Astronomie

Luminosité de la Terre boule de neige

Luminosité de la Terre boule de neige


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La Terre a probablement gelé presque complètement il y a environ 700 millions d'années. Cela a considérablement augmenté son albédo, et je me demande si cela aurait un effet considérable sur sa magnitude apparente par rapport aux autres planètes. (Le Soleil était cependant 4% plus faible.)

Si c'est le cas, la Terre serait-elle visible à l'œil nu de plus de 700 millions d'années qu'elle ne l'est actuellement ? Peut-être des lunes d'Uranus ?


La Terre est déjà assez brillante en raison de la couverture nuageuse, avec un albédo typique de 0,3 à 0,35, c'est-à-dire qu'elle réfléchit environ un tiers de la lumière visible qui la frappe.

Cela signifie qu'il ne pourrait pas être plus d'environ trois fois plus lumineux même s'il était parfaitement réfléchissant (albédo 1,0), ce qui signifie environ 1,2 magnitude plus lumineux.

Repérer la Terre de très loin à l'œil nu est moins un problème de luminosité, plus un problème de séparation du Soleil. Je ne peux pas exécuter de nombres pour le moment pour obtenir des magnitudes réelles ou des séparations angulaires.


L'oxygène peut être la cause de la première boule de neige de la Terre

Denver, Colorado -- Des quantités croissantes d'oxygène dans l'atmosphère pourraient avoir déclenché le premier des trois épisodes passés lorsque la Terre est devenue une boule de neige géante, couverte d'un pôle à l'autre par la glace et les océans gelés, selon un chercheur de Penn State.

"Nous avons des preuves convaincantes qu'au moins six des sept continents étaient autrefois glaciés, et nous avons également des preuves que certains de ces continents étaient près de l'équateur lorsqu'ils étaient recouverts de glace", explique le Dr James F. Kasting, professeur de géosciences. et la météorologie. "Deux de ces glaciations mondiales se sont produites il y a 600 et 750 millions d'années, mais la plus ancienne s'est produite il y a 2,3 milliards d'années."

Selon Kasting, si l'on suppose que les preuves magnétiques de la glaciation à l'équateur sont correctes, alors il n'existe que deux explications possibles pour la glaciation équatoriale.

L'une est que l'inclinaison de la Terre, qui est maintenant à 23,5 degrés par rapport à la verticale, était supérieure à environ 54 degrés par rapport à la verticale. Cela aurait positionné la Terre de manière à ce que les pôles reçoivent le plus d'énergie solaire et que l'équateur en reçoive le moins, créant un glacier autour du milieu mais laissant les pôles non gelés.

L'autre possibilité, qui est celle vers laquelle Kasting se penche maintenant, est que les gaz à effet de serre dans l'atmosphère sont tombés suffisamment bas pour qu'au cours de millions d'années, les glaciers empiètent progressivement des pôles à 30 degrés de l'équateur. Puis, dans environ 1 000 ans, le reste de la Terre a rapidement gelé en raison de la grande réflectivité des zones déjà couvertes de glace et de leur incapacité à capter la chaleur du soleil. La Terre entière est devenue une boule de neige avec des océans gelés à plus d'un demi-mile de profondeur.

"Pour les deux dernières glaciations, les niveaux de dioxyde de carbone sont tombés suffisamment bas pour commencer le processus de glaciation. Cependant, pour la première glaciation, la clé a peut-être été le méthane", a déclaré Kasting aux participants à la réunion annuelle de la Geological Society of America aujourd'hui (octobre 27) à Denver. "La première boule de neige connue sur Terre s'est produite au moment où les niveaux d'oxygène dans l'atmosphère ont commencé à augmenter", a déclaré Kasting, membre du Penn State Astrobiology Center. « Avant cela, le méthane était un gaz à effet de serre majeur dans l'atmosphère en plus du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.

À mesure que les niveaux d'oxygène augmentaient, les niveaux de méthane diminuaient considérablement et les niveaux de dioxyde de carbone ne s'étaient pas suffisamment accumulés pour compenser, permettant à la Terre de se refroidir. Les niveaux d'oxygène n'ont besoin que d'atteindre un centième de pour cent des niveaux d'oxygène actuels pour convertir complètement l'atmosphère de méthane. Une fois que la Terre est recouverte de neige, il faut 5 à 10 millions d'années pour que l'activité naturelle des volcans augmente suffisamment le dioxyde de carbone pour faire fondre les glaciers.

Quel que soit le gaz à effet de serre en cause, le schéma de congélation et de dégivrage serait le même. Parce que le soleil a constamment augmenté en luminosité, il faudrait plus de gaz à effet de serre dans le passé pour compenser le soleil plus faible. Pour les glaciations d'il y a 600 et 750 millions d'années, on estime que des niveaux de dioxyde de carbone égaux aux niveaux préindustriels récents ou jusqu'à trois fois les niveaux préindustriels auraient été suffisants pour que la Terre boule de neige se produise.

Parce que de nombreux continents existaient dans les zones équatoriales chaudes au cours des glaciations les plus récentes, Kasting pense que l'altération rapide des roches de silicate de calcium et de magnésium, qui consomme du dioxyde de carbone, a abaissé des niveaux suffisants pour refroidir les choses.

"Il aurait fallu près de 300 fois les niveaux actuels de dioxyde de carbone pour sortir la Terre de sa couverture de glace", explique Kasting. "Ensuite, une fois la glace à haute réflectivité disparue, le dioxyde de carbone aurait été surcompensé et la Terre deviendrait très chaude jusqu'à ce qu'une altération rapide élimine le dioxyde de carbone de l'atmosphère."

L'une des raisons pour lesquelles de nombreux scientifiques ont initialement rejeté la théorie de la Terre boule de neige était que les preuves biologiques ne suggèrent pas que les diverses formes de vie sur Terre se soient ramifiées à partir de la dernière glaciation totale. Une variété de formes de vie a dû survivre avant la glaciation, ce qui est difficile à imaginer sur un monde couvert de glace. Peut-être que les ancêtres de la vie d'aujourd'hui ont survécu dans des refuges comme des sources chaudes ou à proximité de sources thermales sous-marines.

"Le puzzle biologique de la Terre boule de neige est très intéressant", déclare Kasting. "Les événements suggèrent que la vie était plus robuste que nous ne le pensions et que le climat de la Terre était beaucoup moins stable que nous ne le pensions."

Source de l'histoire :

Matériel fourni par État de Pennsylvanie. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.


Une boule de neige géante dans l'espace

Les experts s'accordent à dire que Snowball Earth a émergé d'un effet d'emballement impliquant une rétroaction de l'albédo glaciaire.

Un rayonnement réduit a conduit à l'expansion de la glace des pôles à l'équateur, ce qui a entraîné une plus grande quantité de glace couvrant le globe et la planète ayant un albédo plus élevé. L'albédo fait référence à la quantité de lumière qui frappe une surface est réfléchie sans être absorbée. Dans Snowball Earth, cela signifie qu'une grande partie du rayonnement solaire qui a frappé la surface a rebondi et a eu un effet de chauffage plus faible. En conséquence, la Terre se refroidit davantage et de plus en plus de glace se forme, atteignant un point de glaciation mondiale.

Dans l'étude, les chercheurs ont développé un modèle mathématique simple du système climatique de la Terre qui inclut la rétroaction de l'albédo de la glace. Ils ont conçu des équations pour représenter les relations entre le rayonnement solaire entrant et sortant, la température de surface de la Terre, la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et les effets des intempéries sur le dioxyde de carbone atmosphérique.

