 ]} Además, los continentes tropicales están sujetos a más precipitaciones, lo que conduce a un mayor caudal de los ríos y a la erosión. Cuando se exponen al aire, las rocas de silicato experimentan reacciones de meteorización que eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera. Estas reacciones proceden en la forma general

Un ejemplo de dicha reacción es la meteorización de la wollastonita :

Los cationes de calcio liberados reaccionan con el bicarbonato disuelto en el océano para formar carbonato de calcio, una roca sedimentaria precipitada químicamente. Esto transfiere dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, del aire a la geosfera y, en condiciones de equilibrio a escalas de tiempo geológicas, compensa el dióxido de carbono emitido por los volcanes a la atmósfera.

Hasta 2003, era difícil establecer una distribución continental precisa durante el Neoproterozoico debido a la escasez de sedimentos adecuados para el análisis. ^{[ 56 ]} Algunas reconstrucciones apuntan a continentes polares, que han sido una característica de todas las demás glaciaciones importantes, proporcionando un punto donde el hielo puede nuclearse. Los cambios en los patrones de circulación oceánica podrían haber desencadenado la Tierra bola de nieve. ^{[ 57 ]}

Otros factores que pudieron haber contribuido al inicio del efecto bola de nieve del Neoproterozoico incluyen la introducción de oxígeno libre atmosférico, que pudo haber alcanzado cantidades suficientes para reaccionar con el metano en la atmósfera , oxidándolo a dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero mucho más débil, ^{[ 58 ]} y un Sol más joven —y por lo tanto más tenue—, que habría emitido un 6 por ciento menos de radiación en el Neoproterozoico. ^{[ 18 ]}

Normalmente, a medida que la Tierra se enfría debido a las fluctuaciones climáticas naturales y los cambios en la radiación solar incidente, el enfriamiento ralentiza estas reacciones de meteorización. Como resultado, se elimina menos dióxido de carbono de la atmósfera y la Tierra se calienta a medida que este gas de efecto invernadero se acumula; este proceso de " retroalimentación negativa " limita la magnitud del enfriamiento. Sin embargo, durante el Criogénico, los continentes de la Tierra se encontraban todos en latitudes tropicales , lo que hizo que este proceso moderador fuera menos efectivo, ya que las altas tasas de meteorización continuaron en tierra firme incluso cuando la Tierra se enfriaba. Esto provocó que el hielo avanzara más allá de las regiones polares. Una vez que el hielo avanzó a menos de 30° del ecuador, ^{[ 59 ]} podría producirse una retroalimentación positiva de tal manera que el aumento de la reflectividad (albedo) del hielo condujo a un mayor enfriamiento y a la formación de más hielo, hasta que toda la Tierra quedó cubierta de hielo.

Los continentes polares, debido a las bajas tasas de evaporación , son demasiado secos para permitir una deposición sustancial de carbono, lo que restringe la cantidad de dióxido de carbono atmosférico que puede eliminarse del ciclo del carbono . Un aumento gradual de la proporción del isótopo ¹³ C en relación con ¹² C en sedimentos anteriores a la glaciación "global" indica que la absorción de CO _{2 antes de las Tierras bola de nieve fue un proceso lento y continuo.} ^{[ 60 ]} El inicio de las Tierras bola de nieve está marcado por una fuerte caída en el valor de δ ¹³ C de los sedimentos, ^{[ 61 ]} un sello distintivo que puede atribuirse a un colapso en la productividad biológica como resultado de las bajas temperaturas y los océanos cubiertos de hielo.

