(图片说明:地球进入雪球期的模拟动画)
因此,与其说问题是地球如何在全球范围内变成雪球,不如问这个过程究竟是如何启动的。
最近,来自麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的研究生Constantin W. Arnscheidt似乎找到了这个问题的答案,并且在《英国皇家学会会刊A》上发表了自己的研究成果。
他们指出:“我们知道,当类地行星的辐射通量或者二氧化碳含量的变化超过一个临界值时,就会有冰川形成。不过,在这里,我们证明并解释了另一种可能:如果辐射通量的变化速率达到某个特定值时,也会导致冰川的形成。”
模拟为了研究这一过程,他们采用了计算机模拟的方式来试图还原这个过程。在模拟中,他们主要研究了两个关键因素:
- 辐射通量:衡量太阳辐射到达地球的量及其变化;
- 碳酸盐-硅酸盐循环:又叫做无机碳循环,从中可以清楚地看到大气层中的碳元素被固定在岩石中,然后又通过火山活动回到大气中的过程和数量,从侧面反映了地球所经历的气候事件。
(图片说明:横坐标为太阳辐射,纵坐标为火山气体及风化作用的归一化函数,粉色区域为稳定的冰川期,白色为稳定的温暖期)
结果显示,地球的全球冰川化出现的主要原因,就在于太阳辐射的降低。他们估计,如果太阳的辐射量降低2%,那么整个地球就会在10000年的时间里被冰川所覆盖。在这个过程中,他们做了一些必要的简化,所以这个速度未必完全精确,但他们对这个数字还是比较有信心的。
“这是辐射平衡和大气中的二氧化碳通过碳酸盐-硅酸盐循环平衡在一定时间尺度下维持下来的结果,在速率诱导的冰河期过程中,维持稳定的温暖气候模式并没有失稳,这就使得我们确定了两种不同的冰川化途径。”
他们提出的两种途径,其一是火山排出气体的量迅速增加,其二是太阳的辐射量迅速减少。二者的共同结果,就是增加更多的冰川,将更多阳光反射出去。
(图片说明:纵坐标为火山气体的体积,横坐标为太阳辐射的总通量,二者的下降是导致地球进入雪球期的两种途径)
这里要说明的是,太阳辐射量的降低未必是太阳自身的原因,也可能是地球的变化,比如火山气体遮挡住了阳光,或者是原始藻类导致的反射性云层,又或者两个因素叠加在一起的结果。
总之,他们得到的结论是:太阳辐射的降低的确可以造成地球冰川的出现,而地球的冰川又会呈滚雪球式的增长,最终在全球范围内进入雪球期。
对未来的警示