Ett av de mest extrema klimatavsnitt som jorden har upplevt var under den så kallade Snowball Earth, 720 miljoner år sedan. Under denna period sträckte sig glaciärer från polerna till tropikerna, vilket resulterar i en planet helt täckt av is.

Snowball Earth-hypotesen har varit föremål för vetenskaplig debatt i cirka 20 år:forskare är både fascinerade och förbryllade över hur planeten skulle kunna gå ner i ett så konstigt klimattillstånd.

Ny forskning pekar nu på att spektakulärt stora vulkanutbrott är viktiga i denna process. Vi föreslår att detta hände eftersom stora mängder koldioxid drogs ut ur atmosfären efter stora utbrott, och detta ledde till en förlust av värme från jordens yta.

Förvånande, mekanismen för detta verkar vara berg erosion.

Olika typer av vulkaner

Sambandet mellan vulkanutbrott och klimatet är väl etablerat. Till exempel, svavel som sprutades in i atmosfären från utbrottet 1991 på Filippinerna, Mount Pinatubo, sänkte globala temperaturer med ungefär en halv grad i cirka 15 månader. Svavel reflekterade inkommande solstrålning och sänkte globala temperaturer.

Vulkaner som Mt Pinatubo är en del av vulkaniska bågar som producerar relativt små volymer av utbrott material. Över hela världen, bågvulkaner producerar tillsammans mindre än en kubik kilometer (1 km³) utbrutet material per år.

Jämför detta med en typ av vulkanutbrott som kallas en "stor magmatisk provins" (vi kommer att hänvisa till dem här som en LIP). Dessa utbrott är spektakulärt stora, producerar över 100 km³ per år med lavas, och avgörande, har totala utbrottsmängder överstigande 1 miljon km³ och täcker ett område större än 1 miljon km². (För jämförelse, området i södra Australien är ungefär 1 miljon km²). Dessa är återuppbyggnadsevenemang på kontinental skala.

Mer än 300 av dessa LIP -utbrott har erkänts genom jordens historia, och de verkar toppa i halvregelbundna cykler.

Långsiktiga klimateffekter

Medan vissa relativt små vulkanutbrott kommer att ha kortsiktiga klimateffekter, de långsiktiga effekterna av LIP-vulkaner kan vara djupa.

Anledningen till detta kokar ner till enkel kemi. Koldioxid i atmosfären löser sig i regn, och faller till marken där den reagerar med silikatmineraler i klipporna. Koldioxid bildar bikarbonat, och blir slutligen inlåst i kalkstenar och skifferformationer.

Under hundratusentals år regleras mängden koldioxid i atmosfären ganska effektivt på detta sätt. Forskare uppskattar att vittring av stenar förbrukar cirka 600 miljoner ton koldioxid per år.

Geologiska formationer från LIP vulkanutbrott är särskilt känsliga för denna process, eftersom de till stor del består av basalter, en typ av finkornig vulkanisk sten som väder relativt snabbt och suger upp koldioxid mer effektivt än andra bergarter, som granit.

Men vulkanutbrott från LIP kan också påverka klimatet på ett annat sätt:genom att utlösa fotosyntes.

Att koppla vulkanutbrott till fotosyntes kan verka konstigt, men allt handlar om näringsämnen. Vi har nyligen visat att erosionen av geologiska formationer som basalt från LIP -vulkaner gödslar floder och hav genom att frigöra fosfor.

Fosfor är en viktig komponent i DNA och allt liv kräver det. Under långa tidsperioder, fosfor är näringsämnet som reglerar fotosynteshastigheten. Och när fotosyntesen äger rum, den tar också upp koldioxid från atmosfären.

Nedstigning till Snowball Earth

Vår senaste artikel fokuserade på att avgöra om erosionen av basalt från LIP -vulkaner bidrog till minskningen av atmosfärisk koldioxid i samband med Snowball Earth. Initial modellering förutspådde en halvering av atmosfärisk koldioxid skulle krävas för att driva jorden in i Snowball-tillståndet.

Att göra detta, vi mätte olika former (kända som isotoper) av det sällsynta jordelementet neodym (Nd) som spårar erosionen av basalt i sedimentära bergarter. Vi fokuserade särskilt på bidraget från eroderad basalt i skiffer, som är stenformationer skapade av kontinental erosion.

Också, vi mätte isotoper av elementet strontium (Sr) i kalksten, som registrerar den kemiska sammansättningen av gammalt havsvatten.

Från detta arbete fann vi att basaltisk erosion strax före Snowball Earth, var mer än 100% större än vad vi ser idag.

Denna basalt kommer från tre framstående LIP:er, som bröt ut i en kaskadsekvens som började för 830 miljoner år sedan i Australien, 780 miljoner år sedan i Nordamerika och 720 miljoner år sedan i norra Kanada. Alla tre av dessa läppar utbröt i det som då var ekvatorialregionen, vilket gynnar snabb erosion på grund av varmare temperaturer och högre nederbörd.

Till sist, påverkan av svavel aerosoler som släpptes av norra Canadas Franklin stora vulkaniska provins strax före glacial debut kan också ha orsakat ytterligare global kylning.

Det är troligt att denna unika sammanflytning av händelser tillät planeten att tippa i en frusen avgrund.

Komplexa interaktioner i jordsystemet

Atmosfäriska koldioxidhalter och globalt klimat regleras över långa perioder av vittring av stenar. Över geologisk tid (hundratusentals år) fungerar denna process som en negativ återkoppling på ökande atmosfärisk koldioxid. När högre temperaturer driver högre vittring, den fungerar som en slags termostat för jorden.

Dock, detta arbete visar att jordens termostat ibland kan misslyckas spektakulärt:utbrottet av LIPs resulterade i en snöbollsjord.

Denna tidsperiod varade från 720 till 635 miljoner år sedan och är känd som Cryogenian. Det är en tid för kontinentalt uppbrott och markerar en stor övergång från en värld som domineras av bakterier till en värld som domineras av mer komplext liv.

Detta belyser komplexiteten i jordsystemet och de oväntade interaktionerna mellan vulkanism, klimat och liv.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.