Minstens twee keer in de geschiedenis van de aarde, bijna de hele planeet was gehuld in een laag sneeuw en ijs. Deze dramatische "Sneeuwbal Aarde"-gebeurtenissen vonden snel achter elkaar plaats, ergens ongeveer 700 miljoen jaar geleden, en bewijs suggereert dat de opeenvolgende wereldwijde ijstijden het toneel vormden voor de daaropvolgende explosie van complexe, meercellig leven op aarde.

Wetenschappers hebben meerdere scenario's overwogen voor wat de planeet mogelijk in elke ijstijd heeft doen storten. Hoewel er geen enkel rijproces is geïdentificeerd, er wordt aangenomen dat wat de tijdelijke bevriezing ook veroorzaakte, dit op een manier moet hebben gedaan die de planeet voorbij een kritieke drempel duwde, zoals het verminderen van binnenkomend zonlicht of atmosferische kooldioxide tot niveaus die laag genoeg zijn om een ​​wereldwijde expansie van ijs te veroorzaken.

Maar MIT-wetenschappers zeggen nu dat Snowball Earths waarschijnlijk het product waren van 'snelheid-geïnduceerde ijstijden'. Dat is, ze ontdekten dat de aarde in een wereldwijde ijstijd kan worden gekanteld wanneer het niveau van zonnestraling dat het ontvangt snel verandert in een geologisch korte tijdsperiode. De hoeveelheid zonnestraling hoeft niet tot een bepaald drempelpunt te dalen; zolang de afname van invallend zonlicht sneller plaatsvindt dan een kritische snelheid, een tijdelijke ijstijd, of Sneeuwbal Aarde, zal volgen.

Deze bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings van de Royal Society A , suggereren dat wat de ijstijden van de aarde ook veroorzaakte, hoogstwaarschijnlijk processen betrof die de hoeveelheid zonnestraling die naar de oppervlakte kwam snel verminderden, zoals wijdverbreide vulkaanuitbarstingen of biologisch geïnduceerde wolkenvorming die de zonnestralen aanzienlijk hadden kunnen blokkeren.

De bevindingen kunnen ook van toepassing zijn op het zoeken naar leven op andere planeten. Onderzoekers waren dol op het vinden van exoplaneten binnen de bewoonbare zone - een afstand van hun ster die binnen een temperatuurbereik zou liggen dat leven zou kunnen ondersteunen. De nieuwe studie suggereert dat deze planeten, zoals de aarde, kunnen ook tijdelijk bevriezen als hun klimaat abrupt verandert. Zelfs als ze binnen een bewoonbare zone liggen, Aardachtige planeten zijn mogelijk vatbaarder voor wereldwijde ijstijden dan eerder werd gedacht.

"Je zou een planeet kunnen hebben die ruim binnen de klassieke bewoonbare zone blijft, maar als binnenkomend zonlicht te snel verandert, je zou een sneeuwbalaarde kunnen krijgen, " zegt hoofdauteur Constantin Arnscheidt, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen (EAPS). "Wat dit benadrukt, is het idee dat er zoveel meer nuance is in het concept van bewoonbaarheid."

Arnscheidt is co-auteur van het artikel met Daniel Rothman, EAPS hoogleraar geofysica, en mede-oprichter en mede-directeur van het Lorenz Center.

Een weggelopen sneeuwbal

Ongeacht de specifieke processen die eerdere ijstijden veroorzaakten, wetenschappers zijn het er in het algemeen over eens dat sneeuwbalaarde is ontstaan ​​uit een "op hol geslagen" effect met een ijs-albedo-feedback:naarmate het binnenkomende zonlicht wordt verminderd, ijs zet uit van de polen tot aan de evenaar. Naarmate meer ijs de wereld bedekt, de planeet wordt meer reflecterend, of hoger in albedo, waardoor het oppervlak verder afkoelt zodat meer ijs kan uitzetten. Eventueel, als het ijs een bepaalde hoogte bereikt, dit wordt een op hol geslagen proces, resulterend in een wereldwijde ijstijd.