Leur modèle montre que la Terre est plus susceptible de geler si la lumière solaire entrante diminue au-delà d'un taux critique. Cela signifie que les niveaux de rayonnement n'ont pas à descendre en dessous d'un seuil critique pour induire une ère glaciaire mondiale. Mais si les niveaux diminuaient à une vitesse particulière, cela pourrait plonger la planète jusqu'à Snowball Earth.

Mais quelle est cette vitesse particulière, les chercheurs sont incertains car le modèle est une représentation simplifiée du climat de la Terre. Ils estiment cependant que la Terre devrait subir une baisse de 2% du rayonnement solaire sur une période d'environ 10 000 ans pour basculer dans une ère glaciaire mondiale. (Connexe : Alors que le monde débat du réchauffement climatique, un physicien solaire met en garde contre l'ère glaciaire à venir.)


Administration Nationale de l'Espace et de l'Aéronautique

"Snowball Earth" aurait pu être de la neige fondue

Par Michael Schirber, Astrobiology Magazine — Août 2015

Imaginez un monde sans eau liquide et juste de la glace solide dans toutes les directions. Ce ne serait certainement pas un endroit que la plupart des formes de vie aimeraient vivre.

Et pourtant, notre planète a traversé plusieurs périodes de gel, au cours desquelles un effet climatique incontrôlable a conduit à une couverture de glace mondiale ou quasi mondiale. La dernière de ces glaciations dites "Snowball Earth" s'est terminée il y a environ 635 millions d'années, alors que la vie complexe commençait tout juste à se développer. On ne sait toujours pas si la glace a recouvert la planète entière ou si un mécanisme a pu arrêter la fuite.

"L'étude des glaciations de la Terre boule de neige peut nous dire à quel point cela peut devenir grave, auquel cas la vie telle que nous la connaissons ne survivrait probablement pas", déclare la géologue Linda Sohl du Center for Climate Systems Research de l'Université de Columbia et du Goddard Institute for Space Studies de la NASA.

« Snowball Earth » était-il gelé ou fondu ? (Crédit image : NASA/JPL/Eric Rignot)

Sohl et ses collègues utilisent des modèles climatiques mondiaux &mdash ceux que la plupart des gens utilisent pour prédire où notre planète se dirige dans le futur &mdash et les modifient pour étudier où notre planète a été dans le passé.

Dans leurs simulations de la période cryogénienne (il y a 850-635 millions d'années), le groupe a découvert que la température moyenne mondiale de la Terre aurait pu tomber de 12 degrés Celsius sous le point de congélation, et pourtant le monde ne gèlerait pas complètement. Les modèles prédisent que la moitié des océans restent libres de glace même dans ces conditions extrêmes. L'implication est que la Terre a résisté à la boule de neige en une boule de glace solide à ce moment crucial de l'histoire de la Terre.

L'équipe a reçu une subvention de l'élément Exobiologie et biologie évolutive du programme d'astrobiologie de la NASA pour explorer d'autres scénarios Snowball Earth. L'objectif est d'identifier quels facteurs, tels que la disposition des continents et la circulation océanique, jouent un rôle dans le déclenchement ou l'arrêt de la glaciation.

Les résultats pourraient influencer les discussions sur les limites d'habitabilité autour d'autres étoiles. Les planètes aquifères comme la Terre peuvent comporter un mécanisme de défense naturel contre le gel mondial, ce qui pourrait signifier que l'eau liquide est plus courante dans l'Univers que les astrobiologistes ne l'ont traditionnellement supposé.

Dur ou fondant

Les scientifiques soutiennent qu'au moins deux glaciations de la Terre boule de neige se sont produites au cours de la période cryogénienne, il y a environ 640 et 710 millions d'années. Chacun a duré environ 10 millions d'années.

La principale preuve de la gravité de ces événements provient des preuves géologiques des glaciers près de l'équateur. Si la glace sur terre a atteint les basses latitudes, comme le dit l'argument, alors elle a dû s'étendre partout.

Cette réponse climatique « tout compris » est due à la réflectivité élevée, ou albédo, de la glace. La glace reflète 55 à 80% de la lumière solaire entrante, renvoyant cette énergie dans l'espace avant qu'elle ne puisse réchauffer la planète. En comparaison, l'eau des océans ne reflète que 12 % et les zones terrestres entre 10 et 40 %, de sorte qu'une plus grande partie de la chaleur du soleil est absorbée par ces conditions de surface. Un facteur supplémentaire de refroidissement de la planète est que le Soleil était 6 % plus faible pendant la période cryogénienne qu'il ne l'est maintenant.

Les premiers modèles ont montré qu'une fois que la glace atteignait les latitudes tropicales, une boucle de rétroaction positive s'installerait, dans laquelle la couverture de glace entraînerait des températures plus basses, ce qui ajouterait plus de couverture de glace, ce qui abaisserait encore plus les températures. Cet effet d'emballement se poursuivrait vraisemblablement jusqu'à ce que la planète entière se fige, avec même les océans recouverts d'une couche de glace d'un kilomètre d'épaisseur.

Cette soi-disant "boule de neige dure" enfermerait la planète dans un hiver éternel, à la le hit de Disney La Reine des Neiges. La différence est qu'il n'existe pas de sorts magiques pour libérer une Snowball Earth d'un gel aussi profond.

En effet, les scientifiques ont eu du mal à expliquer comment une boule de neige dure pourrait jamais fondre. Une proposition est que l'activité volcanique libère des gaz à effet de serre qui finissent par réchauffer la planète. La quantité de dioxyde de carbone (CO2) nécessaire pourrait être plusieurs centaines de fois plus élevé que ce que notre atmosphère contient actuellement. Cependant, il n'y a aucune preuve géologique pour soutenir autant de CO2 dans l'atmosphère cryogénienne, dit Sohl.

Un autre problème pour la théorie dure de la boule de neige est l'absence d'un événement d'extinction massive dans les archives fossiles cryogéniennes. On pourrait s'attendre à un coup majeur pour l'écosystème océanique lorsqu'il serait probablement coupé du Soleil par une épaisse couche de glace, mais seules des extinctions relativement faibles ont été trouvées.

Couverture de neige et de glace de mer d'un Sturtien (

715 Mya) Simulation "Snowball Earth" par le modèle climatique GISS. La position du front de glace de mer est approximativement stable d'ici l'année modèle 500, ce qui suggère qu'une solution « boule de neige dure » ​​n'est pas réalisable pour la combinaison particulière d'insolation solaire et de CO2 niveau appliqué. (Crédit image : NASA-GISS/Columbia-CCSR)

Une complication supplémentaire est la preuve d'un cycle de l'eau en cours au cours du cryogénien. De telles précipitations vont à l'encontre de l'atmosphère sèche qui se développerait probablement si les océans étaient tous recouverts de glace.

"La suggestion que la Terre était autrefois entièrement recouverte de glace et les continents par d'épaisses calottes glaciaires et les océans par d'épaisses glaces marines reste quelque peu controversée", explique le physicien Richard Peltier de l'Université de Toronto.

En réponse à ces préoccupations, une théorie alternative s'est développée sous le nom de "slushball". Dans ce cas, la Terre se couvre en grande partie de glace, mais l'eau libre reste près de l'équateur. Sohl dit que beaucoup de ses collègues géologues penchent pour le scénario de la boule de neige, car il semble mieux correspondre aux observations.

