A hógolyó-Föld hipotézis feltételezése szerint a Föld történetének egy vagy több hűtőházi (icehouse) szakasza során, a kriogén földtörténeti időszakban, több mint 650 millió évvel ezelőtt a felszínt teljesen vagy csaknem teljesen jég borította. Az elmélet támogatói szerint ez a legjobb magyarázat a trópusok környékén előforduló, általában glaciális eredetűnek tartott üledékes kőzetek és más, rejtélyes geológiai képződmények kialakulására. Az elmélet ellenzői vitatják a globális eljegesedésre utaló geológiai bizonyítékok létét, a jég vagy jégolvadék borította óceán geofizikai kialakulásának lehetőségét és kiemelik a teljesen fagyott állapotból történő kiszabadulás nehézségeit. Számos kérdés megválaszolatlanul maradt, például, hogy a Föld teljes hógolyó volt-e vagy az egyenlítői sávban megmaradt-e egy keskeny nyílt – vagy időszakosan nyílt – vízfelület.
A hógolyó-Föld-események a feltételezések szerint a többsejtű létformák gyors ütemben bekövetkező evolúciós radiációja, a kambriumi robbanás előtt mentek végbe. Az is lehetséges, hogy a többsejtű élőlények megjelenését a legújabb hógolyóepizód indította el. Egy másik, sokkal korábbi és tovább tartó hógolyóeseményt, a 2400-2100 millió évvel ezelőtt bekövetkezett Huron-eljegesedést az oxigénnek a légkörben való első megjelenése, a nagy oxigenizációs esemény okozhatta.
Története
Bizonyítékok az ősi eljegesedési eseményekre
Már hosszú idővel a globális eljegesedés gondolatának megjelenése előtt felfedezések sorozata vezetett az ősi, prekambriumi eljegesedések bizonyítékainak összegyűjtéséhez. Az egyik ilyen felfedezést Joseph Thomson (1858–1895) tette közzé 1871-ben, aki ősi, gleccserek által megmunkált anyagot, tillitet talált a skót Islay szigetén. Ezt a felfedezést hasonlók követték Ausztráliában (1884) és Indiában (1887). Egy negyedik, nagyon szemléletes felfedezés volt a később Reusch-morénaként ismert lelet, amiről Hans Reusch norvég geológus írt beszámolót 1891-ben. Ezeket a felfedezéseket számos további követte, de ezek megértését a kontinensvándorlás elméletének elutasítása nehezítette.
A globális eljegesedés hipotézise 260px|jobbra|bélyegkép|A hógolyó-Föld forgatókönyve
Sir Douglas Mawson (1882–1958) ausztrál geológus és Antarktisz-kutató pályafutásának nagy részében Dél-Ausztrália neoproterozoikumbeli földtörténeti időszakának rétegtanával foglalkozott. Kutatásai során a régióban vastag és kiterjedt glaciális üledéket talált, melyekről pályafutása vége felé úgy vélekedett, hogy azokat egy globális eljegesedés okozhatta. Mawsonnak a globális eljegesedésről alkotott elképzelései azonban azon a téves feltételezésen alapultak, hogy Ausztráliának és azoknak a kontinenseknek a földrajzi pozíciója, melyeken alacsony szélességi fokokon fekvő glaciális lerakódásokat találtak, az idők folyamán állandó maradt. A kontinensvándorlás hipotézisének előtérbe kerülésével és a lemeztektonika elméletével később könnyebben meg lehetett magyarázni a glaciális üledékek jelenlétét — ezek még akkor rakódtak le, amikor a kontinensek magasabb szélességi fokokon feküdtek.
1964-ben W. Brian Harland brit geológus egy tanulmányában ismét felmerült a globális méretű eljegesedés gondolata. A tanulmányban olyan paleomégneses adatokat mutatott be, mely igazolták, hogy a Spitzbergákon és Grönlandon talált glaciális tillitek trópusi szélességi fokokon rakódtak le. Véleménye szerint ezek a paleomágneses adatok, valamint az üledékekből származó bizonyítékok, melyek azt igazolták, hogy a glaciális üledékek felboríthatják a trópusokon vagy mérsékelt övön található kőzetek szukcesszióját, egy olyan jégkorszak bizonyítékai, mely a tengeri glaciális kőzetek lerakódását eredményezte a trópusokon. Az 1960-as években a szovjet Mihail Budiko klimatológus egy egyszerű, energia-egyensúlyon alapuló klímamodellt fejlesztett ki a jégtakaró hatásának a globális klímára történő vizsgálatára. A modellkísérlet alkalmazásával Budiko úgy találta, hogy ha a jégtakaró eléggé előre nyomul a sarki régiókból, olyan visszacsatolás következik be, amely öngerjesztő folyamatot eredményez, a jég megnövekedett visszaverőképessége (albedó) további lehűléshez és további jégképződéshez vezet, mígnem a Föld teljes felületét borító jégtakaróval alakul ki egyensúly.
