Снижение солнечного потока могло спровоцировать образование «ледяной планеты»

По меньшей мере дважды в истории Земли почти вся планета была покрыта слоем снега и льда. Эти события "снежной земли" произошли в быстрой последовательности, где-то приблизительно 700 миллионов лет назад, и данные свидетельствуют о том, что последовательные глобальные ледниковые периоды подготовили планету для последующего взрыва сложной многоклеточной жизни на Земле.

Ученые рассмотрели несколько сценариев того, что могло привести планету к каждому ледниковому периоду. Хотя ни один из этих процессов не был идентифицирован, предполагается, что то, что вызвало временное замораживание планеты, должно было сделать это таким образом, чтобы подтолкнуть планету к критическому порогу. Возможно это было снижение поступающего солнечного света или увеличение атмосферного углекислого газа до уровней, достаточно низких, чтобы вызвать глобальный рост льда.

Но ученые Массачусетского технологического института обнаружили, что Земля могла быть «сброшена» в глобальный Ледниковый период после того, как уровень солнечной радиации, которую она получала, быстро изменился в течение геологически короткого периода времени. Количество солнечной радиации не должно падать до определенной пороговой точки; до тех пор, пока уменьшение поступающего солнечного света происходит быстрее, чем критическая скорость оледенения.

Эти результаты, опубликованные в журнале «Proceedings of the Royal Society A», предполагают, что то, что вызвало ледниковые периоды Земли, скорее всего, включало процессы, которые быстро уменьшили количество поступающей солнечной радиации, такие как широко распространенные вулканические извержения или биологически индуцированное образование облаков, которые могли бы значительно блокировать солнечные лучи.

Полученные результаты могут быть также использованы для поиска жизни на других планетах. Исследователи были увлечены поиском экзопланет в пределах обитаемой зоны - на расстоянии от их звезды, которое было бы в пределах температурного диапазона, который мог бы поддерживать жизнь. Новое исследование предполагает, что планеты, как и Земля, также могут временно замерзнуть, если их климат резко изменится. Даже если они находятся в пределах обитаемой зоны, планеты земного типа могут быть более восприимчивы к глобальным ледниковым периодам, чем считалось ранее.

«У вас может быть планета, которая остается в пределах классической обитаемой зоны, но если количество поступающего солнечного света меняется слишком быстро, вы можете получить снежную землю», - говорит ведущий автор Константин Арншейдт, аспирант кафедры Земли, атмосферы и планетарных наук Массачусетского технологического института (EAPS).

Независимо от конкретных процессов, которые вызвали прошлые оледенения, ученые в целом согласны с тем, что снежная земля возникала из-за «временного» эффекта, включающего обратную связь лед-альбедо: по мере уменьшения поступающего солнечного света лед расширяется от полюсов к экватору. По мере того, как все больше льда покрывает земной шар, планета становится более отражающей, или выше в альбедо, что еще больше охлаждает поверхность для дальнейшего роста количества льда. В конечном счете, если лед достигает определенной площади, это становится неконтролируемым процессом, приводящим к глобальному оледенению.

Глобальные ледниковые периоды на земле носят временный характер из-за круговорота углерода на планете. Когда планета не покрыта льдом, уровень углекислого газа в атмосфере контролируется поверхностью. Когда планета покрыта льдом, выветривание значительно уменьшается, так что углекислый газ накапливается в атмосфере, создавая парниковый эффект, который в конечном итоге оттаивает планету от ее ледникового периода.

Ученые в целом согласны с тем, что образование снежных планет имеет какое-то отношение к балансу между поступающим солнечным светом, обратной связью лед-альбедо и глобальным углеродным циклом.

«Есть много идей о том, что вызвало эти глобальные оледенения, но все они на самом деле сводятся к некоторой неявной модификации поступающей солнечной радиации», - говорит Арншейдт. «Но обычно это изучается в контексте перехода через порог».

Исследователи разработали простую математическую модель климатической системы Земли, которая включает уравнения для представления соотношений между входящей и исходящей солнечной радиацией, температурой поверхности Земли, концентрацией углекислого газа в атмосфере и влиянием атмосферных осадков на поглощение и хранение углекислого газа. Исследователи смогли настроить каждый из этих параметров, чтобы наблюдать, какие условия породили ледниковый период.

В конечном счете они обнаружили, что планета с большей вероятностью замерзнет, если поступающее солнечное излучение будет быстро уменьшаться, причем быстрее критической скорости, а не до критического порога или определенного уровня солнечного потока. Существует некоторая неопределенность в том, какой именно будет эта критическая скорость, поскольку модель представляет собой упрощенное представление о климате Земли. Тем не менее, по оценкам Арншейдта, чтобы перейти в глобальный Ледниковый период, Земля должна была бы испытать примерно 2-процентное падение поступающего солнечного света в течение примерно 10 000 лет.

«Разумно предположить, что прошлые оледенения были вызваны геологически быстрыми изменениями поступающей солнечной радиации», - говорит Арншейдт.

Конкретные механизмы, которые, возможно, быстро «затемняли» небо на протяжении десятков тысяч лет, все еще обсуждаются. Одним из предположений являются вулканы, которые могли выбрасывать аэрозоли в атмосферу, блокируя поступающий солнечный свет по всему миру. Во-вторых, примитивные водоросли, возможно, развили механизмы, которые способствовали образованию светоотражающих облаков. Результаты этого нового исследования предполагают, что ученые могут рассматривать такие процессы, как эти, которые быстро уменьшают поступающую солнечную радиацию, как более вероятные триггеры для ледниковых периодов Земли.

«Даже если человечество своим безрассудством не вызовет нового снежного оледенения на нашей нынешней климатической траектории, существование такой переломной точки в глобальном масштабе все еще может оставаться причиной для беспокойства»,-указывает Арншейдт. «Например, она учит нас, что мы должны опасаться скорости, с которой мы изменяем климат Земли, а не только величины изменений. Возможно, существуют и другие подобные переломные моменты, вызванные антропогенным потеплением. Выявление этих факторов и ограничение их критических значений является важной задачей для дальнейших исследований».