En enero de 2016, Gernon et al. propusieron una «hipótesis de cresta poco profunda» que involucra la fragmentación de Rodinia, vinculando la erupción y la rápida alteración de hialoclastitas a lo largo de crestas poco profundas con aumentos masivos de alcalinidad en un océano con una gruesa capa de hielo. Gernon et al. demostraron que el aumento de alcalinidad durante el curso de la glaciación es suficiente para explicar el espesor de los carbonatos de cubierta formados tras los eventos de la Tierra Bola de Nieve. ^{[ 62 ]}

La datación del inicio de la glaciación Sturtiana ha revelado que fue contemporánea con la formación de una gran provincia ígnea en los trópicos. Se cree que la meteorización de esta gran provincia ígnea ecuatorial extrajo suficiente dióxido de carbono del aire como para permitir el desarrollo de una glaciación importante. ^{[ 63 ]}

La temperatura global descendió tanto que el ecuador se volvió tan frío como la Antártida actual. ^{[ 51 ]} Esta baja temperatura se mantuvo gracias al alto albedo de las capas de hielo, que reflejaban la mayor parte de la energía solar incidente hacia el espacio. La falta de nubes que retuvieran el calor, causada por la congelación del vapor de agua de la atmósfera, amplificó este efecto. Se ha especulado que la desgasificación del dióxido de carbono fue inusualmente baja durante el Criogénico, lo que permitió la persistencia de la glaciación global. ^{[ 64 ]}

Se ha estimado que los niveles de dióxido de carbono necesarios para descongelar la Tierra serían 350 veces superiores a los actuales, aproximadamente el 13 % de la atmósfera. ^{[ 65 ]} _{Dado que la Tierra estaba casi completamente cubierta de hielo, el dióxido de} carbono no podía eliminarse de la atmósfera mediante la liberación de iones de metales alcalinos provenientes de la meteorización de rocas silíceas . Durante 4 a 30 millones de años, se acumularía suficiente CO₂ y metano, emitidos principalmente por volcanes pero también producidos por microbios que convierten el carbono orgánico atrapado bajo el hielo en gas, ^{[ 66 ]} como para finalmente causar un efecto invernadero suficiente para derretir el hielo superficial en los trópicos hasta que se desarrollara una franja de tierra y agua permanentemente libres de hielo; esta sería más oscura que el hielo y, por lo tanto, absorbería más energía del Sol, iniciando una «retroalimentación positiva». ^{[ 67 ]}

Las primeras áreas en quedar libres de hielo permanente podrían haber sido las de latitudes medias en lugar de las tropicales, ya que un ciclo hidrológico rápido habría inhibido el derretimiento del hielo en latitudes bajas. A medida que estas regiones de latitudes medias se liberaban del hielo, el polvo de las mismas se depositaba en otras capas de hielo, disminuyendo su albedo y acelerando el proceso de desglaciación. ^{[ 68 ]} La desestabilización de importantes depósitos de hidratos de metano atrapados en el permafrost de latitudes bajas también podría haber actuado como desencadenante y/o fuerte retroalimentación positiva para la desglaciación y el calentamiento. ^{[ 69 ]}

Los metanógenos contribuyeron de manera importante a la desglaciación de la Tierra Bola de Nieve Marinoana. El retorno de una alta productividad primaria en las aguas superficiales impulsó una extensa reducción microbiana del azufre, lo que provocó que las aguas más profundas se volvieran altamente euxínicas. La euxinicidad causó la formación de grandes cantidades de sulfuros de metilo, que a su vez fueron convertidos en metano por los metanógenos. Una importante excursión negativa de isótopos de níquel confirma una alta actividad metanogénica durante este período de desglaciación y calentamiento global. ^{[ 70 ]}

En los continentes, el deshielo de los glaciares liberaría enormes cantidades de sedimentos glaciares, que se erosionarían y desgastarían. Los sedimentos resultantes, que llegarían al océano, serían ricos en nutrientes como el fósforo , lo que, combinado con la abundancia de CO₂ _, desencadenaría una explosión demográfica de cianobacterias . Esto provocaría una reoxigenación relativamente rápida de la atmósfera y podría haber contribuido al surgimiento de la biota ediacárica y la posterior explosión cámbrica : una mayor concentración de oxígeno que permitió el desarrollo de grandes formas de vida multicelulares . Si bien este ciclo de retroalimentación positiva derretiría el hielo en un corto período geológico, quizás menos de 1000 años, la reposición del oxígeno atmosférico y la disminución de los niveles _de CO₂ tardarían milenios más.

