Przejdź do treści

Szybkie zmiany nasłonecznienia planet mogą prowadzić do globalnych zlodowaceń

Współczesna Antarktyda – tak wyglądać mogła powierzchnia Ziemi śnieżki.

Najnowsze badania sugerują, że również egzoplanety krążące w strefach zamieszkiwalnych swych gwiazd mogą być podatne na... epoki lodowcowe.

Jak dobrze wiemy, już co najmniej dwa razy w historii Ziemi prawie cała nasza planeta była pokryta grubą warstwą śniegu i lodu. Te wydarzenia zwane epokami lodowcowymi miały miejsce w krótkich odstępach czasu, mniej więcej około 700 milionów lat temu, a dowody wskazują na to, że kolejno następujące po sobie, globalne epoki lodowcowe sprzyjały późniejszej eksplozji złożonego, wielokomórkowego życia na Ziemi.

Naukowcy rozważyli wiele scenariuszy tego, co mogło wywołać poszczególne epoki lodowcowe. Choć nie zidentyfikowano żadnego pojedynczego odpowiedzialnego za to procesu, zakłada się dziś, że cokolwiek spowodowało te tymczasowe zlodowacenia, musiało mieć związek z przekroczeniem przez planetę pewnego krytycznego progu, takiego jak redukcja docierającego do jej powierzchni światła słonecznego lub spadek poziomu atmosferycznego dwutlenku węgla do zawartości wystarczająco niskich do zapoczątkowania  globalnej ekspansji lodu.

Tymczasem uczeni z MIT stwierdzili właśnie, że zlodowaciała Ziemia była prawdopodobnie produktem tzw. „zlodowacenia wywołanego szybkością”. Oznacza to, że Ziemia może przejść w stan globalnej epoki lodowcowej, gdy tylko poziom otrzymywanego przez nią promieniowania słonecznego zmieni się szybko w geologicznie krótkim okresie. Ilość promieniowania nie musi przy tym spaść do określonej wartości - a raczej jeśli tylko spadek napływającego do powierzchni światła zacznie postępować szybciej od pewnej wartości krytycznej, proces rozpocznie się, skutkując tymczasowym zlodowaceniem.

Wyniki badań dowodzą, że cokolwiek na Ziemi wyzwala globalne zlodowacenia, z dużym prawdopodobieństwem wiąże się z procesami prowadzącymi do dość gwałtownej redukcji ilości promieniowania Słońca docierającego do jej powierzchni. Mogą to być na przykład masowe erupcje wulkanów lub związane z życiem biologicznym formowanie się… blokujących światło słoneczne chmur.

Oczywiście wnioski te mogą się też stosować do naszych poszukiwań życia poza Ziemią. Naukowcom nie bez powodu zależy na znalezieniu egzoplanet krążących w ekosferach - w takiej odległości od ich gwiazd macierzystych, która mieściłaby się w zakresie temperatur, w jakich może występować znane nam życie oparte na węglu i wodzie. Nowe badania naukowców z MIT sugerują natomiast, że te planety, podobnie jak i Ziemia, mogą również tymczasowo pokrywać się lodem, jeśli tylko ich klimat wystarczająco gwałtownie się zmienia. Nawet jeśli znajdują się one już w strefie nadającej się do zamieszkania, takie planety podobne do Ziemi mogą być bardziej podatne na globalne epoki lodowcowe, niż wcześniej sądzono.

- Możemy wykryć planetę, która jest w klasycznej strefie zamieszkiwanej, ale jeśli zmiany w jej nasłonecznieniu zachodzą zbyt szybko, wówczas powstaje coś, co naukowcy nazywają Ziemią-śnieżką - mówi główny autor pracy, Constantin Arnscheidt, absolwent Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach na MIT (EAPS). Arnscheidt jest jej współautorem wraz z Danielem Rothmanem, profesorem geofizyki EAPS oraz współzałożycielem i współdyrektorem Lorenz Center.

Niezależnie od konkretnych procesów, które zapoczątkowały poprzednie zlodowacenia, naukowcy w ogólności zgadzają się co do tego, że ta planetarna śnieżna kula powstaje w wyniku „efektu ucieczki”. Efekt ten obejmuje sprzężenie zwrotne związane z lodowym albedo: w miarę zmniejszania się ilości docierającego światła słonecznego lód rozszerza się od biegunów aż po równik. Ale gdy coraz więcej lodu pokrywa kulę ziemską, planeta staje się znów coraz bardziej “odblaskowa” - czyli jasna; innymi słowy, ma coraz wyższe albedo, co dodatkowo chłodzi jej powierzchnię, skutkiem czego lodu może być na niej jeszcze więcej. W końcu, gdy lód osiągnie już pewien określony zasięg, zaczynamy mieć do czynienia z procesem niekontrolowanym, prowadzącym do globalnego zlodowacenia.

Globalne epoki lodowcowe na Ziemi mają charakter tymczasowy ze względu na cykl węglowy naszej planety. Gdy więc Ziemia nie jest pokryta lodem, poziom dwutlenku węgla w atmosferze jest w pewnym stopniu kontrolowany przez procesy wietrzenia skał i minerałów. Kiedy jest jednak pokryta lodem, wietrzenie jest znacznie ograniczone, skutkiem czego dwutlenek węgla gromadzi się w atmosferze i wywołuje efekt cieplarniany, który ostatecznie “rozmraża” planetę z epoki lodowcowej. Zatem zlodowacenia mają wiele wspólnego z równowagą pomiędzy napływającym światłem słonecznym, sprzężeniem zwrotnym pomiędzy zasięgiem lodu i albedo, oraz globalnym cyklem węglowym.