Cela ne veut pas dire qu'une boule de neige dure ne s'est jamais produite. Une glaciation étendue a eu lieu il y a environ 2,2 milliards d'années, à l'ère paléoprotérozoïque, et il semble plausible que la couverture glaciaire mondiale se soit produite alors, dit Sohl. Comparé au cryogénien, le soleil du Paléoprotérozoïque était encore plus faible (en baisse de 16 % de luminosité à partir de maintenant). Le moment de la glaciation semble également coïncider avec l'évolution de la vie photosynthétique, qui aurait considérablement réduit les gaz à effet de serre grâce à la libération d'oxygène.

A l'écoute du passé

Pour mieux comprendre la controversée période cryogénienne, l'équipe de Sohl a développé des modèles climatiques qui recréent les conditions sur Terre il y a près d'un milliard d'années.

Ils commencent par le modèle du système terrestre NASA/GISS (ModelE2-R), qui a été utilisé pour effectuer les évaluations climatiques les plus récentes par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). Mais ils remontent le temps de la simulation, modifiant les paramètres à ce qu'ils étaient dans le passé. Par exemple, la luminosité du Soleil est atténuée de 6 % et les continents sont organisés en un seul supercontinent près de l'équateur.

"Vous avez besoin de cette flexibilité lorsque vous étudiez les conditions climatiques passées", explique Sohl. "Nous utilisons probablement l'un des modèles les plus sophistiqués disponibles pour nos courses paléoclimatiques."

Certaines tentatives précédentes de simulation de l'histoire de la Terre se sont concentrées sur la tentative explicite de produire une boule de neige dure, mais Sohl et ses collègues ont préféré laisser le modèle climatique suggérer quel devrait être le résultat de leurs courses. Ils ont découvert que les courants océaniques, comme le Gulf Stream actuel, ont un impact important sur comment et où la chaleur du Soleil finit par se répartir sur la surface de la Terre.

"Pour nous, la circulation océanique semble aider à empêcher un gel complet", a déclaré Sohl.

Les premiers résultats de l'équipe montrent que l'océan conserve des zones d'eau libre sous les tropiques, même lorsque les glaciers couvrent une grande partie de la masse terrestre. L'implication semble être que l'image de la boule de neige fondue est plus probable que la boule de neige dure, du moins en ce qui concerne la période cryogénienne.

Sohl et ses collègues explorent maintenant d'autres aspects qui pourraient jouer un rôle dans les climats passés. Par exemple, la journée a été plus courte pendant le cryogénien (21,9 heures au lieu de 24), et cela a probablement affecté la dynamique atmosphérique.

Peltier, qui n'est pas impliqué dans ce travail, pense que l'un des problèmes les plus en suspens dans les études Snowball Earth est l'effet de la topographie (c'est-à-dire les variations d'altitude). Une topographie plus élevée pourrait permettre la glaciation même lorsque d'autres facteurs s'y opposent, dit-il.

Une conception d'artiste de l'exoplanète Kepler-62f, qui est située dans la partie extérieure de la "zone habitable" autour de l'étoile Kepler-62. Il a été supposé que la surface de la planète est principalement constituée d'eau, mais que sans un CO dense2 l'atmosphère, cette eau serait de la glace. (Crédit image : NASA Ames/JPL-Caltech/Tim Pyle)

D'autres mondes de glace

Ce ne sont pas les premières simulations climatiques à montrer que geler une planète n'est pas si facile, mais "le message n'est pas vraiment parvenu aux astrobiologistes", dit Sohl. La communauté astrobiologique a tendance à considérer la boule de neige dure comme le bord froid de l'habitabilité. Ils ne savent souvent pas à quel point ce bord peut être « gluant ».

La définition traditionnelle de l'habitabilité de la planète est la présence d'eau liquide. Et pour plus de commodité, les scientifiques supposent souvent que l'état de l'eau est déterminé par la distance qui sépare une planète de son étoile. Dans ce cas, la "zone habitable" est la région autour d'une étoile où l'eau liquide devrait exister. Une planète en dehors de cette zone habitable devrait être en territoire boule de neige permanent.

Mais ceux qui étudient le climat savent qu'un grand nombre de facteurs entrent dans le gel en plus de la distance étoile-planète. À travers son projet actuel, Sohl espère élucider certains de ces facteurs.

"En fin de compte, je pense que nous finirons par réaliser que la zone habitable est plus large que nous ne le pensions à l'origine", dit-elle.

Cet article a été initialement préparé comme un article pour Astrobiology Magazine.


La convention de nommage des exoplanètes est une extension du système utilisé pour nommer les systèmes d'étoiles multiples tel qu'adopté par l'Union astronomique internationale (IAU). Pour une exoplanète en orbite autour d'une seule étoile, le nom est normalement formé en prenant le nom de son étoile mère et en ajoutant une lettre minuscule. La première planète découverte dans un système reçoit la désignation « b » (l'étoile mère est considérée comme « a ») et les planètes suivantes reçoivent les lettres suivantes. Si plusieurs planètes du même système sont découvertes en même temps, la plus proche de l'étoile reçoit la lettre suivante, suivie des autres planètes par ordre de taille d'orbite. Une norme provisoire sanctionnée par l'IAU existe pour s'adapter à la dénomination des planètes circumbinaires. Un nombre limité d'exoplanètes ont des noms propres sanctionnés par l'IAU. D'autres systèmes de nommage existent.

Imagerie directe Modifier

Les planètes sont extrêmement faibles par rapport à leurs étoiles mères. Par exemple, une étoile semblable au Soleil est environ un milliard de fois plus lumineuse que la lumière réfléchie par n'importe quelle exoplanète en orbite. Il est difficile de détecter une source de lumière aussi faible, et de plus l'étoile mère provoque un éblouissement qui a tendance à l'effacer. Il est nécessaire de bloquer la lumière de l'étoile mère afin de réduire l'éblouissement tout en laissant la lumière de la planète détectable, ce qui est un défi technique majeur qui nécessite une stabilité optothermique extrême. [1] Toutes les exoplanètes qui ont été directement imagées sont à la fois grandes (plus massives que Jupiter) et largement séparées de leur étoile mère.

Des instruments d'imagerie directe spécialement conçus, tels que Gemini Planet Imager, VLT-SPHERE et SCExAO, imageront des dizaines de géantes gazeuses, mais la grande majorité des planètes extrasolaires connues n'ont été détectées que par des méthodes indirectes. Voici les méthodes indirectes qui se sont avérées utiles :

Méthodes indirectes Modifier

La plupart des planètes candidates extrasolaires connues ont été découvertes à l'aide de méthodes indirectes et, par conséquent, seuls certains de leurs paramètres physiques et orbitaux peuvent être déterminés. Par exemple, sur les six paramètres indépendants qui définissent une orbite, la méthode de la vitesse radiale peut en déterminer quatre : le demi-grand axe, l'excentricité, la longitude du périastron et l'heure du périastron. Deux paramètres restent inconnus : l'inclinaison et la longitude du nœud ascendant.

