全球掩蓋在冰之下的「雪球地球」情景,陽光入射量迅速減少是觸發關鍵

作者 | 發布日期 2020 年 08 月 03 日 15:35 | 分類 環境科學 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


歷史上,地球至少有 2 次全球被覆蓋在冰雪之下,連海洋都凍結,稱為雪球地球,但確切的觸發因素仍然未知。最近科學家提出一種新理論來解釋,有別於以往認為是太陽輻射量降到閾值之下才引發,麻省理工學院科學家指出,地球步調被打亂、短時間內陽光入射量迅速下降就會引起這種現象。

雪球地球(Snowball Earth)一詞是為了解釋一些地質現象而提出的假說,由加州理工學院地質教授 Joseph Kirschvink 於 1992 年首度使用。該理論指出新元古代(Neoproterozoic,符號 NP)曾發生過一次嚴峻冰河期,當時地球海洋全部被凍結,地球表面全部被冰川覆蓋。僅厚達 2 公里的冰層下存有少量因地熱而融化的液態水。

雪球地球情景與冰河期(ice age)不同,冰河時期是地球大氣與地表長期處於低溫、導致極地冰蓋與高山冰川大幅擴張覆蓋整個大陸的一段時期,目前最後一個冰河期結束於約 11,000 年前,但與雪球地球相比,冰河期只是小巫見大巫。

不過目前還找不太到觸發雪球地球的成因,長期以來,研究人員認為雪球地球的形成與入射陽光、冰反照率反饋和全球碳循環之間的平衡有關,即陽光輻射通量或二氧化碳通量變化降低到閾值之下,由於抵達地球表面的陽光入射量大減、或二氧化碳大幅逸散到外太空,便導致全球冰川化。

但是麻省理工學院科學家 Constantin Arnscheidt 提出另一種解釋:如果陽光輻射通量或二氧化碳通量並未超過臨界閾值、而是變化的速率超過閾值呢?

在新模型中,研究人員模擬了冰河期的地球動力系統──主要是冰反照率反饋(ice-albedo feedback)與碳酸鹽-矽酸鹽循環(carbonate-silicate cycle)的相互作用,結合入射和反側的太陽輻射、地球表面溫度、大氣中二氧化碳濃度、風化作用對吸收與反射太陽輻射等變量,觀察究竟是哪些條件引發雪球地球。

冰反照率反饋屬於積極反饋,隨著地球凍結接近雪球地球,結冰的表面將更多陽光反射回外太空,反過來又加速了進行中的冷卻效果。但隨著地球表面的冰變多,碳酸鹽-矽酸鹽循環卻亂序了,被冰層密封的岩石吸收大氣碳的能力降低,因此大氣實際上會積累二氧化碳產生溫室效應,最終使行星脫離冰河期,這也是理論上為何雖然存在冰反照率反饋、但地球不會陷入永久雪球地球狀態的原因。

模擬結果表明,當太陽輻射量以比臨界速率更快的速度下降,就算沒有達到陽光入射量臨界閾值,引發雪球地球的機率也更大。Constantin Arnscheidt 估計,太陽入射量如果在 10,000 年時間內迅速下降約 2%,就會進入雪球地球時代。

地球上有哪些機制過程可能導致陽光入射量迅速減少?研究人員指出:火山爆發把大量氣膠噴入大氣、或是某些原始藻類可促進光反射雲形成等,都有可能觸發雪球地球。

這項模擬告訴我們不只要警惕氣候變化的幅度,還要多關注變化速度,並注意人為活動是否可能誘發導致陽光入射量減少的臨界點。新論文發表在《皇家學會報告 A》(Proceedings of the Royal Society A)。

(首圖來源:Stephen Hudson / CC BY-SA