Es posible que los niveles de dióxido de carbono hayan descendido lo suficiente como para que la Tierra se congelara de nuevo; este ciclo podría haberse repetido hasta que los continentes se hubieran desplazado hacia latitudes más polares. ^{[ 71 ]} Evidencia más reciente sugiere que, con temperaturas oceánicas más frías, la mayor capacidad resultante de los océanos para disolver gases provocó que el contenido de carbono del agua de mar se oxidara más rápidamente a dióxido de carbono. Esto conduce directamente a un aumento del dióxido de carbono atmosférico, un mayor calentamiento de la superficie terrestre por efecto invernadero y la prevención de un estado de bola de nieve total. ^{[ 72 ]}

Durante millones de años, la crioconita se habría acumulado sobre y dentro del hielo. Microorganismos psicrófilos , ceniza volcánica y polvo de lugares libres de hielo se habrían depositado sobre el hielo, cubriendo varios millones de kilómetros cuadrados. Una vez que el hielo comenzó a derretirse, estas capas se hicieron visibles y oscurecieron las superficies heladas, lo que ayudó a acelerar el proceso. ^{[ 73 ]} Además, la luz ultravioleta del Sol produjo peróxido de hidrógeno ₍ H₂O₂ ₎ al entrar en contacto con las moléculas de agua. Normalmente, el H₂O₂ _se descompone con la luz solar, pero parte _de él habría quedado atrapado dentro del hielo. Cuando los glaciares comenzaron a derretirse, se liberó tanto en el océano como en la atmósfera, donde se descompuso en moléculas de agua y oxígeno, aumentando el oxígeno atmosférico. ^{[ 74 ]}

Si bien la presencia de glaciares no se discute, la idea de que todo el planeta estuvo cubierto de hielo es más controvertida, lo que lleva a algunos científicos a postular una "Tierra bola de nieve", en la que una franja de aguas libres de hielo, o con hielo delgado, permanece alrededor del ecuador, permitiendo un ciclo hidrológico continuo. Esta hipótesis resulta atractiva para los científicos que observan ciertas características del registro sedimentario que solo pueden formarse bajo aguas abiertas o hielo en rápido movimiento (lo que requeriría un lugar libre de hielo al que desplazarse). Investigaciones recientes observaron ciclicidad geoquímica en rocas clásticas , mostrando que los períodos de nieve se vieron interrumpidos por períodos cálidos, similares a los ciclos de las edades de hielo en la historia reciente de la Tierra. Los intentos de construir modelos informáticos de una Tierra bola de nieve han tenido dificultades para acomodar la cobertura global de hielo sin cambios fundamentales en las leyes y constantes que rigen el planeta.

Una hipótesis menos extrema de Tierra bola de nieve implica configuraciones continentales en continua evolución y cambios en la circulación oceánica. ^{[ 75 ]} La evidencia sintetizada ha producido modelos de Tierra bola de lodo ^{[ 76 ]} donde el registro estratigráfico no permite postular glaciaciones globales completas. ^{[ 75 ]} La hipótesis original de Kirschvink ^{[ 11 ]} había reconocido que se esperaría que existieran charcos tropicales cálidos en una Tierra bola de nieve.

Una hipótesis más extrema, la hipótesis de la Tierra del Cinturón de Agua, sugiere que las áreas oceánicas libres de hielo continuaron existiendo incluso cuando los continentes tropicales se glaciaron. ^{[ 77 ]}

Nick Eyles sugiere que la Tierra Bola de Nieve del Neoproterozoico no fue diferente de cualquier otra glaciación en la historia de la Tierra, y que los esfuerzos por encontrar una sola causa probablemente terminen en fracaso. ^{[ 18 ]} La hipótesis de la "grieta de cremallera" propone dos pulsos de "desenrollamiento" continental: primero, la ruptura de Rodinia, formando el proto-Pacífico; luego la división del continente Báltica de Laurentia , formando el proto-Atlántico, coincidiendo con los períodos glaciados. El levantamiento tectónico asociado formaría altas mesetas, al igual que el Rift de África Oriental es responsable de la topografía elevada; este terreno elevado podría albergar glaciares.

