Установлена причина глобальных оледенений

Глобальные ледниковые периоды в истории Земли наступали, когда уровень солнечного излучения резко менялся в течение короткого по геологическим меркам периода времени, выяснили американские ученые. Их работу опубликовал журнал Proceedings of the Royal Society A.

В истории Земли были как минимум два периода — в палеопротерозое 2,4-2,1 миллиарда лет назад и в неопротерозое 850-630 миллионов лет назад, когда вся поверхность планеты покрывалась льдом. С окончанием второго периода по времени связан резкий расцвет сложной многоклеточной жизни на Земле. Поэтому не только геологи, но и планетологи, изучающие экзопланеты, лежащие в обитаемых зонах, ищут причины, которые могут вызвать глобальные оледенения.

Ученые из Массачусетского технологического института рассмотрели несколько сценариев, в которых в качестве главных драйверов всеобщего похолодания рассматривались уровни поступающего к поверхности солнечного света и углекислого газа в атмосфере.

У планеты есть свои внутренние механизмы регулирования этих параметров, поэтому, по мнению исследователей, чтобы преодолеть критический порог любого из них, события должны развиваться очень быстро, то есть важнейшим фактором является скорость климатических изменений.

Авторы считают, что резкое снижение солнечной радиации, достигающей поверхности, могло быть связано с массовым извержением вулканов или образованием биологически индуцированных облаков, блокирующих солнечный свет. И в том и в другом случае происходит охлаждение планеты и расширение зоны льдов.

После этого включается положительная обратная связь: чем больше площадь льдов, тем больше альбедо — отражательная способность поверхности Земли, и тем больше солнечных лучей отражается, не нагревая планету. Процесс охлаждения ускоряется до тех пор, пока льды не покрывают всю планету.

Но любые глобальные ледниковые периоды на Земле носят временный характер из-за существования углеродного цикла. Когда планета не покрыта льдом, уровни углекислого газа в атмосфере в некоторой степени контролируются выветриванием горных пород. Когда планета покрыта льдом, выветривание значительно уменьшается, и углекислый газ накапливается в атмосфере, создавая парниковый эффект, который в конечном итоге выводит планету из ледникового периода.

Исследователи разработали простую математическую модель климатической системы Земли, которая включает уравнения отношений между входящей и исходящей солнечной радиацией, температурой поверхности Земли, концентрацией углекислого газа в атмосфере и последствиями выветривания.

Оказалось, что для превращения планеты в "снежок" скорость уменьшения поступающего солнечного излучения — более важный параметр, чем величина его потока. По оценкам авторов, Земля должна испытать примерно двухпроцентное падение входящего солнечного света в течение десяти тысяч лет, чтобы вернуться в глобальный ледниковый период.

Ученые думают, что их выводы можно распространить и на экзопланеты, находящиеся в потенциально обитаемой зоне. Они также могут покрыться льдом, если резко снизится уровень поступающего к их поверхности излучения от звезды.

"У вас может быть планета, которая находится в пределах классической обитаемой зоны, но если входящий солнечный свет меняется слишком быстро, вы можете получить планету-"снежок", — приводятся в пресс-релизе института слова первого автора исследования Константина Арншайдта (Constantin Arnscheidt), аспиранта факультета наук о Земле, атмосфере и планетах. — Это указывает на то, что в концепции обитаемости гораздо больше нюансов".

По мнению авторов, формирование снежных планет зависит от баланса между поступающим солнечным светом, обратной связью ледяного альбедо и глобальным углеродным циклом. Ученые планируют продолжить свои исследования, чтобы точнее определить критические значения для каждого из этих параметров.