Země jako sněhová koule, v dávných dobách mohla být Země pokrytá celá sněhem a ledem
V historii klimatu naší planety se občas objevila období, kdy většinu Země pokrýval led a sníh. Jedno takové období se mohlo vyskytnout zhruba před 710 až 640 milióny let, tedy během tzv. kryogenního zalednění (viz článek Od vzniku Země klima osciluje mezi dvěma polohami). Krajní podobou by mohla být situace, kdy by celý povrch planety byl pokryt vrstvou ledovců nebo tlustou sněhovou pokrývkou. Tento stav Země se označuje jako sněhová, případně ledová koule.
Základní otázkou je, jestli byla celá planeta opravdu někdy v historii pokryta jen sněhem a ledem. Hlavní argumentem jsou geologické záznamy svědčící o výskytu ledovců v tropických oblastech. A odtud už je krůček k tvrzení, že pokud ledovec existoval v tropech, pak musel existovat prakticky všude.
5 fází vývoje Země jako sněhové koule. Kvůli ochlazení začínají oceány mrznout, což zvyšuje albedo a urychluje pokles teploty včetně tropických oblastí (s větším zastoupením pevniny než v současnosti). Při zamrzlém oceánu dojde k přerušení cyklu oxidu uhličitého, který se následně akumuluje v atmosféře, až dojde k takovém zesílení skleníkového efektu Země, že začne masivní oteplování vedoucí až k velmi teplé Zemi. Po opětovném spouštění cyklu oxidu uhličitého dojde posléze k jeho poklesu atmosféře a zeslabení skleníkové efektu, zdroj: Geology Notes na Facebook.com
Jak tomu ale vlastně mohlo dojít? Hlavním faktorem je albedo – tedy schopnost odrážet dopadající sluneční záření. Zatímco oceány odrážejí asi 12 procent a pevnina mezi 10 a 40 %, tak led a sníh 55 až 80 %. Odražená část záření se ale nemůže použít k ohřátí povrchu a atmosféry. K tomu, aby mohlo dojít k nasměrování Země na cestu ústící do podoby sněhové koule, je nezbytné nastartovat pozitivní zpětnou vazbu spočívající v nárůstu zaledněných oblastí. Zde se jako rozhodující jeví vznik ledovců v tropech, což následně výrazně ochladí tamní prostředí a podpoří další narůst rozsahu zalednění. Ve finále se ledem pokryje celá planeta včetně oceánů. Počátečnímu efektu zalednění přitom mohlo pomoci i jiné rozložení kontinentů, které byly výrazně víc soustředěny do tropických oblastí ve srovnání s dneškem. A protože kontinenty akumulují obecně méně tepla než oceány, mohlo se ochlazování rozjet rychleji.
Otázkou samozřejmě zůstává, co mohlo za prvotní ochlazení vedoucí k tvorbě tropických ledovců. Zřejmě šlo několik faktorů. Jednak to mohly být mohutné sopečné erupce, při kterých se do stratosféry dostane velké množství popela, který spolu se sírovými aerosoly snížil množství slunečního záření dopadajícího na povrch. Dále se mohl uplatnit pokles koncentrace skleníkových plynů, zejména oxidu uhličitého a metanu, v atmosféře. Uplatnilo se nejspíš i snížení energie od Slunce (asi o 6 %) v kryogenním období. Po dokončení zalednění by pak teploty v tropech byly podobné jako dnes registrujeme v polárních oblastech. Novější numerické simulace navíc ukazují, že důležitou roli hrála zřejmě i orografie – tedy výskyt hor (hlavně v západovýchodním směru) v tropech.
Dostáváme se ale k zásadní otázce, jak se ze sněhové koule stala Země zase zelenou planetou? Základní teorie počítá se silným skleníkovým efektem vlivem oxidu uhličitého kumulovaného v atmosféře jako důsledek sopečných erupcí. Během ledové fáze se totiž CO2 nemohl rozpouštět v oceánech, které byly zamrzlé, ani ho nespotřebovávaly zelené rostliny při fotosyntéze a nedocházelo ke zvětrávaní křemičitých hornin, kdy se CO2 taky odstraňuje z atmosféry. Koncentrace CO2 v atmosféře postupně nabyla takových hodnot, že extrémně zesílený skleníkový efekt spustil tání ledovců, které pak pomocí pozitivních zpětných vazeb nabralo na rychlosti, až se Země zbavila ledovcového pokryvu úplně.
