Minst två gånger i jordens historia, nästan hela planeten var innesluten i ett ark av snö och is. Dessa dramatiska "Snowball Earth"-händelser inträffade i snabb följd, någonstans för cirka 700 miljoner år sedan, och bevis tyder på att de på varandra följande globala istiderna satte scenen för den efterföljande explosionen av komplex, flercelligt liv på jorden.

Forskare har övervägt flera scenarier för vad som kan ha tippat planeten in i varje istid. Även om ingen enskild körprocess har identifierats, det antas att vad som än utlöste de tillfälliga frysningarna måste ha gjort det på ett sätt som förde planeten förbi en kritisk tröskel, som att minska inkommande solljus eller atmosfärisk koldioxid till nivåer som är tillräckligt låga för att starta en global expansion av is.

Men MIT-forskare säger nu att Snowball Earths sannolikt var produkten av "hastighetsinducerade istider." Det är, de fann att jorden kan tippas in i en global istid när nivån av solstrålning den tar emot snabbt förändras under en geologiskt kort tidsperiod. Mängden solstrålning behöver inte sjunka till en viss tröskelpunkt; så länge minskningen av inkommande solljus sker snabbare än en kritisk takt, en tillfällig nedisning, eller Snowball Earth, kommer följa.

Dessa fynd, publicerad i Förfaranden från Royal Society A , tyder på att allt som utlöste jordens istider med största sannolikhet involverade processer som snabbt minskade mängden solstrålning som kom till ytan, såsom utbredda vulkanutbrott eller biologiskt inducerad molnbildning som avsevärt kunde ha blockerat solens strålar.

Fynden kan också gälla sökandet efter liv på andra planeter. Forskare har varit angelägna om att hitta exoplaneter inom den beboeliga zonen - ett avstånd från deras stjärna som skulle vara inom ett temperaturområde som skulle kunna försörja liv. Den nya studien tyder på att dessa planeter, som jorden, kan också isa tillfälligt om deras klimat förändras abrupt. Även om de ligger inom en beboelig zon, Jordliknande planeter kan vara mer mottagliga för globala istider än man tidigare trott.

"Du kan ha en planet som håller sig väl inom den klassiska beboeliga zonen, men om inkommande solljus ändras för snabbt, du kan få en snöbollsjord, " säger huvudförfattaren Constantin Arnscheidt, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). "Vad detta lyfter fram är uppfattningen att det finns så mycket mer nyans i begreppet beboelighet."

Arnscheidt har skrivit tidningen tillsammans med Daniel Rothman, EAPS professor i geofysik, och medgrundare och meddirektör för Lorenz Center.

En skenande snöboll

Oavsett de speciella processer som utlöste tidigare glaciationer, forskare är generellt överens om att Snowball Earths uppstod från en "springande" effekt som involverade en is-albedo-feedback:När inkommande solljus minskar, is expanderar från polerna till ekvatorn. När mer is täcker jorden, planeten blir mer reflekterande, eller högre i albedo, vilket kyler ytan ytterligare så att mer is kan expandera. Så småningom, om isen når en viss utsträckning, detta blir en skenande process, resulterar i en global glaciation.

Globala istider på jorden är tillfälliga till sin natur, på grund av planetens kolkretslopp. När planeten inte är täckt av is, halterna av koldioxid i atmosfären styrs till viss del av vittringen av stenar och mineraler. När planeten är täckt av is, vittringen minskar avsevärt, så att koldioxid byggs upp i atmosfären, skapa en växthuseffekt som så småningom tinar upp planeten ur sin istid.

Forskare är generellt överens om att bildandet av Snowball Earths har något att göra med balansen mellan inkommande solljus, is-albedo-feedbacken, och den globala kolcykeln.

"Det finns massor av idéer för vad som orsakade dessa globala istider, men de kokar alla egentligen ner till någon implicit modifiering av solstrålningen som kommer in, " säger Arnscheidt. "Men generellt har det studerats i samband med att man korsar en tröskel."

Han och Rothman hade tidigare studerat andra perioder i jordens historia där hastigheten, eller hastigheten med vilken vissa klimatförändringar inträffade hade en roll i att utlösa händelser, som tidigare massutrotningar.

"Under den här övningen, vi insåg att det fanns ett omedelbart sätt att göra en seriös poäng genom att tillämpa sådana idéer om skatteinducerad dricks, till Snowball Earth och beboelighet, " säger Rothman.

"Var försiktig med hastighet"

Forskarna utvecklade en enkel matematisk modell av jordens klimatsystem som inkluderar ekvationer för att representera relationer mellan inkommande och utgående solstrålning, jordens yttemperatur, koncentrationen av koldioxid i atmosfären, och effekterna av väderpåverkan när det gäller att ta upp och lagra atmosfärisk koldioxid. Forskarna kunde justera var och en av dessa parametrar för att observera vilka förhållanden som genererade en snöbollsjord.

I sista hand, de fann att en planet var mer benägen att frysa om den inkommande solstrålningen minskade snabbt, i en takt som var snabbare än en kritisk takt, snarare än till en kritisk tröskel, eller en viss nivå av solljus. Det finns en viss osäkerhet i exakt vad den kritiska kursen skulle vara, eftersom modellen är en förenklad representation av jordens klimat. Ändå, Arnscheidt uppskattar att jorden skulle behöva uppleva en minskning med cirka 2 procent av inkommande solljus under en period av cirka 10, 000 år att tippa in i en global istid.

"Det är rimligt att anta att tidigare glaciationer inducerades av geologiskt snabba förändringar av solstrålning, säger Arnscheidt.

De särskilda mekanismer som snabbt kan ha förmörkat himlen under tiotusentals år är fortfarande uppe för debatt. En möjlighet är att utbredda vulkaner kan ha spytt ut aerosoler i atmosfären, blockerar inkommande solljus runt om i världen. En annan är att primitiva alger kan ha utvecklat mekanismer som underlättade bildandet av ljusreflekterande moln. Resultaten från denna nya studie tyder på att forskare kan överväga processer som dessa, som snabbt minskar inkommande solstrålning, som mer troliga utlösare för jordens istider.

"Även om mänskligheten inte kommer att utlösa en snöbollsglaciation på vår nuvarande klimatbana, förekomsten av en sådan "kursinducerad tipping point" på global nivå kan fortfarande vara en anledning till oro, " påpekar Arnscheidt. "T.ex. den lär oss att vi bör vara försiktiga med den hastighet med vilken vi ändrar jordens klimat, inte bara storleken på förändringen. Det kan finnas andra sådana hastighetsinducerade tipppunkter som kan utlösas av antropogen uppvärmning. Att identifiera dessa och begränsa deras kritiska hastigheter är ett värdefullt mål för vidare forskning."