Almeno due volte nella storia della Terra, quasi l'intero pianeta era racchiuso in uno strato di neve e ghiaccio. Questi drammatici eventi "Snowball Earth" si sono verificati in rapida successione, da qualche parte circa 700 milioni di anni fa, e le prove suggeriscono che le successive ere glaciali globali hanno posto le basi per la successiva esplosione di complessi, vita multicellulare sulla Terra.

Gli scienziati hanno considerato molteplici scenari per ciò che potrebbe aver ribaltato il pianeta in ogni era glaciale. Sebbene non sia stato identificato un unico processo di guida, si presume che qualunque cosa abbia innescato il congelamento temporaneo deve averlo fatto in un modo che ha spinto il pianeta oltre una soglia critica, come ridurre la luce solare in arrivo o l'anidride carbonica atmosferica a livelli sufficientemente bassi da innescare un'espansione globale del ghiaccio.

Ma gli scienziati del MIT ora affermano che Snowball Earths era probabilmente il prodotto di "glaciazioni indotte dalla velocità". Questo è, hanno scoperto che la Terra può essere precipitata in un'era glaciale globale quando il livello di radiazione solare che riceve cambia rapidamente in un periodo di tempo geologicamente breve. La quantità di radiazione solare non deve scendere a un particolare punto di soglia; fintanto che la diminuzione della luce solare in arrivo avviene più velocemente di un tasso critico, una glaciazione temporanea, o Terra di palle di neve, seguirà.

Questi risultati, pubblicato in Atti della Royal Society A , suggeriscono che qualunque cosa abbia innescato le ere glaciali della Terra molto probabilmente ha coinvolto processi che hanno rapidamente ridotto la quantità di radiazione solare che arriva in superficie, come eruzioni vulcaniche diffuse o formazione di nubi biologicamente indotte che avrebbero potuto bloccare in modo significativo i raggi del sole.

I risultati potrebbero applicarsi anche alla ricerca di vita su altri pianeti. I ricercatori sono stati desiderosi di trovare esopianeti all'interno della zona abitabile, una distanza dalla loro stella che sarebbe all'interno di un intervallo di temperatura che potrebbe supportare la vita. Il nuovo studio suggerisce che questi pianeti, come la Terra, potrebbero anche ghiacciarsi temporaneamente se il loro clima cambia improvvisamente. Anche se si trovano all'interno di una zona abitabile, I pianeti simili alla Terra potrebbero essere più suscettibili alle ere glaciali globali di quanto si pensasse in precedenza.

"Potresti avere un pianeta che sta bene all'interno della classica zona abitabile, ma se la luce del sole in arrivo cambia troppo velocemente, potresti ottenere una Terra Palla di Neve, " dice l'autore principale Constantin Arnscheidt, uno studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS). "Ciò che evidenzia è l'idea che ci siano molte più sfumature nel concetto di abitabilità".

Arnscheidt è coautore del documento con Daniel Rothman, professore di geofisica EAPS, e co-fondatore e co-direttore del Centro Lorenz.

Una palla di neve in fuga

Indipendentemente dai particolari processi che hanno innescato le glaciazioni passate, gli scienziati generalmente concordano sul fatto che Snowball Earths sia nato da un effetto "fuga" che coinvolge un feedback di ghiaccio-albedo:quando la luce solare in arrivo viene ridotta, il ghiaccio si espande dai poli all'equatore. Mentre più ghiaccio copre il globo, il pianeta diventa più riflessivo, o superiore in albedo, che raffredda ulteriormente la superficie per far espandere più ghiaccio. Infine, se il ghiaccio raggiunge una certa misura, questo diventa un processo in fuga, con conseguente glaciazione globale.