Distance de l'étoile et de la période orbitale Modifier

Il y a des exoplanètes qui sont beaucoup plus proches de leur étoile mère que n'importe quelle planète du système solaire ne l'est du Soleil, et il y a aussi des exoplanètes qui sont beaucoup plus éloignées de leur étoile. Mercure, la planète la plus proche du Soleil à 0,4 unité astronomique (UA), met 88 jours pour une orbite, mais les plus petites orbites connues d'exoplanètes ont des périodes orbitales de quelques heures seulement, voir Planète à période ultra-courte. Le système Kepler-11 a cinq de ses planètes sur des orbites plus petites que celle de Mercure. Neptune est à 30 UA du Soleil et met 165 ans pour l'orbiter, mais il y a des exoplanètes qui sont à des milliers d'UA de leur étoile et mettent des dizaines de milliers d'années pour orbiter, par ex. GU Piscium b. [12]

Les méthodes de vitesse radiale et de transit sont les plus sensibles aux planètes avec de petites orbites. Les premières découvertes telles que 51 Peg b étaient des géantes gazeuses avec des orbites de quelques jours. [13] Ces "Jupiters chauds" se sont probablement formés plus loin et ont migré vers l'intérieur.

La méthode d'imagerie directe est la plus sensible aux planètes avec de grandes orbites et a découvert des planètes qui ont des séparations planète-étoile de centaines d'UA. Cependant, les disques protoplanétaires n'ont généralement qu'un rayon d'environ 100 UA, et les modèles d'accrétion de noyau prédisent que la formation de planètes géantes se situe à moins de 10 UA, où les planètes peuvent fusionner assez rapidement avant que le disque ne s'évapore. Les planètes géantes à très longue période peuvent avoir été des planètes voyous qui ont été capturées, [14] ou formées à proximité et dispersées gravitationnellement vers l'extérieur, ou la planète et l'étoile pourraient être un système binaire large à masse déséquilibrée avec la planète étant l'objet principal de son propre disque protoplanétaire séparé. Les modèles d'instabilité gravitationnelle pourraient produire des planètes à des séparations de plusieurs centaines d'UA, mais cela nécessiterait des disques inhabituellement grands. [15] [16] Pour les planètes avec des orbites très larges jusqu'à plusieurs centaines de milliers d'UA, il peut être difficile de déterminer par observation si la planète est liée gravitationnellement à l'étoile.

La plupart des planètes qui ont été découvertes sont à quelques UA de leur étoile hôte car les méthodes les plus utilisées (vitesse radiale et transit) nécessitent l'observation de plusieurs orbites pour confirmer que la planète existe et il n'y a eu assez de temps que ces méthodes ont été d'abord utilisé pour couvrir de petites séparations. Certaines planètes avec des orbites plus grandes ont été découvertes par imagerie directe, mais il existe une plage de distances moyenne, à peu près équivalente à la région des géantes gazeuses du système solaire, qui est en grande partie inexplorée. Un équipement d'imagerie directe pour explorer cette région a été installé sur deux grands télescopes qui ont commencé à fonctionner en 2014, par ex. Gemini Planet Imager et VLT-SPHERE. La méthode de microlentille a détecté quelques planètes dans la gamme 1-10 UA. [17] Il semble plausible que dans la plupart des systèmes exoplanétaires, il existe une ou deux planètes géantes avec des orbites de taille comparable à celles de Jupiter et Saturne dans le système solaire. Les planètes géantes avec des orbites sensiblement plus grandes sont maintenant connues pour être rares, du moins autour des étoiles semblables au Soleil. [18]

La distance de la zone habitable d'une étoile dépend du type d'étoile et cette distance change au cours de la vie de l'étoile à mesure que la taille et la température de l'étoile changent.

Excentricité Modifier

L'excentricité d'une orbite est une mesure de son ellipse (allongée). Toutes les planètes du système solaire, à l'exception de Mercure, ont des orbites quasi circulaires (e<0.1). [19] La plupart des exoplanètes avec des périodes orbitales de 20 jours ou moins ont des orbites quasi circulaires, c'est-à-dire une très faible excentricité. On pense que cela est dû à la circularisation des marées : réduction de l'excentricité au fil du temps en raison de l'interaction gravitationnelle entre deux corps. La plupart des planètes de taille inférieure à Neptune trouvées par le Kepler les engins spatiaux avec de courtes périodes orbitales ont des orbites très circulaires. [20] En revanche, les planètes géantes avec des périodes orbitales plus longues découvertes par des méthodes de vitesse radiale ont des orbites assez excentriques. (En juillet 2010, 55 % de ces exoplanètes ont des excentricités supérieures à 0,2, tandis que 17 % ont des excentricités supérieures à 0,5. [21] ) Les excentricités modérées à élevées (e>0.2) des planètes géantes sont ne pas un effet de sélection d'observation, car une planète peut être détectée à peu près aussi bien quelle que soit l'excentricité de son orbite. La signification statistique des orbites elliptiques dans l'ensemble des planètes géantes observées est quelque peu surprenante, car les théories actuelles de la formation planétaire suggèrent que les planètes de faible masse devraient avoir leur excentricité orbitale circularisée par les interactions gravitationnelles avec le disque protoplanétaire environnant. [22] [23] Cependant, à mesure qu'une planète devient plus massive et que son interaction avec le disque devient non linéaire, elle peut induire un mouvement excentrique du gaz du disque environnant, qui à son tour peut exciter l'excentricité orbitale de la planète. [24] [25] [26] De faibles excentricités sont corrélées à une multiplicité élevée (nombre de planètes dans le système). [27] Une faible excentricité est nécessaire pour l'habitabilité, en particulier la vie avancée. [28]

Pour les signaux Doppler faibles proches des limites de la capacité de détection de courant, l'excentricité devient mal contrainte et biaisée vers des valeurs plus élevées. Il est suggéré que certaines des excentricités élevées signalées pour les exoplanètes de faible masse peuvent être surestimées, car les simulations montrent que de nombreuses observations sont également cohérentes avec deux planètes sur des orbites circulaires. Les observations rapportées de planètes isolées sur des orbites modérément excentriques ont environ 15% de chances d'être une paire de planètes. [29] Cette mauvaise interprétation est particulièrement probable si les deux planètes orbitent avec une résonance 2:1. Avec l'échantillon d'exoplanètes connu en 2009, un groupe d'astronomes a estimé que « (1) environ 35% des solutions excentriques publiées d'une planète sont statistiquement indiscernables des systèmes planétaires en résonance orbitale 2:1, (2) un autre 40% ne peut pas être statistiquement distingué d'une solution orbitale circulaire" et "(3) des planètes avec des masses comparables à la Terre pourraient être cachées dans des solutions orbitales connues de super-Terres excentriques et de planètes de masse Neptune". [30]

Les relevés de vitesse radiale ont révélé que les orbites des exoplanètes au-delà de 0,1 UA étaient excentriques, en particulier pour les grandes planètes. Les données de transit obtenues par le Kepler vaisseau spatial, est cohérent avec les enquêtes RV et a également révélé que les planètes plus petites ont tendance à avoir des orbites moins excentriques. [31]

