Una caída en la luz solar entrante podría haber desencadenado las "Tierras Bola de Nieve"

Al menos dos veces en la historia de la Tierra, casi todo el planeta estuvo encerrado en una capa de nieve y hielo. Estos dramáticos acontecimientos llamados "Tierra Bola de Nieve" ocurrieron en rápida sucesión, hace unos 700 millones de años, y las pruebas sugieren que las sucesivas edades de hielo mundiales prepararon el terreno para la posterior explosión de la vida compleja y multicelular en la Tierra.

Los científicos han considerado múltiples escenarios sobre qué pudo haber inclinado el planeta hacia cada edad de hielo. Si bien no se ha identificado un único proceso impulsor, se supone que lo que haya desencadenado las heladas temporales debe haberlo hecho de manera que haya empujado al planeta más allá de un umbral crítico, como la reducción de la luz solar entrante o del dióxido de carbono atmosférico a niveles lo suficientemente bajos como para desencadenar una expansión global del hielo.

Pero los científicos del MIT descubrieron ahora que la Tierra puede inclinarse hacia una edad de hielo global cuando el nivel de radiación solar que recibe cambia rápidamente en un período de tiempo geológicamente corto. La cantidad de radiación solar no tiene que caer a un punto umbral particular; mientras la disminución de la luz solar entrante ocurra más rápido que una tasa crítica, le seguirá una glaciación temporal, o Tierra Bola de Nieve.

Estos resultados, publicados la revista Proceedings of the Royal Society A, sugieren que lo que desencadenó las edades de hielo de la Tierra probablemente implicó procesos que redujeron rápidamente la cantidad de radiación solar que llegaba a la superficie, como extensas erupciones volcánicas o la formación de nubes inducidas biológicamente que podrían haber bloqueado significativamente los rayos solares.

Los resultados también pueden aplicarse a la búsqueda de vida en otros planetas. Los investigadores han estado muy interesados en encontrar exoplanetas dentro de la zona habitable, una distancia respecto a su estrella que estaría dentro de un rango de temperatura que podría sostener agua líquida y la vida. El nuevo estudio sugiere que estos planetas, como la Tierra, también podrían congelarse temporalmente si su clima cambia abruptamente. Incluso si se encuentran dentro de una zona habitable, los planetas similares a la Tierra podrían ser más susceptibles a edades de hielo global de lo que se pensaba anteriormente.

El desencadenante de la "Tierra Bola de Nieve" de las edades de hielo globales puede haber sido una caída de la luz solar entrante que ocurrió rápidamente, en términos geológicos, según un estudio del MIT. (Foto: Wikimedia, Oleg Kuznetsov)

"Podrías tener un planeta que se mantuviera bien dentro de la zona habitable clásica, pero si la luz solar entrante cambia demasiado rápido, podrías tener una Tierra Bola de Nieve", dice el autor principal Constantin Arnscheidt, estudiante graduado en el Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. "Lo que esto resalta es la noción de que hay muchos más matices en el concepto de habitabilidad".

Arnscheidt ha sido co-autor del artículo con Daniel Rothman, profesor de geofísica del EAPS, y co-fundador y co-director del Centro Lorenz.

Independientemente de los procesos particulares que desencadenaron las glaciaciones pasadas, los científicos están generalmente de acuerdo en que las Tierras Bola de Nieve surgieron por un efecto que implicaba una retroalimentación de los hielos: A medida que la luz solar entrante se reduce, el hielo se expande desde los polos hasta el ecuador. A medida que más hielo cubre el globo, el planeta se vuelve más reflectante, o más alto en albedo, lo que enfría aún más la superficie facilitando que se expanda más hielo. Al final, si el hielo llega a cierta extensión, esto se convierte en un proceso desbocado, resultando en una glaciación global.

Las glaciaciones mundiales en la Tierra son de naturaleza temporal, debido al ciclo del carbono del planeta. Cuando el planeta no está cubierto de hielo, los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera están de alguna manera controlados por la meteorización de las rocas y los minerales. Cuando el planeta está cubierto de hielo, la meteorización se reduce enormemente, de modo que el dióxido de carbono se acumula en la atmósfera, creando un efecto invernadero que acaba por sacar el planeta de su edad de hielo.

Los científicos están generalmente de acuerdo en que la formación de las Tierras Bola de Nieve tiene algo que ver con el equilibrio entre la luz solar entrante, la retroalimentación de los hielos y el ciclo global del carbono.

"Hay muchas ideas sobre lo que causó estas glaciaciones globales, pero todas se reducen a una modificación implícita de la radiación solar entrante", dice Arnscheidt. "Pero generalmente se ha estudiado en el contexto de cruzar un umbral".

Él y Rothman habían estudiado previamente otros períodos de la historia de la Tierra en los que la velocidad, o el ritmo al que se producían ciertos cambios en el clima tenía un papel en el desencadenamiento de acontecimientos, como las pasadas extinciones masivas.

Los investigadores desarrollaron un modelo matemático simple del sistema climático de la Tierra que incluye ecuaciones para representar las relaciones entre la radiación solar entrante y saliente, la temperatura de la superficie de la Tierra, la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera y los efectos de la meteorización en la absorción y el almacenamiento del dióxido de carbono atmosférico. Los investigadores pudieron afinar cada uno de estos parámetros para observar qué condiciones generaban una Tierra Bola de Nieve.

En última instancia, descubrieron que era más probable que un planeta se congelara si la radiación solar entrante disminuía rápidamente, a un ritmo más rápido que el crítico, en lugar de llegar a un umbral crítico, o a un nivel particular de luz solar. Existe cierta incertidumbre sobre cuál sería exactamente esa tasa crítica, ya que el modelo es una representación simplificada del clima de la Tierra. Sin embargo, Arnscheidt estima que la Tierra tendría que experimentar una caída del 2% de la luz solar entrante durante un período de unos 10.000 años para entrar en una edad de hielo mundial.

"Es razonable asumir que las glaciaciones pasadas fueron inducidas por cambios geológicamente rápidos en la radiación solar", dice Arnscheidt.

Los mecanismos particulares que pueden haber oscurecido rápidamente los cielos durante decenas de miles de años siguen siendo objeto de debate. Una posibilidad es que extensos volcanes hayan arrojado aerosoles a la atmósfera, bloqueando la entrada de luz solar en todo el mundo. Otra es que algas primitivas pueden haber desarrollado mecanismos que facilitaron la formación de nubes reflectoras de luz. Los resultados de este nuevo estudio sugieren que los científicos podrían considerar procesos como estos, que reducen rápidamente la radiación solar entrante, como desencadenantes más probables de las edades de hielo de la Tierra.

"Aunque la humanidad no desencadenará una glaciación de bola de nieve en nuestra actual trayectoria climática, la existencia de tal 'punto de inflexión inducido por la velocidad' a escala mundial podría seguir siendo motivo de preocupación", señala Arnscheidt. "Por ejemplo, nos enseña que debemos ser cautelosos con la velocidad a la que estamos modificando el clima de la Tierra, no solo con la magnitud del cambio. Podría haber otros puntos de inflexión inducidos por la velocidad que podrían ser desencadenados por el calentamiento antropogénico. Identificarlos y limitar sus tasas críticas es un objetivo que vale la pena investigar más a fondo".

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Centro Lorenz del MIT. (Fuente: NCYT Amazings)