Lumipallomaa

Lumipallomaahypoteesi (engl. Snowball Earth hypothesis) tai "valkoinen Maa -hypoteesi" (engl. White Earth hypothesis) on ilmastotutkimuksen hypoteesi, jonka mukaan Maan pinta on ollut kokonaan tai lähes kokonaan jäätyneenä jossain vaiheessa historiaansa. Kun Maan (tai muun sopivan planeetan) lämpötila laskee, sen napa- ja vuoristojäätiköt laajenevat. Suuret jäätiköt heijastavat Auringon lämpöä pois enemmän kuin pienet, mikä alentaa koko Maan pintalämpötilaa. Tämä kehitys jatkuu, kunnes koko Maa on jään peitossa. Merien syvyydet pysyvät lämpiminä, koska Maan sisästä tulee geotermistä lämpöä.
Maan jäätyminen pysäyttää levien ja kasvien hiilidioksidia hapeksi muuttavan yhteyttämisen sekä tulivuorista purkautuvan hiilidioksidin sitoutumisen sään vaikutuksesta karbonaattikiviin, ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa ajan mittaan. Tällöin kasvihuoneilmiö voimistuu ja jäät sulavat pois. Maa pysyy tämän jälkeen hetken melko kuumana siihen asti kunnes hiilidioksidi sitoutuu Maan kiviin hiileksi. Maan on väitetty olleen jäässä Huron-jääkaudella ja kryogeenikaudella, jonka jälkeen kerrostui karbonaattikiviä jääkautta seuranneella lämpökaudella.

Lumipallomaa

Venäläinen ilmastotutkija Mihail Budyko loi 1960-luvulla matemaattisen teorian, jossa Maa jäätyy kokonaan, kun jäätiköt kasvavat kriittisen rajan yli. Tämän pohjalta on kehitelty teorioita, että Maa jäätyisi, jos se olisi vaikkapa prosentin tai kaksi kauempana Auringosta kuin nyt. 
Maan arvellaan jäätyvän, kun sen keskilämpötila laskee –50 °C:seen, jos kasvihuoneilmiö ei vaikuta.
Tämä olettamus on toinen ratkaisu ns. nollaulotteiseen ilmastomalliin. Tässä mallissa Maan ilmastoon vaikuttavia tekijöitä on laskemisen helpottamiseksi yksinkertaistettu äärimmilleen jättämällä pois monia olennaisiakin tekijöitä. Ilmastomallissa haetaan tasapainotiloja Maan ilmakehän ulkorajalle tulevan Auringon säteilyn määrälle ja maapallon ulospäin säteilemälle lämmölle.
Yksinkertaisimmassa ilmastomallissa on sellainen tasapaino Maahan tulevasta ja siitä poistuvasta säteilystä, joka tuottaa suunnilleen nykyisen lämpötilan.
Maahan tuleva säteily ei kokonaan lämmitä maata, koska osa heijastuu takaisin varsinkin valkeista kohteista, kuten pilvistä, jäätiköistä yms. Myös tummista kohteista heijastuu jonkin verran Auringon säteilyä takaisin. Takaisin heijastuvan säteilyn osuus kuvataan luvulla, jota sanotaan albedoksi. Esimerkiksi jään albedo on noin 40–90 prosenttia, eli se heijastaa melko paljon saamastaan säteilystä pois.
Lumipallomaa on eräs ilmastomallin tasapainotila, jossa koko Maa peittyy suurialbedoisella jäällä ja lumella ja maan pintalämpötila on sen takia alhainen. On kehitetty teorioita, joiden mukaan Maan viilennyttyä hetkeksi jostain syystä kyllin, siinä voisi tapahtua katastrofimainen siirtyminen lumipallotilaan. Tässä tapauksessa maapallolla maan albedon ja pintalämpötilan välillä olisi riippuvuus, joka mahdollistaisi Maan jäätymisen lumipalloksi itseään ruokkivassa noidankehässä eikä jäätiköiden kasvua estävää tasapainottavaa tekijää olisi.