Inclinaison par rapport à l'angle spin-orbite Modifier

L'inclinaison orbitale est l'angle entre le plan orbital d'une planète et un autre plan de référence. Pour les exoplanètes, l'inclinaison est généralement indiquée par rapport à un observateur sur Terre : l'angle utilisé est celui entre la normale au plan orbital de la planète et la ligne de mire de la Terre à l'étoile. Par conséquent, la plupart des planètes observées par la méthode du transit sont proches de 90 degrés. [32] Étant donné que le mot « inclinaison » est utilisé dans les études d'exoplanètes pour cette inclinaison de la ligne de visée, l'angle entre l'orbite de la planète et la rotation de l'étoile doit utiliser un mot différent et est appelé angle spin-orbite ou spin-orbite alignement. Dans la plupart des cas, l'orientation de l'axe de rotation de l'étoile est inconnue. le Kepler le vaisseau spatial a trouvé quelques centaines de systèmes multiplanétaires et dans la plupart de ces systèmes, les planètes orbitent toutes dans presque le même plan, un peu comme le système solaire. [20] Cependant, une combinaison de mesures astrométriques et de vitesse radiale a montré que certains systèmes planétaires contiennent des planètes dont les plans orbitaux sont significativement inclinés les uns par rapport aux autres. [33] Plus de la moitié des Jupiters chauds ont des plans orbitaux sensiblement désalignés avec la rotation de leur étoile mère. Une fraction substantielle des Jupiter chauds ont même des orbites rétrogrades, ce qui signifie qu'elles orbitent dans la direction opposée à la rotation de l'étoile. [34] Plutôt que l'orbite d'une planète ayant été perturbée, il se peut que l'étoile elle-même se soit retournée tôt dans la formation de leur système en raison des interactions entre le champ magnétique de l'étoile et le disque formant la planète. [35]

Précession périastrone Modifier

La précession périastrone est la rotation de l'orbite d'une planète dans le plan orbital, c'est-à-dire que les axes de l'ellipse changent de direction. Dans le système solaire, les perturbations provenant d'autres planètes sont la cause principale, mais pour les exoplanètes proches, le facteur le plus important peut être les forces de marée entre l'étoile et la planète. Pour les exoplanètes proches, la contribution relativiste générale à la précession est également significative et peut être d'ordres de grandeur plus importants que le même effet pour Mercure. Certaines exoplanètes ont des orbites significativement excentriques, ce qui facilite la détection de la précession. L'effet de la relativité générale peut être détectable dans des échelles de temps d'environ 10 ans ou moins. [36]

Précession nodale Modifier

La précession nodale est la rotation du plan orbital d'une planète. La précession nodale est plus facilement considérée comme distincte de la précession périastronale lorsque le plan orbital est incliné par rapport à la rotation de l'étoile, le cas extrême étant une orbite polaire.

WASP-33 est une étoile à rotation rapide qui héberge un Jupiter chaud sur une orbite presque polaire. Le moment de masse quadripolaire et le moment angulaire propre de l'étoile sont respectivement 1900 et 400 fois plus grands que ceux du Soleil. Cela provoque des écarts classiques et relativistes importants par rapport aux lois de Kepler. En particulier, la rotation rapide provoque une grande précession nodale en raison de l'aplatissement de l'étoile et de l'effet Lense-Thirring. [37]

En avril 2014, la première mesure de la période de rotation d'une planète a été annoncée : la durée du jour pour la géante gazeuse super-Jupiter Beta Pictoris b est de 8 heures (en supposant que l'inclinaison axiale de la planète est faible.) [38 ] [39] [40] Avec une vitesse de rotation équatoriale de 25 km par seconde, c'est plus rapide que pour les planètes géantes du système solaire, en ligne avec l'attente que plus une planète géante est massive, plus elle tourne vite. La distance entre Beta Pictoris b et son étoile est de 9 UA. À de telles distances, la rotation des planètes joviennes n'est pas ralentie par les effets de marée. [41] Beta Pictoris b est encore chaud et jeune et au cours des prochaines centaines de millions d'années, il se refroidira et se rétrécira à environ la taille de Jupiter, et si son moment angulaire est préservé, alors qu'il rétrécit, la longueur de sa journée diminuera à environ 3 heures et sa vitesse de rotation équatoriale s'accélérera jusqu'à environ 40 km/s. [39] Les images de Beta Pictoris b n'ont pas une résolution suffisamment élevée pour voir directement les détails mais des techniques de spectroscopie Doppler ont été utilisées pour montrer que différentes parties de la planète se déplaçaient à des vitesses différentes et dans des directions opposées d'où il a été déduit que la planète est en rotation. [38] Avec la prochaine génération de grands télescopes au sol, il sera possible d'utiliser des techniques d'imagerie Doppler pour faire une carte globale de la planète, comme la cartographie de la naine brune Luhman 16B en 2014. [42] [43] A L'étude de 2017 de la rotation de plusieurs géantes gazeuses n'a trouvé aucune corrélation entre le taux de rotation et la masse de la planète. [44]

Origine de la rotation et de l'inclinaison des planètes terrestres Modifier

Les impacts géants ont un effet important sur la rotation des planètes terrestres. Les derniers impacts géants au cours de la formation planétaire ont tendance à être le principal déterminant du taux de rotation d'une planète terrestre. En moyenne, la vitesse angulaire de rotation sera d'environ 70% de la vitesse qui provoquerait la rupture de la planète et son éclatement, résultat naturel des impacts d'embryons planétaires à des vitesses légèrement supérieures à la vitesse de fuite. Dans les stades ultérieurs, la rotation de la planète terrestre est également affectée par les impacts avec les planétésimaux. Au cours de la phase d'impact géant, l'épaisseur d'un disque protoplanétaire est bien plus grande que la taille des embryons planétaires, de sorte que les collisions sont également susceptibles de provenir de n'importe quelle direction en trois dimensions. This results in the axial tilt of accreted planets ranging from 0 to 180 degrees with any direction as likely as any other with both prograde and retrograde spins equally probable. Therefore, prograde spin with a small axial tilt, common for the Solar System's terrestrial planets except Venus, is not common in general for terrestrial planets built by giant impacts. The initial axial tilt of a planet determined by giant impacts can be substantially changed by stellar tides if the planet is close to its star and by satellite tides if the planet has a large satellite. [45]

Tidal effects Edit

For most planets, the rotation period and axial tilt (also called obliquity) are not known, but a large number of planets have been detected with very short orbits (where tidal effects are greater) that will probably have reached an equilibrium rotation that can be predicted (i.e. tidal lock, spin–orbit resonances, and non-resonant equilibria such as retrograde rotation). [41]

Gravitational tides tend to reduce the axial tilt to zero but over a longer timescale than the rotation rate reaches equilibrium. However, the presence of multiple planets in a system can cause axial tilt to be captured in a resonance called a Cassini state. There are small oscillations around this state and in the case of Mars these axial tilt variations are chaotic. [41]

Hot Jupiters' close proximity to their host star means that their spin–orbit evolution is mostly due to the star's gravity and not the other effects. Hot Jupiters' rotation rate is not thought to be captured into spin–orbit resonance because of the way in which such a fluid-body reacts to tides a planet like this therefore slows down into synchronous rotation if its orbit is circular, or, alternatively, it slows down into a non-synchronous rotation if its orbit is eccentric. Hot Jupiters are likely to evolve towards zero axial tilt even if they had been in a Cassini state during planetary migration when they were further from their star. Hot Jupiters' orbits will become more circular over time, however the presence of other planets in the system on eccentric orbits, even ones as small as Earth and as far away as the habitable zone, can continue to maintain the eccentricity of the Hot Jupiter so that the length of time for tidal circularization can be billions instead of millions of years. [41]

The rotation rate of planet HD 80606 b is predicted to be about 1.9 days. [41] HD 80606 b avoids spin–orbit resonance because it is a gas giant. The eccentricity of its orbit means that it avoids becoming tidally locked.