Bár a Budiko által létrehozott modell megmutatta, hogy az ilyen jég-albedó egyensúly megtörténhet, arra a következtetésre jutott, hogy ez az esemény valójában soha nem következett be, mivel modellje nem mutatott kiutat az ilyen visszacsatolt hurokból. 1971-ben az amerikai Aron Faegre fizikus rámutatott, hogy egy hasonló, energia-egyensúlyon alapuló modell három stabil globális klímaállapot kialakulását jósolta meg, ezek közül egyik a hógolyó-Föld volt. Ez a modell bevezette Edward Lorenz intratranzitivitás-elméletét, ami azt mondta ki, hogy nagyobb ugrás is bekövetkezhet egyik klímaállapotról a másikra, ezek közül egyik a hógolyó-Föld is lehet. A hógolyó-Föld kifejezést Joseph Kirschvink amerikai geológus alkotta meg egy 1992-ben kiadott rövid tanulmányában, mely egy a proterozoikum (földtörténeti előidő) biológiájával foglalkozó mű része volt. A tanulmány fő megállapításai: (1) annak felismerése, hogy a sávos vasérc formációk jelenléte megfelel egy ilyen globális eljegesedési eseménynek, és (2) egy olyan mechanizmusnak a bevezetése az elméletbe, mellyel a teljes mértékben jég borította Föld, elsősorban a vulkánokból származó szén-dioxid felhalmozódása következtében kialakult ultra-üvegházhatás eredményeképpen kiszabadulhat a jég szorításából.
Franklyn Van Houtennek a tavak szintjének következetes geológiai változására vonatkozó felfedezése a Van Houten-ciklus. Az üledékes kőzetekben való foszforlerakódásokra és sávos vasércformációkra vonatkozó tanulmányai már hamar arra utaltak, hogy ő a hógolyó-Föld hipotézis első hívei közé tartozik, mely szerint bolygónk felszíne több mint 650 millió évvel ezelőtt teljesen befagyott.Princeton University - Franklyn Van Houten, expert on sedimentary rocks, dies at 96
A hógolyó-Föld elmélete iránti érdeklődés drámai módon fellángolt, miután Paul F. Hoffman és munkatársai Kirschvink elméleteit Namíbiában talált, a neoproterozoikumból származó üledékes kőzetek szukcessziójára alkalmazták, és munkájukat 1998-ben megjelentették a Science magazinban. 2010-ben Francis A. Macdonald, a Harvard Egyetem Föld- és Bolygóközi Tudományok osztályának adjunktusa, munkatársaival bizonyítékokat tárt elő arra, hogy a Rodinia szuperkontinens a kriogén földtörténeti időszakban Egyenlítő közeli szélességi fokokon terült el, és a tengerszinten, vagy az alatt jég borította, továbbá az akkori sturti eljegesedés globális volt.
Bizonyítékok
A hógolyó-Föld hipotézist eredetileg azért alkották meg, hogy magyarázatot adjanak a trópusi szélességi fokokon egykor kétségtelenül jelen lévő gleccserekre utaló geológiai bizonyítékokra. A megalkotott modellek szerint a jég fényvisszaverő képessége miatt kialakuló pozitív visszacsatolás következtében a jégtakaró gyorsan terjedt az Egyenlítő felé, miután a gleccserek elérték a 25.-től a 30° szélességi fokig terjedő területeket. Emiatt a glaciális lerakódások jelenléte a trópusokon globális jégtakaró meglétére utal.
Ezért az elmélet érvényességének megítélése szempontjából fontos a bizonyítékok megbízhatóságának és jelentőségének megértése, melyekből azt a következtetést vonhatták le, hogy a jégtakaró egykoron elérte a trópusokat. Ezeknek a bizonyítékoknak a következő három tényt kell igazolniuk: a kőzetágy olyan üledékes struktúrákat tartalmaz, amelyeket csak glaciális tevékenység hozhatott létre; a lerakódások keletkezése idején a kőzetágy a trópusokon feküdt; a gleccserek a Föld különböző helyein ugyanabban az időben voltak aktívak, és ugyanabból az időből nem létezik más lerakódás.