Le ere glaciali globali sulla Terra sono di natura temporanea, a causa del ciclo del carbonio del pianeta. Quando il pianeta non è coperto di ghiaccio, i livelli di anidride carbonica nell'atmosfera sono in qualche modo controllati dall'erosione di rocce e minerali. Quando il pianeta è coperto di ghiaccio, gli agenti atmosferici sono notevolmente ridotti, in modo che l'anidride carbonica si accumula nell'atmosfera, creando un effetto serra che alla fine scongela il pianeta dalla sua era glaciale.

Gli scienziati generalmente concordano sul fatto che la formazione di Snowball Earths abbia qualcosa a che fare con l'equilibrio tra la luce solare in arrivo, il feedback ghiaccio-albedo, e il ciclo globale del carbonio.

"Ci sono molte idee per ciò che ha causato queste glaciazioni globali, ma in realtà si riducono tutti a qualche modifica implicita della radiazione solare in arrivo, " Dice Arnscheidt. "Ma generalmente è stato studiato nel contesto dell'attraversamento di una soglia".

Lui e Rothman avevano precedentemente studiato altri periodi della storia della Terra in cui la velocità, o la velocità con cui si sono verificati determinati cambiamenti climatici ha avuto un ruolo nell'innescare eventi, come le passate estinzioni di massa.

"Nel corso di questo esercizio, ci siamo resi conto che c'era un modo immediato per fare un punto serio applicando tali idee di mancia indotta dal tasso, a Snowball Earth e abitabilità, "dice Rothman.

"Attenzione alla velocità"

I ricercatori hanno sviluppato un semplice modello matematico del sistema climatico terrestre che include equazioni per rappresentare le relazioni tra la radiazione solare in entrata e in uscita, la temperatura superficiale della Terra, la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera, e gli effetti degli agenti atmosferici nell'assorbimento e nell'immagazzinamento dell'anidride carbonica atmosferica. I ricercatori sono stati in grado di mettere a punto ciascuno di questi parametri per osservare quali condizioni hanno generato una Snowball Earth.

In definitiva, hanno scoperto che un pianeta aveva maggiori probabilità di congelarsi se la radiazione solare in arrivo diminuiva rapidamente, ad una velocità che era più veloce di una velocità critica, piuttosto che a una soglia critica, o un particolare livello di luce solare. C'è qualche incertezza su quale sarebbe esattamente quel tasso critico, poiché il modello è una rappresentazione semplificata del clima terrestre. Tuttavia, Arnscheidt stima che la Terra dovrebbe subire un calo di circa il 2% della luce solare in arrivo in un periodo di circa 10, 000 anni per precipitare in un'era glaciale globale.

"È ragionevole presumere che le glaciazioni passate siano state indotte da cambiamenti geologicamente rapidi della radiazione solare, " dice Arnscheidt.

I particolari meccanismi che potrebbero aver rapidamente oscurato i cieli nel corso di decine di migliaia di anni sono ancora oggetto di dibattito. Una possibilità è che i vulcani diffusi possano aver vomitato aerosol nell'atmosfera, bloccando la luce solare in arrivo in tutto il mondo. Un altro è che le alghe primitive potrebbero aver evoluto meccanismi che hanno facilitato la formazione di nuvole che riflettono la luce. I risultati di questo nuovo studio suggeriscono che gli scienziati possono considerare processi come questi, che riducono rapidamente la radiazione solare in entrata, come trigger più probabili per le ere glaciali della Terra.

"Anche se l'umanità non innescherà una glaciazione a valanga sulla nostra attuale traiettoria climatica, l'esistenza di un tale "punto di svolta indotto dal tasso" su scala globale può ancora rimanere motivo di preoccupazione, " sottolinea Arnscheidt. "Ad esempio, ci insegna che dovremmo diffidare della velocità con cui stiamo modificando il clima della Terra, non solo l'entità del cambiamento. Potrebbero esserci altri punti di svolta indotti dal tasso che potrebbero essere innescati dal riscaldamento antropico. Identificare questi e limitare i loro tassi critici è un obiettivo utile per ulteriori ricerche".