Od začátku této teorie se ale objevují argumenty proti. Ty jsou založené například na chybějících důkazech o masovém vymírání druhů, ke kterému by během celoplanetárního zalednění zřejmě muselo dojít. Anebo jak vysvětlit fungující vodní cyklus (což plyne z geologického zkoumání), což by ale při zamrzlém oceánu bylo prakticky nemožné. Někteří vědci tak za pravděpodobnější považují variantu, že existovala pouze částečně zmrzlá Země, kdy většina povrchu planety je sice pod ledem a sněhem, ale v tropech zůstává jak otevřené moře, tak i nezamrzlá pevnina.
Jedna z dřívějších simulací planety v podobě částečně zamrzlé Země , zdroj: giss.nasa.gov
Jak ale roste schopnost globálních klimatických modelů simulovat dění v atmosféře, na pevnině i v oceánech včetně dynamiky kryosféry (ledu a sněhu), a současně se zvyšuje povědomí o dění v kryogenním období, ukazuje se, že ve dvou obdobích trvajících několik miliónů let opravdu mohla být drtivá většina Země ledem a sněhem pokryta (viz například science.org). Ukazuje se totiž, že je nutné brát do úvahy opravdu složitý komplex dění a zpětných vazeb, které souvisejí s nelinearitou dění v atmosféře. Je tedy patrné, že s dokonalejšími modely a schopnostmi detekce dat v geologických materiálech se může naše vědění poněkud posouvat.
Závěrem dodejme, že kromě kryogenního období se Země jako sněhová koule s velkou pravděpodobností opravdu vyskytly, ale už v dávnějších dobách, před zhruba 2,2 miliardami. Tehdy k nám dopadalo asi o 16 procent méně energie od Slunce než dnes a nástup zalednění následuje po rozvoji zelených rostlin. Ty pak z atmosféry při fotosyntéze masivně odebíraly oxid uhličitý, což vedlo k drastickému zeslabení skleníkového efektu a ochlazení.
Základní otázkou je, jestli byla celá planeta opravdu někdy v historii pokryta jen sněhem a ledem. Hlavní argumentem jsou geologické záznamy svědčící o výskytu ledovců v tropických oblastech. A odtud už je krůček k tvrzení, že pokud ledovec existoval v tropech, pak musel existovat prakticky všude.
5 fází vývoje Země jako sněhové koule. Kvůli ochlazení začínají oceány mrznout, což zvyšuje albedo a urychluje pokles teploty včetně tropických oblastí (s větším zastoupením pevniny než v současnosti). Při zamrzlém oceánu dojde k přerušení cyklu oxidu uhličitého, který se následně akumuluje v atmosféře, až dojde k takovém zesílení skleníkového efektu Země, že začne masivní oteplování vedoucí až k velmi teplé Zemi. Po opětovném spouštění cyklu oxidu uhličitého dojde posléze k jeho poklesu atmosféře a zeslabení skleníkové efektu, zdroj: Geology Notes na Facebook.com
Jak tomu ale vlastně mohlo dojít? Hlavním faktorem je albedo – tedy schopnost odrážet dopadající sluneční záření. Zatímco oceány odrážejí asi 12 procent a pevnina mezi 10 a 40 %, tak led a sníh 55 až 80 %. Odražená část záření se ale nemůže použít k ohřátí povrchu a atmosféry. K tomu, aby mohlo dojít k nasměrování Země na cestu ústící do podoby sněhové koule, je nezbytné nastartovat pozitivní zpětnou vazbu spočívající v nárůstu zaledněných oblastí. Zde se jako rozhodující jeví vznik ledovců v tropech, což následně výrazně ochladí tamní prostředí a podpoří další narůst rozsahu zalednění. Ve finále se ledem pokryje celá planeta včetně oceánů. Počátečnímu efektu zalednění přitom mohlo pomoci i jiné rozložení kontinentů, které byly výrazně víc soustředěny do tropických oblastí ve srovnání s dneškem. A protože kontinenty akumulují obecně méně tepla než oceány, mohlo se ochlazování rozjet rychleji.
