Au moins deux fois dans l'histoire de la Terre, presque toute la planète était enveloppée d'une couche de neige et de glace. Ces événements dramatiques "Snowball Earth" se sont produits en succession rapide, il y a environ 700 millions d'années, et les preuves suggèrent que les périodes glaciaires mondiales consécutives ont préparé le terrain pour l'explosion ultérieure de complexes, vie multicellulaire sur Terre.

Les scientifiques ont envisagé plusieurs scénarios pour ce qui a pu faire basculer la planète dans chaque ère glaciaire. Bien qu'aucun processus de conduite unique n'ait été identifié, il est supposé que tout ce qui a déclenché les gels temporaires doit l'avoir fait d'une manière qui a poussé la planète au-delà d'un seuil critique, telles que la réduction de la lumière solaire entrante ou du dioxyde de carbone atmosphérique à des niveaux suffisamment bas pour déclencher une expansion mondiale de la glace.

Mais les scientifiques du MIT disent maintenant que les Snowball Earths étaient probablement le produit de « glaciations induites par le taux ». C'est-à-dire, ils ont découvert que la Terre peut basculer dans une ère glaciaire mondiale lorsque le niveau de rayonnement solaire qu'elle reçoit change rapidement sur une période géologiquement courte. La quantité de rayonnement solaire n'a pas à chuter jusqu'à un seuil particulier; tant que la diminution de la lumière solaire entrante se produit plus rapidement qu'un taux critique, une glaciation temporaire, ou Snowball Earth, suivrai.

Ces découvertes, publié dans le Actes de la Royal Society A , suggèrent que tout ce qui a déclenché les périodes glaciaires de la Terre impliquait très probablement des processus qui ont rapidement réduit la quantité de rayonnement solaire venant à la surface, telles que les éruptions volcaniques généralisées ou la formation de nuages ​​induits biologiquement qui auraient pu bloquer considérablement les rayons du soleil.

Les résultats peuvent également s'appliquer à la recherche de la vie sur d'autres planètes. Les chercheurs ont tenu à trouver des exoplanètes dans la zone habitable, à une distance de leur étoile qui se situerait dans une plage de température qui pourrait soutenir la vie. La nouvelle étude suggère que ces planètes, comme la Terre, pourraient également geler temporairement si leur climat change brusquement. Même s'ils se trouvent dans une zone habitable, Les planètes semblables à la Terre peuvent être plus sensibles aux périodes glaciaires mondiales qu'on ne le pensait auparavant.

"Vous pourriez avoir une planète qui reste bien dans la zone habitable classique, mais si la lumière du soleil entrant change trop vite, vous pourriez obtenir une Snowball Earth, " dit l'auteur principal Constantin Arnscheidt, un étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Sciences de l'atmosphère et des planètes (EAPS). "Ce que cela met en évidence, c'est l'idée qu'il y a tellement plus de nuances dans le concept d'habitabilité."

Arnscheidt a co-écrit l'article avec Daniel Rothman, professeur de géophysique à l'EAPS, et co-fondateur et co-directeur du Lorenz Center.

Une boule de neige en fuite

Indépendamment des processus particuliers qui ont déclenché les glaciations passées, les scientifiques s'accordent généralement à dire que Snowball Earths est le résultat d'un effet « d'emballement » impliquant une rétroaction de l'albédo de la glace :à mesure que la lumière solaire entrante est réduite, la glace s'étend des pôles à l'équateur. Alors que de plus en plus de glace recouvre le globe, la planète devient plus réfléchissante, ou plus en albédo, ce qui refroidit davantage la surface pour que plus de glace se dilate. Finalement, si la glace atteint une certaine étendue, cela devient un processus d'emballement, entraînant une glaciation globale.

Les périodes glaciaires globales sur Terre sont de nature temporaire, en raison du cycle du carbone de la planète. Quand la planète n'est pas couverte de glace, les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère sont quelque peu contrôlés par l'altération des roches et des minéraux. Quand la planète est couverte de glace, l'altération est considérablement réduite, de sorte que le dioxyde de carbone s'accumule dans l'atmosphère, créant un effet de serre qui finira par dégeler la planète de son ère glaciaire.

Les scientifiques conviennent généralement que la formation de Snowball Earths a quelque chose à voir avec l'équilibre entre la lumière solaire entrante, la rétroaction de l'albédo glaciaire, et le cycle mondial du carbone.

"Il y a beaucoup d'idées sur ce qui a causé ces glaciations mondiales, mais ils se résument tous à une modification implicite du rayonnement solaire entrant, ", dit Arnscheidt. "Mais généralement, il a été étudié dans le cadre du franchissement d'un seuil."

Lui et Rothman avaient déjà étudié d'autres périodes de l'histoire de la Terre où la vitesse, ou la vitesse à laquelle certains changements climatiques se sont produits a joué un rôle dans le déclenchement d'événements, telles que les extinctions de masse passées.

« Au cours de cet exercice, nous avons réalisé qu'il y avait un moyen immédiat de faire valoir un point sérieux en appliquant de telles idées de pourboire induit par le taux, à Snowball Earth et habitabilité, " dit Rothman.

"Méfiez-vous de la vitesse"

Les chercheurs ont développé un modèle mathématique simple du système climatique de la Terre qui comprend des équations pour représenter les relations entre le rayonnement solaire entrant et sortant, la température de surface de la Terre, la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, et les effets des intempéries sur l'absorption et le stockage du dioxyde de carbone atmosphérique. Les chercheurs ont pu ajuster chacun de ces paramètres pour observer quelles conditions ont généré une Terre boule de neige.

Finalement, ils ont découvert qu'une planète était plus susceptible de geler si le rayonnement solaire entrant diminuait rapidement, à un rythme plus rapide qu'un rythme critique, plutôt qu'à un seuil critique, ou un niveau particulier d'ensoleillement. Il existe une certaine incertitude quant à ce que serait exactement ce taux critique, car le modèle est une représentation simplifiée du climat de la Terre. Néanmoins, Arnscheidt estime que la Terre devrait subir une baisse d'environ 2% de la lumière solaire entrante sur une période d'environ 10, 000 ans pour basculer dans une ère glaciaire mondiale.

"Il est raisonnable de supposer que les glaciations passées ont été induites par des changements géologiquement rapides du rayonnement solaire, " dit Arnscheidt.

Les mécanismes particuliers qui ont pu assombrir rapidement le ciel pendant des dizaines de milliers d'années font toujours l'objet d'un débat. Une possibilité est que des volcans répandus aient craché des aérosols dans l'atmosphère, bloquer la lumière du soleil entrante dans le monde entier. Une autre est que les algues primitives peuvent avoir développé des mécanismes qui ont facilité la formation de nuages ​​réfléchissant la lumière. Les résultats de cette nouvelle étude suggèrent que les scientifiques pourraient envisager des processus tels que ceux-ci, qui réduisent rapidement le rayonnement solaire entrant, comme des déclencheurs plus probables pour les périodes glaciaires de la Terre.

"Même si l'humanité ne déclenchera pas de glaciation boule de neige sur notre trajectoire climatique actuelle, l'existence d'un tel «point de basculement induit par le taux» à l'échelle mondiale peut toujours rester une source de préoccupation, " fait remarquer Arnscheidt. " Par exemple, il nous apprend qu'il faut se méfier de la vitesse à laquelle nous modifions le climat de la Terre, pas seulement l'ampleur du changement. Il pourrait y avoir d'autres points de basculement induits par le taux qui pourraient être déclenchés par le réchauffement anthropique. Les identifier et limiter leurs taux critiques est un objectif valable pour de futures recherches. »