Wereldwijde ijstijden op aarde zijn tijdelijk van aard, vanwege de koolstofcyclus van de planeet. Als de planeet niet bedekt is met ijs, niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer worden enigszins gecontroleerd door de verwering van rotsen en mineralen. Als de planeet bedekt is met ijs, verwering wordt sterk verminderd, zodat kooldioxide zich ophoopt in de atmosfeer, het creëren van een broeikaseffect dat uiteindelijk de planeet uit zijn ijstijd ontdooit.

Wetenschappers zijn het er in het algemeen over eens dat de vorming van sneeuwbalaarde iets te maken heeft met de balans tussen invallend zonlicht, de ijs-albedo-feedback, en de wereldwijde koolstofcyclus.

"Er zijn veel ideeën over de oorzaak van deze wereldwijde ijstijden, maar ze komen allemaal neer op een impliciete wijziging van de zonnestraling die binnenkomt, "zegt Arnscheidt. "Maar over het algemeen is het onderzocht in de context van het oversteken van een drempel."

Hij en Rothman hadden eerder andere perioden in de geschiedenis van de aarde bestudeerd waar de snelheid, of snelheid waarmee bepaalde klimaatveranderingen een rol speelden bij het veroorzaken van gebeurtenissen, zoals eerdere massa-extincties.

"Tijdens deze oefening we realiseerden ons dat er een directe manier was om een ​​serieus punt te maken door dergelijke ideeën van tariefgeïnduceerde fooien toe te passen, naar Sneeuwbal Aarde en bewoonbaarheid, ' zegt Rothman.

"Pas op voor snelheid"

De onderzoekers ontwikkelden een eenvoudig wiskundig model van het klimaatsysteem van de aarde dat vergelijkingen bevat om de relaties tussen inkomende en uitgaande zonnestraling weer te geven, de oppervlaktetemperatuur van de aarde, de concentratie van kooldioxide in de atmosfeer, en de effecten van verwering bij het opnemen en opslaan van atmosferisch koolstofdioxide. De onderzoekers waren in staat om elk van deze parameters af te stemmen om te zien onder welke omstandigheden een sneeuwbalaarde ontstond.

uiteindelijk, ze ontdekten dat een planeet meer kans had om te bevriezen als de binnenkomende zonnestraling snel afnam, met een snelheid die sneller was dan een kritieke snelheid, in plaats van tot een kritische drempel, of een bepaald niveau van zonlicht. Er is enige onzekerheid over wat die kritieke snelheid precies zou zijn, aangezien het model een vereenvoudigde weergave is van het klimaat op aarde. Hoe dan ook, Arnscheidt schat dat de aarde over een periode van ongeveer 10 jaar een daling van ongeveer 2 procent in binnenkomend zonlicht zou moeten ervaren, 000 jaar om een ​​wereldwijde ijstijd in te gaan.

"Het is redelijk om aan te nemen dat ijstijden in het verleden werden veroorzaakt door geologisch snelle veranderingen in zonnestraling, ' zegt Arnscheidt.

De specifieke mechanismen die de lucht in de loop van tienduizenden jaren mogelijk snel hebben verduisterd, staan ​​​​nog steeds ter discussie. Een mogelijkheid is dat wijdverspreide vulkanen aerosolen in de atmosfeer hebben gespuwd, het blokkeren van binnenkomend zonlicht over de hele wereld. Een andere is dat primitieve algen mechanismen hebben ontwikkeld die de vorming van lichtreflecterende wolken mogelijk hebben gemaakt. De resultaten van deze nieuwe studie suggereren dat wetenschappers processen zoals deze kunnen overwegen, die binnenkomende zonnestraling snel verminderen, als meer waarschijnlijke triggers voor de ijstijden van de aarde.

"Hoewel de mensheid geen sneeuwbal-glaciatie zal veroorzaken op ons huidige klimaattraject, het bestaan ​​van zo'n 'rate-induced tipping point' op wereldschaal kan nog steeds een reden tot zorg blijven, " merkt Arnscheidt op. "Bijvoorbeeld, het leert ons dat we op onze hoede moeten zijn voor de snelheid waarmee we het klimaat op aarde veranderen, niet alleen de omvang van de verandering. Er kunnen andere dergelijke door snelheid geïnduceerde kantelpunten zijn die kunnen worden veroorzaakt door antropogene opwarming. Het identificeren van deze en het beperken van hun kritieke tarieven is een waardevol doel voor verder onderzoek."