Otázkou samozřejmě zůstává, co mohlo za prvotní ochlazení vedoucí k tvorbě tropických ledovců. Zřejmě šlo několik faktorů. Jednak to mohly být mohutné sopečné erupce, při kterých se do stratosféry dostane velké množství popela, který spolu se sírovými aerosoly snížil množství slunečního záření dopadajícího na povrch. Dále se mohl uplatnit pokles koncentrace skleníkových plynů, zejména oxidu uhličitého a metanu, v atmosféře. Uplatnilo se nejspíš i snížení energie od Slunce (asi o 6 %) v kryogenním období. Po dokončení zalednění by pak teploty v tropech byly podobné jako dnes registrujeme v polárních oblastech. Novější numerické simulace navíc ukazují, že důležitou roli hrála zřejmě i orografie – tedy výskyt hor (hlavně v západovýchodním směru) v tropech.
Dostáváme se ale k zásadní otázce, jak se ze sněhové koule stala Země zase zelenou planetou? Základní teorie počítá se silným skleníkovým efektem vlivem oxidu uhličitého kumulovaného v atmosféře jako důsledek sopečných erupcí. Během ledové fáze se totiž CO2 nemohl rozpouštět v oceánech, které byly zamrzlé, ani ho nespotřebovávaly zelené rostliny při fotosyntéze a nedocházelo ke zvětrávaní křemičitých hornin, kdy se CO2 taky odstraňuje z atmosféry. Koncentrace CO2 v atmosféře postupně nabyla takových hodnot, že extrémně zesílený skleníkový efekt spustil tání ledovců, které pak pomocí pozitivních zpětných vazeb nabralo na rychlosti, až se Země zbavila ledovcového pokryvu úplně.
Od začátku této teorie se ale objevují argumenty proti. Ty jsou založené například na chybějících důkazech o masovém vymírání druhů, ke kterému by během celoplanetárního zalednění zřejmě muselo dojít. Anebo jak vysvětlit fungující vodní cyklus (což plyne z geologického zkoumání), což by ale při zamrzlém oceánu bylo prakticky nemožné. Někteří vědci tak za pravděpodobnější považují variantu, že existovala pouze částečně zmrzlá Země, kdy většina povrchu planety je sice pod ledem a sněhem, ale v tropech zůstává jak otevřené moře, tak i nezamrzlá pevnina.
Jedna z dřívějších simulací planety v podobě částečně zamrzlé Země , zdroj: giss.nasa.gov
Jak ale roste schopnost globálních klimatických modelů simulovat dění v atmosféře, na pevnině i v oceánech včetně dynamiky kryosféry (ledu a sněhu), a současně se zvyšuje povědomí o dění v kryogenním období, ukazuje se, že ve dvou obdobích trvajících několik miliónů let opravdu mohla být drtivá většina Země ledem a sněhem pokryta (viz například science.org). Ukazuje se totiž, že je nutné brát do úvahy opravdu složitý komplex dění a zpětných vazeb, které souvisejí s nelinearitou dění v atmosféře. Je tedy patrné, že s dokonalejšími modely a schopnostmi detekce dat v geologických materiálech se může naše vědění poněkud posouvat.
Závěrem dodejme, že kromě kryogenního období se Země jako sněhová koule s velkou pravděpodobností opravdu vyskytly, ale už v dávnějších dobách, před zhruba 2,2 miliardami. Tehdy k nám dopadalo asi o 16 procent méně energie od Slunce než dnes a nástup zalednění následuje po rozvoji zelených rostlin. Ty pak z atmosféry při fotosyntéze masivně odebíraly oxid uhličitý, což vedlo k drastickému zeslabení skleníkového efektu a ochlazení.
