入射阳光的骤降可能引发了“雪球地球”

在地球历史上至少有两次，几乎整个地球都被冰雪覆盖。这些戏剧性的雪球地球事件相继发生，大约发生在7亿年前，有证据表明，连续的全球冰河时代为随后地球上复杂的多细胞生命的爆发奠定了基础。科学家们已经考虑了可能导致地球进入每个冰河时代的多种情况。虽然还没有确定单一的驱动过程，但它假设，无论是什么引发了暂时的冰冻，一定是以某种方式将地球推过了一个关键门槛，比如将大气中的二氧化碳减少到足以引发全球冰层扩张的水平。

但麻省理工学院的科学家现在表示，“雪球地球”很可能是由速率引起的冰川作用的产物。也就是说，他们发现，当地球接收到的太阳辐射水平在地质上很短的一段时间内迅速变化时，它可能会进入全球冰河时代。太阳辐射量不一定要降到某个特定的临界点；只要入射太阳光的减少速度快于临界速率，就会出现暂时的冰川，或称“雪球地球”(Snowball Earth)。

发表在“英国皇家学会学报”上的这些发现表明，无论是什么引发了地球的冰河时代，都很可能涉及到迅速减少到达地表的太阳辐射量的过程，比如大范围的火山喷发或生物诱导的云形成，这些过程可能会显著阻挡太阳射线。

这些发现也可能适用于在其他星球上寻找生命。研究人员一直热衷于在宜居带内寻找系外行星-距离他们的恒星的距离将在可以支持生命的温度范围内。这项新的研究表明，如果气候突然变化，这些行星和地球一样，也可能暂时结冰。即使它们位于宜居地带，类似地球的行星也可能比之前认为的更容易受到全球冰河时代的影响。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的主要作者康斯坦丁·阿恩施泰德(Constantin Arnscheidt)说，你可以拥有一颗保持在经典宜居地带内的行星，但如果进入的阳光变化太快，你可能会得到一个雪球地球(Snowball Earth)。这突出了一个概念，那就是宜居性的概念有更多的细微差别。

Arnscheidt与EAPS地球物理学教授丹尼尔·罗斯曼(Daniel Rothman)共同撰写了这篇论文，他也是洛伦茨中心(Lorenz Center)的联合创始人和联合主任。

不管是什么特殊的过程引发了过去的冰川，科学家们普遍认为，雪球地球是由一种涉及冰反照率反馈的失控效应形成的：随着入射阳光的减少，冰从两极膨胀到赤道。随着更多的冰覆盖地球，地球的反射率会变得更高，或者反照率会更高，这会进一步冷却地表，使更多的冰膨胀。最终，如果冰层达到一定程度，这就会变成一个失控的过程，导致全球冰川。

由于地球的碳循环，地球上的全球冰期本质上是暂时的。当地球没有被冰覆盖时，大气中的二氧化碳水平在某种程度上受到岩石和矿物风化的控制。当地球被冰覆盖时，风化作用大大减少，因此二氧化碳在大气中积聚，产生温室效应，最终将地球从冰河时代解冻出来。

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。

阿恩斯凯德说，关于造成这些全球冰川的原因有很多想法，但它们实际上都归结为对进入地球的太阳辐射进行了某种隐含的修改。但一般来说，它是在跨过门槛的背景下进行研究的。

他和罗斯曼之前曾研究过地球历史上的其他时期，在这些时期，某些气候变化发生的速度或速率在触发事件中起到了作用，比如过去的大灭绝。

罗斯曼说，在这个练习的过程中，我们意识到有一个直接的方法可以通过将这种费率诱导小费的想法应用到雪球地球和宜居性上来表达一个严肃的观点。

研究人员开发了一个简单的地球气候系统数学模型，其中包括表示太阳辐射传入和传出、地球表面温度、大气中二氧化碳浓度以及气候变化对吸收和储存影响之间关系的方程。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，如果到来的太阳辐射以比临界速率更快的速度迅速减少，而不是降到临界阈值或特定的阳光水平，那么行星更有可能结冰。这个临界速率到底是多少还存在一些不确定性，因为该模型是地球气候的简化表示。然而，Arnscheidt估计，地球必须在大约10000年的时间里经历大约2%的入射阳光下降，才能进入全球冰河时代。

Arnscheidt说，假设过去的冰川是由太阳辐射的地质快速变化引起的，这是合理的。

几万年来可能使天空迅速变暗的特殊机制仍然存在争议。一种可能性是，大范围的火山可能向大气中喷发了气溶胶，阻挡了世界各地进入的阳光。另一种观点是，原始藻类可能进化出了促进光反射云形成的机制。这项新研究的结果表明，科学家可能会认为这样的过程更有可能引发地球的冰河时代，这些过程会迅速减少到来的太阳辐射。

Arnscheidt指出，尽管人类不会在我们目前的气候轨迹上引发滚雪球般的冰川运动，但在全球范围内存在这样一个由速率引发的临界点可能仍然是一个令人担忧的问题。例如，它告诉我们，我们应该警惕我们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类似的由速率引起的临界点。识别这些并限制它们的临界速率是进一步研究的一个有价值的目标。更多信息：全球冰川之路，皇家学会学报A，royalSocietyPublishing.org/doi…。.1098/rspa.2020.0303