Lumipallomaan käynnistyminen

Lumipallomaan saattoi käynnistää lisääntynyt rapautuminen ja tätä seurannut ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden aleneminen. Kemialliset reaktiot, jotka siirtävät hiiltä ilmakehästä kiveen, ovat yleensä muotoa "mineraali + CO₂ + H₂O → kationeja + bikarbonaatti + SiO₂". Hapen ilmaantuminen ilmakehään saattoi myös syödä kasvihuonekaasu metaania ja hapettaa sitä hiilidioksidiksi. Metaani oli alkuilmakehässä tärkeä kasvihuonekaasu, ja sen kasvihuonevaikutus on huomattavasti voimakkaampi kuin hiilidioksidilla.
Lumipallomaajakso alkaa, kun jääpeite alkaa kasvaa lämpötilan alennuttua tai kosteuden lisäännyttyä kylmillä, kuivilla alueilla. Jäätikkö kasvaa lähinnä mantereella, ei merellä, jossa päiväntasaajalta tulevat virtaukset tasapainottavat tilaa. Kasvava jäätikkö heijastaa yhä enemmän Auringon lämmittävää säteilyä pois maapallolta, mikä alentaa lämpötilaa ja lisää jäätikköjen kokoa kunnes koko Maa ja meret ovat jäätyneet. Teorian mukaan jäätiköiden itseään ruokkiva kasvu alkaa, kun jää etenee subtrooppisille leveyksille, noin 25–30° leveyksille. Kun koko maapallo olisi peittynyt jäähän, kylmenisi ilmasto edelleen, kunnes saavuttaisi kylmän "lumipallo"-tasapainon.
Tässä tilassa ilmakehän lämpötila olisi kymmeniä asteita pakkasen puolella, ja meretkin jäätyisivät aina satojen metrien syvyyteen saakka. Hurjimpien arvioiden mukaan merten pintakerros jäätyisi peräti kilometrin verran. Geoterminen lämpö olisi pitänyt osaa meristä silti lämpiminä.  
Koko Maan jäätyminen heikentäisi myös lämmittävää kasvihuoneilmiötä, sillä lumipallomaa pysäyttäisi hiilidioksidimäärää pienentävän karbonaatti-silikaattikierron, jossa nestemäisen veden avulla hiilidioksidin hiili sitoutuu kiviin ja vajoaa mannerliikuntojen mukana Maan alle. Normaalisti hiilidioksidi kiertää sateen mukana takaisin merenpohjiin karbonaattikerroksiksi.
Kylmyyden vuoksi lumipallomaassa ei ole sateita, joten hiilidioksidi kerääntyy ilmakehään. Tulivuoritoiminta ei pysähdy lumipallomaan aikana, joten ilmakehään kertyy hiilidioksidia, joka on kasvihuonekaasu ja jolla on aikaa myöten lämmittävä vaikutus.

Elämää lumipallomaassa

Maan sisäinen lämpö esti meriä jäätymästä pohjaa myöten, mutta Maan pinnalla lämpötila putosi –50 °C:seen ja Maan peitti yli kilometrin jääkerros. Minkäänlainen Auringon säteilystä energiansa saava elämä ei ollut enää mahdollista. Sen sijaan elämää saattoi esiintyä tropiikissa jään läpi pistävien vuorten, nunatakkien lähellä, varsinkin jos ne olivat lämmittäviä tulivuoria. Joillain alueilla oli tulivuorten luomia sulavesiä. Jään sisässä oli järviä, jotka pysyivät jäättöminä muun muassa suolaisuutensa takia, niin kuin nykyinen Vostok-järvi Antarktiksella.

Alhaisten leveysasteiden glasiaaliesiintymät

Kryogeenikaudelle (720–635 miljoonaa vuotta sitten) on esitetty kahta laajaa jäätiköitymistä, ns. Sturt- ja Marino-jaksot. Tuolloin supermanner Rodinia sijaitsi trooppisilla leveysasteilla, ja huolimatta siitä, että se sijaitsi lähellä päiväntasaajaa, sen alueelta on löydetty glasiaaliesiintymiä ja muita jäätiköitymisen merkkejä (esim. naarmuuntuneita kivenkappaleita, ajojään kuljettamaa kiintoainesta sekä pehmeiden sedimenttien deformaatiota).