Ez utóbbi pontot nagyon nehéz igazolni. Az ediakara földtörténeti időszak előtti kőzetek időmeghatározására alkalmazott biosztratigráfiai markerek hiányoznak; emiatt nincs lehetőség annak bizonyítására, hogy a földgolyó különböző pontjain talált kőzetminták pontosan ugyanakkor keletkeztek. Legjobb esetben radiometriai módszerek használhatók a kőzetek korának becslésére, de ezek pontossága egymillió év körüli.
Az egyes eseteket vizsgálva az első két pont gyakran vita tárgyát képezi. Sok glaciális jellegzetességet nem glaciális okok is előidézhetnek, és a földterületek 200 millió évvel ezelőtti helyzetének megbecslése is sok kihívást jelent.
Palaeomágnesesség
A hógolyó-Föld hipotézist eredetileg az Egyenlítő közelében fellelhető glaciális eredetű lerakódások magyarázataként alkották meg. Mivel a tektonikai lemezek az idők folyamán lassan vándorolnak, a Föld hosszú történelmének egy adott pontján elfoglalt helyzetük megállapítása nem egyszerű. Annak figyelembe vétele mellett, hogy a felismerhető földterületek hogyan illeszkedhettek egymáshoz, a kőzetek egykori földrajzi helyének meghatározása a paleomágnesség vizsgálatával lehetséges.
A mágneses ásványokat tartalmazó kőzetek kialakulásakor a mágnesezhető anyagok igyekeznek a Föld mágneses mezejének irányába beállni. Ez a jelenség üledékes kőzeteknél, a magma kihűlése során, vagy kémiai reakciók következtében is létrejön. Ennek a palaeomágneses hatásnak a pontos mérésével meg lehet becsülni, hogy az adott közetmátrix milyen szélességi fokon alakult ki (a hosszúsági fok nem állapítható meg). A paleomágneses mérések azt mutatják, hogy egyes, a neoproterozoikumban keletkezett glaciális eredetű üledékek az Egyenlítőtől 10 szélességi fokon belül alakultak ki, bár ennek a becslésnek a pontosságát megkérdőjelezik. Az ilyen nyilvánvalóan glaciális eredetű üledékek (például a jég által távolról odahordott dropstone képződmények) paleomágneses helymeghatározása arra utalhat, hogy az üledékek lerakódása idején még a trópusi szélességi fokokon is a szárazföldtől a tengerekig húzódtak a gleccserek. Nincs arra utaló bizonyíték, hogy ez globális eljegesedést jelentett-e, vagy csak helyi jellegűt. Egyes kutatók azt állítják, hogy az adatok többsége nem tartalmaz információt az Egyenlítőtől 25 fokon belül keletkezett glaciális lerakódásokra. Az elmélet szkeptikusai szerint a paleomágneses adatok félrevezetők lehetnek, ha az ősi Föld mágneses tere lényegesen különbözött a maiétól. Állításuk szerint a Föld magjának hűlési sebességétől függően lehetséges, hogy a proterozoikum során a mágneses mező nem kétpólusú volt, mint napjainkban, amikor az északi és déli mágneses pólusok nagyjából egybe esnek a Föld forgástengelyével. Ehelyett a forróbb belső mag sokkal határozottabban foroghatott, akár négy, nyolc vagy még több pólust kialakítva. Ebben az esetben a paleomágneses adatokat újra kell értékelni, mivel az üledékes kőzetek az Északi-sark helyett például egy „Nyugati-sark” felé is beállhattak. Az is előfordulhatott, hogy a Föld kétpólusú mágneses mezeje olyan irányú volt, hogy a pólusok az Egyenlítő közelében voltak. Ezzel a hipotézissel próbálták megmagyarázni a mágneses pólusoknak az ediakara időszakra vonatkozó feljegyzések által sejtetett rendkívül gyors mozgását. Az Északi-sark feltételezett vándorlása ugyanakkor történhetett, amikor a Gaskiers-eljegesedés.
A paleomágneses adatok használatának másik gyenge pontja annak meghatározása, hogy a mágneses jelek eredetiek-e, vagy későbbi földmágneses tevékenység állította be őket. Például egy hegységképződési folyamat során a metamorf reakciók melléktermékei, a hévizek akár többezer kilométerrel arrébb fekvő kőzetekben is hagyhatják mágneses ujjlenyomatukat. Emiatt a néhány millió évnél idősebb kőzetek adatainak hitelességét nehéz részletekre kiterjedő ásványtani vizsgálatok nélkül igazolni. Emellett további bizonyítékok gyűlnek arra vonatkozóan, hogy nagy léptékű újramágnesezést maguk után vonó események következtek be, ami a paleomágneses pólusok becsült helyzetének felülvizsgálatát teszi szükségessé.