至少在地球历史上，整个星球几乎被雪和冰覆盖了两次。这些戏剧性的“雪球地球”事件大约发生在7亿年前，证据表明，连续的全球冰川期为地球上复杂的多细胞生命的爆发奠定了基础。科学家们已经考虑了多种可能导致地球进入每个冰川期的情景。虽然还没有确定单一的驱动过程，但假设任何触发暂时冻结的过程都必须以某种方式推动地球超过一个关键阈值，例如减少入射阳光或大气二氧化碳的水平，以引发全球冰的扩展。
但麻省理工学院的科学家现在表示，雪球地球很可能是“速率诱导冰川作用”的结果。也就是说，他们发现当地球接收到的太阳辐射水平在地质上的短时间内快速变化时，地球可以被推入全球冰川期。太阳辐射的量不必下降到特定的阈值点；只要入射阳光的减少速度快于一个关键速率，就会随之而来一个暂时的冰川作用或雪球地球。
这些发现发表在《皇家学会A辑》上，表明无论是什么触发了地球的冰川期，最可能涉及的是快速减少到达地表的太阳辐射的过程，例如广泛的火山喷发或生物诱导的云形成，这些过程可能显著阻挡太阳光线。这些发现也可能适用于寻找其他星球上的生命。研究人员一直热衷于在宜居带内寻找系外行星——一个距离其恒星的距离，该距离将处于可以支持生命的温度范围内。
这项新研究建议，这些行星，像地球一样，如果它们的气候突然变化，也可能暂时冰冻。即使它们位于宜居带内，地球般的行星也可能比以前认为的更容易受到全球冰川期的影响。
“你可以有一个保持在经典宜居带内的行星，但如果入射阳光变化得太快，你可能会得到一个雪球地球，”主要作者康斯坦丁·阿恩谢伊特说，他是麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的研究生。“这突显出宜居性概念中有如此多的细微差别。”阿恩谢伊特与丹尼尔·罗斯曼共同撰写了这篇论文，罗斯曼是EAPS的地质物理学教授，也是洛伦兹中心的联合创始人和联合主任。
无论是什么特定的过程触发了过去的冰川作用，科学家们普遍认为雪球地球起源于一个“失控”的效应，涉及冰-反照率反馈：随着入射阳光的减少，冰从两极扩展到赤道。随着更多的冰覆盖全球，地球变得更加反射，或反照率更高，这进一步冷却了表面，以便更多的冰扩展。最终，如果冰达到一定的程度，这成为一个失控的过程，导致全球冰川作用。
地球上的全球冰川期本质上是暂时的，这是由于地球的碳循环。当行星不被冰覆盖时，大气中的二氧化碳水平在某种程度上由岩石和矿物的风化控制。当行星被冰覆盖时，风化大大减少，因此二氧化碳在大气中积累，产生温室效应，最终使行星从冰川期中解冻。科学家们普遍认为，雪球地球的形成与入射阳光、冰-反照率反馈和全球碳循环之间的平衡有关。
“有很多关于是什么导致了这些全球冰川作用的想法，但它们都真正归结为一些隐含的入射太阳辐射的修改，”阿恩谢伊特说。“但通常它是在跨越阈值的背景下研究的。”他和罗斯曼之前研究过地球历史上其他时期，其中某些气候变化的速度或速率在触发事件（如过去的物种大灭绝）中发挥了作用。“在这个过程中，我们意识到有一种立即的方式通过将速率诱导的临界点的想法应用于雪球地球和宜居性来提出一个严肃的观点，”罗斯曼说。
“对速度要谨慎”研究人员开发了一个简单的地球气候系统的数学模型，其中包括代表入射和出射太阳辐射、地球表面温度、大气中二氧化碳浓度以及风化作用吸收和储存大气二氧化碳的影响之间关系的方程。研究人员能够调整这些参数中的每一个，以观察哪些条件生成了雪球地球。最终，他们发现如果入射太阳辐射以比关键速率更快的速度快速减少，而不是到一个关键阈值或特定的阳光水平，行星更有可能冻结。
对于确切的关键速率是什么存在一些不确定性，因为该模型是地球气候的简化表示。尽管如此，阿恩谢伊特估计，地球必须在大约10,000年的时间里经历大约2%的入射阳光下降，才能陷入全球冰川期。
“假设过去的冰川作用是由地质上快速的太阳辐射变化引起的，这是合理的，”阿恩谢伊特说。在数万年的时间里，可能迅速使天空变暗的特定机制仍在争论中。一种可能性是广泛的火山可能向大气中喷射气溶胶，阻挡了世界各地的入射阳光。另一种可能性是原始藻类可能进化出促进形成反光云的机制。这项新研究的结果表明，科学家们可能会考虑这些迅速减少入射太阳辐射的过程，作为地球冰川期更可能的触发因素。
“尽管人类不会在我们当前的气候轨迹上触发雪球冰川作用，但这种全球规模的‘速率诱导的临界点’的存在可能仍然是一个值得关注的原因，”阿恩谢伊特指出。“例如，它教会我们，我们应该对我们正在修改地球气候的速度保持警惕，而不仅仅是变化的幅度。可能还有其他这样的速率诱导的临界点，可能会被人为的变暖触发。识别这些并限制它们的关键速率是进一步研究的一个值得的目标。”