Mass Edit

When a planet is found by the radial-velocity method, its orbital inclination je is unknown and can range from 0 to 90 degrees. The method is unable to determine the true mass (M) of the planet, but rather gives a lower limit for its mass, M sinje. In a few cases an apparent exoplanet may be a more massive object such as a brown dwarf or red dwarf. However, the probability of a small value of i (say less than 30 degrees, which would give a true mass at least double the observed lower limit) is relatively low (1− √ 3 /2 ≈ 13%) and hence most planets will have true masses fairly close to the observed lower limit. [13]

If a planet's orbit is nearly perpendicular to the line of vision (i.e. je close to 90°), a planet can be detected through the transit method. The inclination will then be known, and the inclination combined with M sinje from radial-velocity observations will give the planet's true mass.

Also, astrometric observations and dynamical considerations in multiple-planet systems can sometimes provide an upper limit to the planet's true mass.

In 2013 it was proposed that the mass of a transiting exoplanet can also be determined from the transmission spectrum of its atmosphere, as it can be used to constrain independently the atmospheric composition, temperature, pressure, and scale height, [46] however a 2017 study found that the transmission spectrum cannot unambiguously determine the mass. [47]

Transit-timing variation can also be used to find a planet's mass. [48]

Radius, density, and bulk composition Edit

Prior to recent results from the Kepler space observatory, most confirmed planets were gas giants comparable in size to Jupiter or larger because they are most easily detected. However, the planets detected by Kepler are mostly between the size of Neptune and the size of Earth. [20]

If a planet is detectable by both the radial-velocity and the transit methods, then both its true mass and its radius can be determined, as well as its density. Planets with low density are inferred to be composed mainly of hydrogen and helium, whereas planets of intermediate density are inferred to have water as a major constituent. A planet of high density is inferred to be rocky, like Earth and the other terrestrial planets of the Solar System.


Why Do We Need Snowball Events?

It may not occur to people living in a high-tech modern society, but an improbable confluence of natural events in Earth’s past has made our comfortable lives possible. Scientists have learned how four finely tuned snowball events led to just-right plate tectonic activity, along with the timing of the Sun’s brightness, in what appears to be a supernatural arrangement to prepare our planet for advanced life.

Snowball events are epochs in Earth’s history when more than 80% of Earth’s surface becomes covered in thick sheets of ice (see figure 1). These epochs last for several million years.

Figure 1: Artist’s Depiction of Earth during a Snowball Event. jemage credit: Hugh Ross

Some geologists make a distinction between snowball and slushball events. They define a snowball event as one where thick sheets of ice cover virtually all (98%+) of Earth’s surface and a slushball event as one where 80–90% of Earth’s surface is ice-covered while the remaining 10–20% is made of regions where the water is intermittently slushy or liquid. While the abundance and diversity of life precipitously drops during these events, it never disappears. The fact that life perseveres during these events argues in favor of slushball events. Nevertheless, I will use the term snowball event to refer to an epoch where thick ice sheets cover an excess of 80% of Earth’s surface.

Snowball Enigma
Snowball events present an apparent challenge to biblical creation models for life history on Earth. In Isaiah 45:18, Isaiah says of God:

He did not create it [Earth] to be empty but formed it to be inhabited.

In Psalm 104:24 the psalmist declares:

How many are your works, Lord! In wisdom you made them all the earth is full of your creatures.

Snowball events are erasures of Earth’s life. Why would God erase most life from Earth if his intent is to fill Earth with abundant, diverse life? A recent paper published in Nature provides several reasons why. 1

Resolving the Snowball Enigma
Earth is the only known planet to manifest sustained plate tectonic activity. Without sustained aggressive plate tectonic activity, there is no possibility for advanced life. It takes sustained aggressive plate tectonic activity to create all the habitats that advanced life needs, to recycle the nutrients that advanced life needs, and to compensate for the ongoing brightening of the Sun. For readers interested in the specific reasons why, I address them in my book Improbable Planet. 2

In the Nature paper, two geophysicists, Stephan Sobolev and Michael Brown, explain why snowball events are essential for maintaining aggressive plate tectonic activity. New crustal plates form at spreading zones (boundaries between plates where the plates are separating from one another). Then crustal plates are recycled back into Earth’s mantle at subduction zones (regions where one plate slides underneath another).

The primary driver of plate tectonics is subduction (see figure 2). Without subduction, plate tectonic activity will cease.

Figure 2: Subduction of One Tectonic Plate underneath Another. jemage credit: K. D. Schroeder, Wikimedia Commons, subduction-en.svg

The rate at which subduction proceeds depends upon (1) the strength of the material comprising the descending plate, and (2) the strength of the material in the interface between the descending and overriding plates. Igneous rocks that characterize oceanic crust are dry (they contain few hydrated minerals) and strong. Thus, they manifest low subduction velocities. Sediments, on the other hand, are wet (they contain abundant hydrated minerals) and weak. They manifest high subduction velocities. Sediments at the juncture of two tectonic plates act as a lubricant, facilitating the sliding of one plate underneath another.

Snowball events dramatically enhance the weathering and erosion of emerging continents. This weathering and erosion dump a huge supply of sediments onto the continental shelves (the shallow-water seafloors off the coasts of continents). The load of sediments lubricates the interfaces between descending and overriding tectonic plates. And, in turn, the lubrication accelerates continental collisions, which lead to the formation of long ranges of high mountains like the Andes. The cycle continues as the formation of long ranges of high, steep-sloped mountains accelerates erosion, causing an even greater load of sediments to be delivered to the interfaces between tectonic plates.

Sobolev and Brown conclude in their paper that the snowball event that occurred 2.45–2.20 billion years ago and the briefer three snowball events that occurred 715–680 million years ago (the Sturtian glaciation), 650–635 million years ago (the Marinoan glaciation), and 579.9–579.6 million years ago (the Gaskiers glaciation) were crucial in sustaining the 3+ billion-year history of Earth’s plate tectonic activity. They also note that these snowball events played a critical role in the supercontinent cycle. In particular, the 2.45–2.20 billion-year-ago snowball event led to the formation of the Columbia supercontinent, and the three snowball events between 0.68 and 0.58 billion years ago led to the formation of the Gondwana supercontinent. Sobolev and Brown did not elaborate further in their paper about the implications for life, but I will.

Additional Snowball Events Benefits
Snowball events result in dramatic enhancements of atmospheric oxygen and reductions in atmospheric carbon dioxide. The 2.45–2.20 event is referred to as the Great Oxygenation Event. Here the atmospheric oxygen level rose from less than 0.01 percent to 1–2 percent. This oxygen rise, for the first time, permitted the existence of eukaroyotic microbes. The three later snowball events resulted in the atmospheric oxygen levels rising from about 1 percent first to 8 percent (575 million years ago), then shortly to 10 percent (543 million years ago). This much oxygen permitted the existence of animals.

Earth’s snowball events were perfectly timed. If they had occurred any earlier in Earth’s history, the Sun would have been too dim to prevent the entirety of Earth’s surface from being covered by thick sheets of ice. All life on Earth would have been exterminated and ice would have remained on Earth for much longer time periods. If the snowball events had occurred any later, the brighter Sun would have shortened the length of each event and limited the extent of the ice coverage. Much less atmospheric oxygen would have been produced and the induced level of plate tectonic activity would have been much lower. Consequently, the future abundance, diversity, and complexity of Earth’s life would have been much lower than what presently exists. In particular, the existence of human life and human civilization would have been rendered impossible.

