“雪球地球”可能是由于入射阳光的暴跌而触发的-“警惕速度”

研究结果还表明，位于宜居区域的系外行星可能易受冰河期的影响。

在地球历史上至少有两次，几乎整个星球都包裹在一片冰雪之中。这些戏剧性的“雪球地球”事件在大约7亿年前迅速发生，并且有证据表明，连续的全球冰河时代为随后复杂的多细胞生命在地球上爆炸奠定了基础。

科学家考虑了可能导致地球进入每个冰河时代的多种情景。尽管尚未确定任何单一的驾驶过程，但假设触发临时冻结的任何因素都必须以某种方式将行星推到超过临界阈值的水平，例如将进入的阳光或大气中的二氧化碳减少到足以降低温度的水平在全球范围内扩张。

但是，麻省理工学院的科学家现在说，“雪球地球”很可能是“速率诱发的冰川”的产物。就是说，他们发现，只要在短短的地质时期内接收到的太阳辐射水平迅速变化，地球就可以进入全球冰河时代。太阳辐射量不必降至特定的阈值点；只要入射阳光的减少发生速度快于临界速度，就会出现暂时的冰川或雪球地球。

这些发现发表在皇家学会A论文集上，表明引发地球冰河世纪的任何原因最有可能涉及迅速减少到达地面的太阳辐射量的过程，例如广泛的火山喷发或生物诱发的云层形成。可能会大大遮挡阳光。

麻省理工学院的一项研究表明，“雪球地球”全球冰河时代的触发因素可能是由于地质学的原因，入射阳光的下降是迅速发生的。

这些发现也可能适用于寻找其他星球上的生命。研究人员一直热衷于在宜居区域内寻找系外行星-距恒星的距离应在可以维持生命的温度范围内。这项新的研究表明，如果这些行星的气候突然变化，它们也可能像地球一样暂时结冰。即使它们位于一个宜居区域，类似地球的行星也可能比以前认为的更容易受到全球冰河时期的影响。

麻省理工学院地球，大气与行星科学系的研究生康斯坦丁·阿恩谢伊特（Constantin Arnscheidt）说：“您可能有一个行星可以很好地停留在古典宜居区域内，但是如果入射的太阳光变化太快，您可能会得到一个雪球地球。 （EAPS）。“这突显出一种观念，即可居住性的概念有很多细微差别。”

Arnscheidt与EAPS地球物理学教授，洛伦茨中心的联合创始人兼联合主席Daniel Rothman共同撰写了该论文。

失控的雪球

不管触发过去冰川的特殊过程如何，科学家们普遍认为，雪球地球是由涉及冰-反照率反馈的“失控”效应引起的：随着入射阳光的减少，冰从两极膨胀到赤道。随着越来越多的冰覆盖地球，行星的反射率变得更高，反照率也更高，这将进一步冷却表面，使更多的冰膨胀。最终，如果冰达到一定程度，这将成为失控的过程，从而导致全球冰川。

由于行星的碳循环，地球上的全球冰河时代本质上是暂时的。当行星没有被冰覆盖时，大气中二氧化碳的水平在某种程度上受岩石和矿物风化的影响。当行星被冰覆盖时，风化作用大大降低，因此大气中会积累二氧化碳，产生温室效应，最终使行星脱离冰河时期。

科学家们普遍认为，雪球地球的形成与入射阳光，冰反照率反馈和全球碳循环之间的平衡有关。

“引起这些全球冰川的原因有很多，但它们都可以归结为对太阳辐射的一些隐式修改，” Arnscheidt说。“但是通常是在超过阈值的情况下进行研究的。”

他和罗斯曼以前曾研究过地球历史上的其他时期，其中某些气候变化的速度或速率与触发事件有关，例如过去的物种大灭绝。

罗斯曼说：“在这项工作的过程中，我们意识到有一种直接的方法，可以对雪球地球和可居住性应用这种费率诱导小费的观点。”

“提防速度”

研究人员开发了一个简单的地球气候系统数学模型，其中包括代表入射和流出太阳辐射，地球表面温度，大气中二氧化碳浓度以及风化对吸收和吸收太阳辐射之间关系的方程式。储存大气中的二氧化碳。研究人员能够调整这些参数中的每一个，以观察哪些条件产生了“雪球地球”。

最终，他们发现，如果传入的太阳辐射以比临界速率更快的速度下降，而不是达到临界阈值或特定水平的阳光，则迅速下降的可能性更大。由于该模型是地球气候的简化表示，因此确切的临界速率将存在一些不确定性。尽管如此，阿恩舍伊特（Arnscheidt）估计，在大约10,000年的时间内，地球将不得不经历约2％的入射阳光下降，才能进入全球冰河时代。

“可以合理地假设过去的冰川是由太阳辐射的地质学上的快速变化引起的，” Arnscheidt说。

在数万年的时间里，可能迅速使天空一片漆黑的特定机制仍有待争论。一种可能性是广泛的火山可能将气溶胶喷入大气中，从而阻挡了世界各地传入的阳光。另一个是原始藻类可能具有促进光反射云形成的进化机制。这项新研究的结果表明，科学家可能会考虑像这样的过程，这些过程会迅速减少入射的太阳辐射，这很可能是地球冰河时期的触发因素。

Arnscheidt指出：“即使人类不会在我们当前的气候轨迹上引发雪球般的消融，但在全球范围内仍存在这样一个'由利率引起的临界点'，这仍然值得关注。”“例如，它告诉我们，我们应该警惕改变地球气候的速度，而不仅仅是变化的幅度。人为变暖可能会触发其他此类速率诱发的临界点。识别并限制其临界率是进一步研究的一个有价值的目标。”

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参考：康斯坦丁·W·阿恩沙伊特（Constantin W. Arnscheidt）和丹尼尔·H·罗斯曼（Daniel H.Rothman）的全球冰川之旅，2020年7月29日，皇家学会A的议事录。DOI：
10.1098 / rspa.2020.0303

这项研究部分由麻省理工学院的洛伦兹中心资助。