Las formaciones de hierro bandeado se han considerado una evidencia ineludible de la existencia de una capa de hielo global, dado que requieren iones de hierro disueltos y aguas anóxicas para su formación; sin embargo, la limitada extensión de los depósitos de hierro bandeado del Neoproterozoico sugiere que podrían haberse formado en mares interiores en lugar de océanos congelados. Dichos mares pueden experimentar una amplia gama de condiciones químicas; las altas tasas de evaporación podrían concentrar los iones de hierro, y la falta periódica de circulación podría permitir la formación de aguas de fondo anóxicas. La fragmentación continental, con la subsidencia asociada, tiende a producir este tipo de masas de agua aisladas. Esta fragmentación, junto con la subsidencia asociada, generaría el espacio necesario para la rápida deposición de sedimentos, eliminando la necesidad de un deshielo inmenso y rápido para elevar el nivel global del mar.

Una hipótesis alternativa para explicar la presencia de hielo en los continentes ecuatoriales planteaba que la inclinación axial de la Tierra era bastante alta, cercana a los 60°, lo que situaría la tierra firme en latitudes elevadas, aunque la evidencia que lo respalda es escasa. ^{[ 83 ]} Una posibilidad menos extrema sería que simplemente el polo magnético de la Tierra se hubiera desplazado hasta esta inclinación, ya que las lecturas magnéticas que sugieren continentes cubiertos de hielo dependen de que los polos magnético y rotacional sean relativamente similares. En cualquiera de estas dos situaciones, la congelación se limitaría a áreas relativamente pequeñas, como ocurre hoy en día; no son necesarios cambios drásticos en el clima de la Tierra.

La evidencia de depósitos glaciares de baja latitud durante los supuestos episodios de la Tierra bola de nieve se ha reinterpretado mediante el concepto de intercambio inercial de deriva polar verdadera . ^{[ 84 ] [ 85 ]} Esta hipótesis, creada para explicar los datos paleomagnéticos, sugiere que la orientación de la Tierra con respecto a su eje de rotación cambió una o más veces durante el marco temporal general atribuido a la Tierra bola de nieve. Esto podría producir la misma distribución de depósitos glaciares sin necesidad de que ninguno de ellos se haya depositado en latitud ecuatorial. ^{[ 86 ]} Si bien la física detrás de la proposición es sólida, la eliminación de un dato erróneo del estudio original hizo que la aplicación del concepto en estas circunstancias fuera injustificada. ^{[ 87 ]}

El Neoproterozoico fue una época de notable diversificación de organismos multicelulares, incluidos los animales. El tamaño y la complejidad de los organismos aumentaron considerablemente después del final de las glaciaciones de la Tierra bola de nieve. Este rápido desarrollo de organismos multicelulares pudo haber sido el resultado de mayores presiones evolutivas derivadas de múltiples ciclos de hielo-calor; en este sentido, los episodios de la Tierra bola de nieve pudieron haber "impulsado" la evolución, de manera similar a como se sabe que las glaciaciones durante el Pleistoceno actuaron como una bomba de diversidad en la Antártida. ^{[ 103 ]} Alternativamente, los niveles fluctuantes de cobre y el aumento del oxígeno pudieron haber desempeñado un papel. Muchas diamictitas Sturtianas se superponen discordantemente a estratos mineralizados de cobre en Groenlandia, América del Norte, Australia y África; la ruptura glacial y la erosión de rocas fuertemente enriquecidas en cobre durante la glaciación Sturtiana, combinadas con la meteorización química de la Gran Provincia Ígnea de Franklin , elevaron enormemente las concentraciones de cobre en el océano. Debido a que el cobre es un componente esencial de muchas proteínas involucradas en la mitigación de la toxicidad del oxígeno , la síntesis de adenosín trifosfato y la producción de elastina y colágeno , entre otras funciones biológicas, este aumento repentino en las concentraciones de cobre fue fundamental para la evolución explosiva de la vida multicelular durante la última parte del Neoproterozoico. Las elevadas concentraciones de cobre persistieron hasta la explosión cámbrica al comienzo del Fanerozoico y probablemente también influyeron en su curso. ^{[ 104 ]}

