气候模拟对冰雪地球假说的检验

Several snowball Earth events occurred during approximately 2.5 – 2.3 billion years ago and 700 – 600 million years ago. Two hypotheses, the soft snowball (or slushball) hypothesis and the hard snowball hypothesis, have been proposed and hotly debating about these events, regarding the state of the tropical oceans. The former postulates that the tropical ocean was free of ice while the latter elects that the whole ocean was covered by sea ice of ~1000 m thick. We propose to examine the hypotheses by climate simulations, mainly to investigate whether they can explain two different types of observations: glaciers existed on the low-latitude and low-altitude lands and the seasonal surface temperature variations were exceptionally strong near the paleo-equator. We will use a coupled atmosphere-ocean general circulation model and a glacier model to simulate the evolution of land glaciers. The primary goal is to check whether low-latitude land glacier can grow when the tropical oceans are still free of sea ice. We will also test the amplitude of the simulated equatorial seasonal cycle for different orbital configurations and continental ice coverage. Because there is open ocean in the tropical region in a soft snowball Earth, both the growth of low-latitude land glacier and large amplitude of seasonal cycle would be harder to occur than for a hard snowball Earth. Therefore, the two issues pose great challenge to the viability of soft snowball hypothesis, careful examination of which may help settling the debate between the two snowball Earth hypotheses.

在约23-25亿年前和6-7亿年前，地球发生过数次冰雪地球事件。关于冰雪地球，始终存在软、硬冰雪地球假说之争，前者认为热带的海洋没有结冰，而后者认为全球包括海洋都被厚厚的冰覆盖。我们将使用气候模拟来验证这两种假说能否解释和冰雪地球相关的两种观测：低纬度、低海拔陆地存在冰川和古赤道附近地表温度的强季节性变化。我们将重点研究是否能在热带海洋没有被冰封的情况下在低纬度陆地上形成冰川。我们将使用大气-海洋环流模式和冰川模式相互耦合的模式对该问题进行研究。我们还将通过调节地球轨道参数和陆地冰川分布来分别探究两种假说下所能得到的最大的季节性温度变化，并和观测证据作比较。软冰雪地球中由于热带有开放海洋，温度较高且气温稳定，既不容易在低纬度大陆上产生冰川，也不容易产生大的季节性温度变化，因此两种观测都对软冰雪地球假说形成更大的挑战，检验的结果将有助于厘清软、硬冰雪地球假说之间的争论。

新元古代冰雪地球事件是地球上发生过的最极端的冰期事件，但是由于发生的年代久远，观测有限，针对该事件存在很多争论和不清楚的问题。最大的争论是关于该事件的规模，海冰是否覆盖了全部海洋（硬雪球假说）还是只覆盖了中高纬地区（软雪球假说），或者由于地轴倾角非常大而实际上赤道比两极冷，全球温度并不低（高倾角假说）？本项目通过数值模拟的方法从古赤道附近温度季节性变化的角度对这个争论进行了解答，并且对硬雪球的融化判据和融化过程进行了研究。首先，本项目研究提出并通过模验证，在硬雪球中，赤道附近温度很低，地表的有效热容量比较小，地球轨道偏心率可以使地表温度的季节性振幅超过30°C，足以形成古赤道附近观测到的沙楔。这个解释打破了只有地轴倾角会影响季节的传统观念，使得高倾角假说没有了存在的必要。并且通过数值模拟证明在软雪球中赤道附近很难产生超过20°C的温度季节性震荡，因此也在一定程度上反对了软雪球假说。其次，本项目研究提出在深时地球中，由于陆地上没有植被，地表的沙尘排放可能比现代大得多，通过模拟发现大气中的沙尘量可以达到现代地球大气中的10倍左右，可以导致全球平均地表温度下降约10°C，是极为重要的影响气候的因素。并且，大量的沙尘虽然在暖期使温度下降，有利于地球向冰雪地球发展，但是当地球变得越来越冷时，沙尘的增温效应变得越来越显著，不利于地球进入冰雪地球。再次，前人常用赤道年平均温度达到0°C来作为硬雪球开始融化的判据，本项目研究发现，如果模式能够显性模拟冰面融水，实际上硬雪球在赤道年平均温度达到-7.7°C时就开始融化，并且从赤道冰面开始出现裂缝到所有的海冰（厚度达到或超过500米）全部融化只需要200到1500年，加深了我们对硬雪球融化的理解。最后，本项目还发展了可以更好研究冰雪地球事件的气候与冰川耦合模式。