Snowball events indeed are the greatest “catastrophes” Earth’s life has ever experienced. Without these catastrophes, however, the door to future advanced life on Earth would have been permanently closed. It is thanks to these exquisitely fine-tuned upheavals that we humans and our global human civilization are able to thrive. The timing and fine-tuning of Earth’s past snowball events testify of a Creator who has a purpose and a destiny for human beings.


Snowball Earth

The Snowball Earth hypothesis is a scientific theory stating that there have been episodes in Earth's history when the whole planet became entirely or almost entirely frozen, a kind of extreme glaciation that covered the Earth. The last time this happened was probably about 650 million years ago. Another earlier snowball episode, the Huronian glaciation, occurred between 2.4 and 2.1 billion years ago. Normally ice sheets periodically pulse outwards from the poles (ice ages) and later retract. But in the case of a Snowball Earth event the glaciers exceed a tipping point, for some reason, after which so much sunlight gets reflected from the ice that a runaway effect keeps dropping the temperatures down until the entire planet is covered with ice.

It is quite tough to unfreeze a Snowball Earth since most of the sunlight is reflected back into space. Anyhow, under these conditions CO2 cannot be withdrawn from the atmosphere any more due to the coverage of the planet with thick ice. Over a period of several million years volcanic activity could rescue the Earth by increasing the carbon dioxide levels to about 13%, which is 350 times the CO2 level of today. This CO2 concentration is enough to start a global melting und warming process due to the greenhouse effect even with an Earth reflecting most of the sunlight (yes, in this case the greenhouse effect is highly appreciated). A lot of research has still to be done in order to prove this hypothesis and figure out whether the entire planet was frozen or whether a band around the equator stayed ice free, but certainly there have been periods of extreme glaciations in Earth's history.

By the way, if you want to know what would happen if the Sun were to suddenly disappear you should absolutely read our Astronomy and Space Q&A section. Believe it or not, even under this hypothetical and extreme condition (which certainly will lead to a Snowball Earth in a very short period of time) not all hope for life on Earth is lost!


The Milky Way’s Clean And Tidy Galactic Neighbor

IC 1613 is a dwarf galaxy in the constellation of Cetus (The Sea Monster).

German astronomer Max Wolf discovered IC 1613’s faint glow in 1906. In 1928, his compatriot Walter Baade used the more powerful 2.5-metre telescope at the Mount Wilson Observatory in California to successfully make out its individual stars. From these observations, astronomers figured out that the galaxy must be quite close to the Milky Way, as it is only possible to resolve single pinprick-like stars in the very nearest galaxies to us.

Astronomers have since confirmed that IC 1613 is indeed a member of the Local Group, a collection of more than 50 galaxies that includes our home galaxy, the Milky Way. IC 1613 itself lies just over 2.3 million light-years away from us. It is relatively well-studied due to its proximity astronomers have found it to be an irregular dwarf that lacks many of the features, such as a starry disc, found in some other diminutive galaxies.

However, what IC 1613 lacks in form, it makes up for in tidiness. We know IC 1613’s distance to a remarkably high precision, partly due to the unusually low levels of dust lying both within the galaxy and along the line of sight from the Milky Way — something that enables much clearer observations.

The second reason we know the distance to IC 1613 so precisely is that the galaxy hosts a number of notable stars of two types: Cepheid variables and RR Lyrae variables. Both types of star rhythmically pulsate, growing characteristically bigger and brighter at fixed intervals.

As we know from our daily lives on Earth, shining objects such as light bulbs or candle flames appear dimmer the further they are away from us. Astronomers can use this simple piece of logic to figure out exactly how far away things are in the Universe– so long as they know how bright they really are, referred to as their intrinsic brightness.

Cepheid and RR Lyrae variables have the special property that their period of brightening and dimming is linked directly to their intrinsic brightness. So, by measuring how quickly they fluctuate astronomers can work out their intrinsic brightness. They can then compare these values to their apparent measured brightness and work out how far away they must be to appear as dim as they do.

Stars of known intrinsic brightness can act like standard candles, as astronomers say, much like how a candle with a specific brightness would act as a good gauge of distance intervals based on the observed brightness of its flame’s flicker.

Using standard candles — such as the variable stars within IC 1613 and the less-common Type Ia supernova explosions, which can seen across far greater cosmic distances — astronomers have pieced together a cosmic distance ladder, reaching deeper and deeper into space.

Decades ago, IC 1613 helped astronomers work out how to utilise variable stars to chart the Universe’s grand expanse. Not bad for a little, shapeless galaxy.


Improving Understanding of Snowball Earth

During vast ice ages millions of years ago, sheets of glaciers stretched from the poles almost to the equator, covering the Earth in a frozen skin. Conditions on the "snowball Earth," as scientists refer to it, made the planet a completely different place.

"We’re essentially talking about another world," said Linda Sohl of NASA Goddard Institute for Space Studies. In May, Sohl spoke with a small group at a lunchtime seminar, later posted online, about the evolution of the understanding of the snowball Earth and how it has changed as technology has improved.

Continent-sized glaciers

By the early 1990s, scientists had found several unusual features that indicated something chilling had happened in the past. Glacial deposits of similar ages appeared on almost every continent. Evidence revealed that capped carbonates&mdashlimestone overlays formed by the ocean&mdashlaying on top of the glacial deposits had formed where they were found, rather than having migrated south from higher latitudes.

"There had been this growing consensus that we’d had some terrible ice ages back in the past," Sohl said.

These features appeared at three different times in Earth’s history, at 750, 635, and 580 million years ago.

"Snowball events are extreme glaciations," Carl Stevenson, a geologist with the University of Birmingham in Great Britain, told Astrobiology Magazine by email. Stevenson is part of a separate project studying snowball events.

During normal ice ages, "ice sheets sort of pulse outward from the poles and retract," Stevenson said.

"In a snowball event, the pulse of glaciers seems to reach a tipping point for some reason, and the whole system goes into a snowball." Instead of retracting, the glaciers creep farther south.

Temperatures in a snowball Earth are estimated to have reached minus 50 degrees Celsius (minus 58 degrees Fahrenheit). As the ice spread, more heat was reflected back into space rather than absorbed by the planet, dropping temperatures down in a runaway effect that sped the formation of ice.

"If you can think of continent-size ice sheets sitting where Saudi Arabia is right now, that will give you an idea of how cold the environment seemed to be," Sohl said.

The world remained almost completely frozen over each of the three periods for around ten million years before warming again. Scientists still aren’t certain what caused temperatures to rise again, but volcanic activity is a strong suspect. Many rocks absorb carbon dioxide, but in a snowball scenario such formations would be covered, allowing the atmosphere-heating molecule to build up to a point where global warming could melt the ice.

Slushy or solid?

First proposed in 1992 by Joseph Kirschivink at the California Institute of Technology, the idea of an icy Earth lay dormant for six years until Harvard colleague Paul Hoffman published an article envisioning a world with a totally frozen ocean.

But an Earth where the water was 100 percent solid was a hard sell to some. At a workshop in Switzerland in the summer of 2006, 65 scientists&mdashgeologists, biologists, planet modelers, and those in other fields&mdashcame together to discuss the possibilities and problems with such a world.

"We spent a week thrashing through a bunch of things," Sohl said.