Una hipótesis que ha cobrado fuerza en los últimos años plantea que las primeras Tierras bola de nieve no influyeron tanto en la evolución de la vida en la Tierra como que fueron consecuencia de ella. De hecho, ambas hipótesis no son mutuamente excluyentes. La idea es que las formas de vida en la Tierra afectan el ciclo global del carbono, y por lo tanto, los principales eventos evolutivos alteran dicho ciclo, redistribuyendo el carbono dentro de diversos reservorios del sistema de la biosfera y, en el proceso, reduciendo temporalmente el reservorio de carbono atmosférico (efecto invernadero) hasta que el sistema de la biosfera revisado se estabiliza en un nuevo estado. Se especula que el período frío de la glaciación huroniana está vinculado a la disminución del contenido atmosférico de gases de efecto invernadero durante el Gran Evento de Oxigenación . De manera similar, la posible Tierra bola de nieve del Criogénico del Precámbrico, entre 580 y 850 millones de años atrás (y que a su vez tuvo varios episodios distintos), podría estar relacionada con el surgimiento de una vida animal multicelular más avanzada y la colonización de la tierra por parte de la vida. ^{[ 105 ] [ 106 ]} Sin embargo, un estudio de 2022, basado en los hallazgos de estudios previos, sugirió que la evolución de las plantas terrestres fue impulsada por las glaciaciones criogénicas, que también teorizaron que fueron la razón por la cual las Zygnematophyceae (grupo hermano de las plantas terrestres ) se volvieron unicelulares y criófilas , perdieron sus flagelos y desarrollaron la conjugación sexual . ^{[ 107 ]}

La hipótesis de la Tierra Bola de Nieve se ha invocado para explicar los depósitos glaciares en el Supergrupo Huroniano de Canadá , aunque la evidencia paleomagnética que sugiere capas de hielo en latitudes bajas es cuestionada, ^{[ 108 ] [ 109 ]} y la evidencia estratigráfica muestra claramente solo tres depósitos distintos de material glaciar (las formaciones Ramsay, Bruce y Gowganda) separados por períodos significativos sin. Los sedimentos glaciares de la formación Makganyene de Sudáfrica son ligeramente más jóvenes que los depósitos glaciares huronianos (~2250 millones de años) y posiblemente se depositaron en latitudes tropicales. ^{[ 110 ]} Se ha propuesto que el aumento de oxígeno libre que ocurrió durante el Gran Evento de Oxigenación eliminó el metano atmosférico a través de la oxidación. Como la irradiancia solar era notablemente más débil en ese momento, el clima de la Tierra pudo haber dependido del metano, un potente gas de efecto invernadero, para mantener las temperaturas superficiales por encima del punto de congelación. En ausencia de este efecto invernadero del metano, las temperaturas se desplomaron y podría haber ocurrido una glaciación global entre 2,5 y 2,2 mil millones de años atrás , durante los períodos sideriano y riaciano de la era paleoproterozoica. ^{[ 109 ]}

Hubo tres o cuatro edades de hielo significativas durante el Neoproterozoico tardío. De estas, la Marinoana fue la más significativa, y las glaciaciones Sturtianas también fueron generalizadas. ^{[ 111 ]} Incluso el principal defensor de la teoría de la bola de nieve, Hoffman, está de acuerdo en que la glaciación de Gaskiers de 350 mil años de duración ^{[ 1 ]} no condujo a una glaciación global, ^{[ 54 ]} aunque probablemente fue tan intensa como la glaciación del Ordovícico tardío . El estatus de la "glaciación" o "evento de enfriamiento" de Kaigas es actualmente incierto; algunos científicos no la reconocen como glacial, otros sospechan que puede reflejar estratos mal datados de asociación Sturtiana, y otros creen que de hecho puede ser una tercera edad de hielo. ^{[ 112 ]} Ciertamente fue menos significativa que las glaciaciones Sturtiana o Marinoana, y probablemente no de extensión global. La evidencia emergente sugiere que la Tierra sufrió varias glaciaciones durante el Neoproterozoico, lo que estaría en fuerte desacuerdo con la hipótesis de la bola de nieve. ^{[ 4 ]}