Et dyk i indkommende sollys kan have udløst Snowball Earths

Mindst to gange i Jordens historie, næsten hele planeten var indkapslet i et ark af sne og is. Disse dramatiske "Snowball Earth"-begivenheder fandt sted hurtigt efter hinanden, et sted for omkring 700 millioner år siden, og beviser tyder på, at de på hinanden følgende globale istider satte scenen for den efterfølgende eksplosion af kompleks, flercellet liv på Jorden.

Forskere har overvejet flere scenarier for, hvad der kan have tippet planeten ind i hver istid. Selvom der ikke er identificeret en enkelt køreproces, det antages, at hvad end der udløste de midlertidige fastfrysninger, må have gjort det på en måde, der skubbede planeten forbi en kritisk tærskel, såsom at reducere indkommende sollys eller atmosfærisk kuldioxid til niveauer, der er lave nok til at sætte gang i en global udvidelse af is.

Men MIT-forskere siger nu, at Snowball Earths sandsynligvis var et produkt af "hastighedsinducerede istider." Det er, de fandt ud af, at Jorden kan vippes ind i en global istid, når niveauet af solstråling, den modtager, ændres hurtigt over en geologisk kort periode. Mængden af ​​solstråling behøver ikke at falde til et bestemt tærskelpunkt; så længe faldet i indgående sollys sker hurtigere end en kritisk hastighed, en midlertidig istid, eller Snowball Earth, vil følge.

Disse fund, offentliggjort i Proceedings of the Royal Society A , tyder på, at hvad end der udløste Jordens istider, højst sandsynligt involverede processer, der hurtigt reducerede mængden af ​​solstråling, der kom til overfladen, såsom udbredte vulkanudbrud eller biologisk induceret skydannelse, der i væsentlig grad kunne have blokeret solens stråler.

Resultaterne kan også gælde for søgen efter liv på andre planeter. Forskere har været ivrige efter at finde exoplaneter inden for den beboelige zone - en afstand fra deres stjerne, der ville være inden for et temperaturområde, der kunne understøtte liv. Den nye undersøgelse tyder på, at disse planeter, som Jorden, kan også midlertidigt ise over, hvis deres klima ændrer sig brat. Selvom de ligger inden for en beboelig zone, Jordlignende planeter kan være mere modtagelige for globale istider end tidligere antaget.

"Du kunne have en planet, der holder sig godt inden for den klassiske beboelige zone, men hvis indkommende sollys ændrer sig for hurtigt, du kunne få en sneboldjord, "siger hovedforfatter Constantin Arnscheidt, en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS). "Det, dette fremhæver, er forestillingen om, at der er så meget mere nuance i begrebet beboelighed."

Arnscheidt har skrevet avisen sammen med Daniel Rothman, EAPS professor i geofysik, og medstifter og meddirektør for Lorenz Center.

En løbsk snebold

Uanset de særlige processer, der udløste tidligere istider, videnskabsmænd er generelt enige om, at Snowball Earths opstod fra en "løbsk" effekt, der involverede en is-albedo-feedback:Efterhånden som indkommende sollys reduceres, is udvider sig fra polerne til ækvator. Efterhånden som mere is dækker kloden, planeten bliver mere reflekterende, eller højere i albedo, som yderligere afkøler overfladen, så mere is kan udvide sig. Til sidst, hvis isen når et vist omfang, dette bliver en løbsk proces, resulterer i en global glaciation.

Globale istider på Jorden er af midlertidig karakter, på grund af planetens kulstofkredsløb. Når planeten ikke er dækket af is, niveauer af kuldioxid i atmosfæren er i nogen grad styret af forvitring af sten og mineraler. Når planeten er dækket af is, forvitring er stærkt reduceret, så kuldioxid ophobes i atmosfæren, skabe en drivhuseffekt, der til sidst tøer planeten op af sin istid.

Forskere er generelt enige om, at dannelsen af ​​sneboldjorder har noget at gøre med balancen mellem indkommende sollys, is-albedo-feedbacken, og det globale kulstofkredsløb.

"Der er masser af ideer til, hvad der forårsagede disse globale istider, men de koger alle virkelig ned til en implicit modifikation af solstråling, der kommer ind, " siger Arnscheidt. "Men generelt er det blevet undersøgt i forbindelse med at krydse en tærskel."

Han og Rothman havde tidligere studeret andre perioder i Jordens historie, hvor hastigheden, eller den hastighed, hvormed visse klimaændringer skete, havde en rolle i at udløse begivenheder, såsom tidligere masseudryddelser.

"I løbet af denne øvelse, vi indså, at der var en øjeblikkelig måde at gøre en seriøs pointe på ved at anvende sådanne ideer om rate-induceret drikkepenge, til Snowball Earth og beboelighed, " siger Rothman.

"Pas på farten"

Forskerne udviklede en simpel matematisk model af Jordens klimasystem, der inkluderer ligninger til at repræsentere forholdet mellem indgående og udgående solstråling, jordens overfladetemperatur, koncentrationen af ​​kuldioxid i atmosfæren, og virkningerne af forvitring ved optagelse og opbevaring af atmosfærisk kuldioxid. Forskerne var i stand til at tune hver af disse parametre for at observere, hvilke forhold der genererede en sneboldjord.

Ultimativt, de fandt ud af, at en planet var mere tilbøjelig til at fryse, hvis den indkommende solstråling faldt hurtigt, med en hastighed, der var hurtigere end en kritisk hastighed, snarere end til en kritisk tærskel, eller et bestemt niveau af sollys. Der er en vis usikkerhed i præcis, hvad den kritiske sats ville være, da modellen er en forenklet fremstilling af Jordens klima. Alligevel, Arnscheidt anslår, at Jorden skulle opleve et fald på omkring 2 procent i indkommende sollys over en periode på omkring 10, 000 år til at tippe ind i en global istid.

"Det er rimeligt at antage tidligere istider blev induceret af geologisk hurtige ændringer i solstråling, " siger Arnscheidt.

De særlige mekanismer, der hurtigt kan have formørket himlen over titusinder af år, er stadig til debat. En mulighed er, at udbredte vulkaner kan have spyet aerosoler ud i atmosfæren, blokerer for indkommende sollys rundt om i verden. En anden er, at primitive alger kan have udviklet mekanismer, der lettede dannelsen af ​​lysreflekterende skyer. Resultaterne fra denne nye undersøgelse tyder på, at forskere kan overveje processer som disse, som hurtigt reducerer indgående solstråling, som mere sandsynlige udløsere for Jordens istider.

"Selvom menneskeheden ikke vil udløse en sneboldglaciation på vores nuværende klimabane, eksistensen af ​​et sådant "rente-induceret vendepunkt" på verdensplan kan stadig være en grund til bekymring, " påpeger Arnscheidt. "F.eks. det lærer os, at vi skal være på vagt over for den hastighed, hvormed vi ændrer Jordens klima, ikke kun størrelsen af ​​ændringen. Der kan være andre sådanne hastighedsinducerede vendepunkter, der kan udløses af menneskeskabt opvarmning. At identificere disse og begrænse deres kritiske rater er et værdifuldt mål for yderligere forskning."