Ultimately, the evidence seemed against a completely ice-covered world. Biologists pointed out that a frozen ocean would block light, which should have resulted in mass extinctions that don’t show up in the fossil record. Geologists raised the issue that the proposed shut down of the water cycle was not compatible with evidence. Sohl felt that most people left the conference thinking that the oceans never froze completely.

"The alternative is that you have a slush ball," Sohl said. "Yes, there was a really bad ice age, but we had lots of open ocean."

"A slush ball is sort of a halfway scenario where, instead of a total ‘white out,’ there are gaps in the ice with open water," Stevenson said.

Sohl describes a world where the heat is concentrated around the equator, leaving a band of liquid water where life could survive.

Better technology, better models

Computer simulations are limited by the technology that ran them, and programs have come a long way in 15 years.

"Earlier models were more restricted by the computers they ran on, and so when they approximated the real world, those approximations were quite crude," Gavin Schmidt told Astrobiology Magazine by email. Schmidt leads the program that developed and maintains the GISS-E2 simulations, a climate model program that Sohl used to simulate the conditions of a near-frozen Earth. GISS-E2 has a variety of configurations with technical differentiations.

Today’s programs can break things into smaller pieces and work with more details than the programs that modeled the first ideas of icy Earths.

"The earliest models dealt mainly with the lower atmosphere now they include the ocean, sea ice, land surfaces, the carbon cycle, aerosols, atmospheric composition, the stratosphere and above, and so on," Schmidt said.

The first versions of GISS-E2 were developed in the early 1980s, but the program has been updated and tweaked a number of time with the help of a variety of people.

"It is very much a group effort, including oceanographers, meteorologists, mathematicians, computer scientists, and others," Schmidt said.

Climate models such as GISS-E2 can give scientists not only a view of Earth’s possible past, but can also provide peeks into the future. Upcoming changes will also help the simulation to have greater flexibility, allowing it to be used for other planets.

A second look

As part of the seminar, Sohl presented information about her current ongoing research into the two older icy periods. Using the more modern programs, she has engaged in rerunning simulations her team originally performed in the mid-90s. With more experiments to perform, the recent research has not yet been subject to peer review or publication.

In both sets of experiments, the land was barren. The presence or absence of plants affect the reflectivity, or albedo, of a planet, which in turn feeds into how fast it heats up.

"Plants on land didn’t show up until about 460 million years ago," Sohl said.

"At best, there might have been some lichens or something like that on land, but that’s really controversial."

The original experiment assumed standard desert conditions, but for the modern version, the scientists used a spot in the barren Gobi desert as an example of the proportions that could occur on a desolate early Earth.

Both projects simulated 60 years, at which point there were no more changes. Today, a simulation of that time frame lasts 12 hours the original run-through lasted far longer.

Sohl discussed seven experiments with the group. The first was a basic control run, using preindustrial conditions. She also ran three simulations each for the two glacial intervals, changing the brightness, or luminosity, of the sun. Early in the history of the solar system, the sun was dimmer, which would also have affected the development of the snowball Earth.

In the original program, land masses were collapsed into a Pangea state, but for today’s experiments the team decided that relocating the continents didn’t have a significant effect on changing the planet’s albedo. But leaving the world as is created a number of nooks and crannies for ice to pile up in, slowing the program down. Sohl said that future runs would contain a simplified topography.

Scientists don’t know exactly what triggers the tipping point for a snowball Earth. One surprising result of Sohl’s recent simulations was that extreme conditions weren’t a requirement. A snowball Earth was created using conditions from before the relatively recent Industrial Age.

Another shock was the similarity of the results for the younger ice age even when the initial conditions were changed. Simulations with the solar luminosity set to the maximum suspected levels while the carbon dioxide levels were minimized produced comparable conditions to the sun shining at today’s brightness.

"I was not prepared for these runs to be so similar to each other at this point," Sohl said.

Going forward, Sohl hopes to investigate other modifications that E2-R will allow, including changing the length of the days to the 21.9 hours it once took the Earth to turn on its axis. As technology allows climate models to account for a wider range of variables, scientists should be able to better understand the driving forces that created and maintained a slushy snowball planet.

But if the Earth has become a giant ice block three times, could it happen again?

"I don’t think they would happen again during human existence," Stevenson said.


‘Snowball Earth’ Resulted from Plate Tectonics, Geologists Say

A team of geologists at the University of Texas at Dallas and Austin has put forward an intriguing new hypothesis that links the dawn of plate tectonics with ‘Snowball Earth,’ a period of climate change that sent our planet into a deep freeze that lasted millions of years. Scientists usually place the start of plate tectonics at about 3 billion years ago, while the new hypothesis, described in the journal Terra Nova, puts the process in a much younger era known as the Neoproterozoic, which occurred about 542 million to one billion years ago.

An artist’s impression of a ‘Snowball Earth.’ Image credit: NASA.

The Earth is the only planet known to have plate tectonics, with its crust and upper mantle being made up of distinct pieces that move slowly and independently, creating and destroying landforms and producing volcanoes and large earthquakes.

Plate tectonics is one of the most fundamental processes that shape the planet, and most researchers believe it has been active for most of the planet’s 4.5 billion-year history.

However, according to the team, there are a variety of traces in the geologic record that could be consistent with plate tectonics not getting started until the Neoproterozoic.

“Earth is the only body in our Solar System known to currently have plate tectonics, where the lithosphere is fragmented like puzzle pieces that move independently,” said team member Professor Robert Stern, from the University of Texas at Dallas.

“It is much more common for planets to have an outer solid shell that is not fragmented, which is known as ‘single lid tectonics’.”

In the study, Professor Stern and his colleague, Dr. Nathaniel Miller of the University of Texas at Austin, suggest that the onset of plate tectonics likely initiated the changes on Earth’s surface that led to ‘Snowball Earth.’

They argue that plate tectonics is the event that can explain 22 theories that other scientists have advanced as triggers of the Neoproterozoic Snowball Earth.

“We went through the literature and examined all the mechanisms that have been put forward for Snowball Earth,” Professor Stern said.

“The start of plate tectonics could be responsible for each of these explanations.”

The onset of plate tectonics should have disturbed the oceans and the atmosphere by redistributing continents, increasing explosive arc volcanism and stimulating mantle plumes.

“The fact that strong climate and oceanographic effects are observed in the Neoproterozoic time is a powerful supporting argument that this is indeed the time of the transition from single lid to plate tectonics. It’s an argument that, to our knowledge, hasn’t yet been considered,” Professor Stern explained.

“In the present day, climate is in the news because we’re changing it by putting more carbon dioxide into the atmosphere.”

“But imagine a time when Earth didn’t have plate tectonics, and it then evolved to have plate tectonics — that would have been a major shift in the Earth’s operating system, and it would have had a huge effect on climate, too.”

Robert J. Stern & Nathan R. Miller. Did the transition to plate tectonics cause Neoproterozoic Snowball Earth? Terra Nova, published online December 20, 2017 doi: 10.1111/ter.12321


Voir la vidéo: La plus grande glaciation de tous les temps (Mai 2022).


Commentaires:

  1. Nikree

    Ce n'est pas la blague !

  2. Sacripant

    Vous êtes inscrit sur le forum pour vous remercier pour l'aide dans cette question, puis-je également vous aider avec quelque chose?

  3. Feirefiz

    Soyons prudents.

  4. Akizil

    Les informations ont été sélectionnées avec succès, quand la mise à jour sera-t-elle?



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