- Istnieje wiele pomysłów na to, co powoduje te globalne zlodowacenia, ale tak naprawdę wszystkie one sprowadzają się do pewnej zmiany w poziomie napływającego promieniowania słonecznego - dodaje Arnscheidt. - Generalnie chodzi jednak tak czy inaczej o przekroczenia pewnego progu.

On sam i Rothman już wcześniej badali inne okresy geologiczne w historii Ziemi, w których prędkość lub tempo, w jakim zachodziły zmiany klimatyczne, odgrywały ważną rolę w wywoływaniu istotnych wydarzeń takich jak masowe wymieranie gatunków w przeszłości. - To wtedy zdaliśmy sobie sprawę, że istnieje natychmiastowy sposób zastosowania tych samych pomysłów i metod do badań zmian prowadzących do pojawienia się efektu “śnieżnych Ziem” i problemu zamieszkiwalności planet - mówi Rothman.

Naukowcy opracowali zatem prosty model matematyczny dla układu klimatycznego Ziemi, który obejmuje równania przedstawiające relacje między napływającym i traconym przez nią promieniowaniem słonecznym, temperaturą jej powierzchni, stężeniem dwutlenku węgla w jej atmosferze oraz wpływem warunków atmosferycznych na pochłanianie i magazynowanie atmosferycznego dwutlenku węgla. Naukowcom udało się dostroić każdy z tych parametrów tak, aby mogli zaobserwować, jakie dokładnie warunki wygenerowały w przeszłości zlodowaciałą Ziemię śnieżkę.

 

Stany klimatyczne związane z określonymi wartościami odgazowywania wulkanicznego i strumieniem promieniowania gwiazd.

Na wykresie: Stany klimatyczne związane z określonymi wartościami odgazowywania wulkanicznego i strumieniem promieniowania gwiazd. Odgazowywanie wulkaniczne V zostało znormalizowane przez współczynnik wietrzenia w (T0, P0), oznaczony jako W0. System wykazuje możliwość wystąpienia stabilnych stanów ciepłych i stabilnych stanów zlodowacenia. Zgodnie z wcześniejszymi pracami wykazuje również możliwość wystąpienia cyklu granicznego, w którym cały układ oscyluje między stanami ciepłymi i zlodowaconymi.

 

Ostatecznie odkryli, że nasza planeta była bardziej podatna na zamarzanie, gdy ilość napływającego do niej promieniowania słonecznego spadała w tempie szybszym niż wartość krytyczna, ale wcale niekoniecznie aż do progu krytycznego, czyli ściśle określonego poziomu napływającego promieniowania. Istnieje niepewność co do tego, jaki dokładnie byłby ten współczynnik krytyczny, ponieważ model taki jest zawsze tylko uproszczoną reprezentacją klimatu Ziemi. Niemniej jednak Arnscheidt szacuje, że Ziemia musiałaby doświadczyć około 2-procentowego spadku docierającego do jej powierzchni światła słonecznego w okresie około 10 000 lat, aby przejść do kolejnej globalnej epoki lodowcowej.

- Można założyć, że przeszłe zlodowacenia zostały wywołane przez szybkie zmiany w ilości promieniowania Słońca - podsumowuje Arnscheidt.

Konkretne mechanizmy, które zdołały tak szybko zaciemnić nasze niebo na dziesiątki tysięcy lat, wciąż są przedmiotem debaty. Jedną z możliwości jest to, że rozpowszechnione na dawnej Ziemi wulkany mogły wyrzucać aerozole do atmosfery, skutecznie blokując światło słoneczne nad całym globem. Inna jest taka, że to ewolucja prostych alg doprowadziła do wyzwolenia mechanizmów ułatwiających tworzenie się silnie odbijających światło Słońca chmur. Niezależnie od tego wyniki nowych badań sugerują, że naukowcy mogą rozważać te i podobne procesy szybko redukujące napływające promieniowanie słoneczne jako najbardziej prawdopodobne przyczyny epok lodowcowych na Ziemi.

- Nawet jeśli ludzie nie są w stanie wywołać zlodowacenia na naszej obecnej trajektorii klimatycznej, istnienie takiego punktu krytycznego jest wciąż powodem do niepokoju - podkreśla Arnscheidt.  - Uczy nas to między innymi, że powinniśmy uważać również na szybkość, z jaką modyfikujemy klimat Ziemi, a nie tylko na wielkość tych zmian. Mogą istnieć i inne punkty krytyczne wywołane przez tempo wzrostu, które mogą zostać wywołane przez ocieplenie antropogeniczne. Zidentyfikowanie ich jest wartościowym celem dalszych badań.


Czytaj więcej:


 

Źródło: MIT

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na zdjęciu: Współczesna Antarktyda – tak wyglądać mogła powierzchnia Ziemi śnieżki. Źródło: Stephen Hudson - Praca własna, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1557321