Hiilen isotooppisuhteet

Merivedessä esiintyy kahta hiilen stabiilia isotooppia: hiili-12:a (¹²C) ja huomattavasti harvinaisempaa hiili-13:a (¹³C), jonka osuus hiiliatomeista on noin 1,109 prosenttia. Biokemialliset prosessit, kuten fotosynteesi, keräävät orgaaniseen ainekseen erityisesti kevyempää ¹²C-isotooppia. 
Epäiltyihin lumipallomaajaksoihin liittyy voimakkaita pudotuksia karbonaattien hiili-13-isotooppisuhteissa. Tämä voi johtua meriin liuenneen orgaanisen hiilen uudelleenmineralisoitumisesta kylmien jaksojen aikana, jolloin kerrostuvien karbonaattien hiili-13-isotooppiosuus on laskenut.

Juovaiset rautamuodostumat

Juovaiset rautamuodostumat (engl. banded iron formations, BIF) ovat kivimuodostumia, joita syntyi maapallolla eniten 2,4–1,8 miljardia vuotta sitten. Rautamuodostumien synty liittyy ilmakehän happipitoisuuden nousuun ja sitä seuranneeseen liuenneen raudan hapettumiseen (Fe²⁺ → Fe³⁺) ja saostumiseen. Kryogeenikauden (720–635 miljoonaa vuotta sitten) jäätikköaikaisiin kerrostumiin liittyy myös laajoja juovaisia rautamuodostumia. Nämä ovat voineet syntyä tilanteessa, jossa paksu merijää on sulkenut meret kaasujenvaihdolta ilmakehän kanssa, ja veteen on kertynyt paljon liuennutta rautaa, joka on päässyt myöhemmin saostumaan.

Lumipallojakson päättyminen

Lumipallomaa päättyi hiilidioksidin kertymiseen Maan ilmakehään, koska lumipallomaa pysäytti karbonaatti-silikaatti-syklin estämällä hiilidioksidin sitoutumisen vesi-kivi-hiilidioksidi- reaktioissa takaisin kiviin. Myös hiilidioksidia vähentävä levien yhteyttäminen hävisi kokonaan tai osittaisessa lumipallomaassa väheni, ja sekin osaltaan lisäsi hiilidioksidimäärää.
Hiilidioksidin kertyminen ilmakehään aloittaa lopulta voimakkaan kasvihuoneilmiön. Lumipallomaan sulaminen vaatisi ilmakehään 350 kertaa nykyistä enemmän hiilidioksidia CO₂ eli 13 % ilmakehästä olisi koostunut hiilidioksidista. Maan jäävaipan uskotaan sulaneen nopeasti, ehkä tuhannessa vuodessa. Yksittäinen lumipallomaa-ajanjakso kestää vähintään 10 miljoonaa vuotta.
Lumipallojakson jälkeen Maa säilyi pitkään kuumana kasvihuoneena, ja pitkän aikaa syntyi karbonaattikiviä, kun rapautumisreaktiot poistivat hiiltä ilmakehästä. Karbonaattikivet jäätikön rakentamien tilliittien päällä kertovat hiilidioksidipitoisesta ilmakehästä: hiilihappoa muodostuu ilmakehässä, kun hiilidioksidi reagoi veden kanssa ja valuu alas. Kun hiilihappo reagoi kivien kanssa, syntyy karbonaattikiviä. Karbonaattikivet kertovat suurista hiilidioksidimääristä, joita tarvitaan jääkauden päättämiseen. Hiilidioksidia kertyy ilmakehään, kun tulivuoret purkautuvat jään läpi ja kasvit eivät yhteytä.
On myös arvioitu jokaisen jäätiköitymisvaiheen jälkeen happipitoisuuden nousseen entistä korkeammalle, joka olisi esimerkiksi voinut olla eräs syy kambrikauden räjähdykselle.

Kritiikkiä

Eräässä ilmastomallissa yritettiin simuloida lumipallomaan kaltaisia olosuhteita tilanteessa, jossa auringon kirkkaus on 7 % nykyistä säteilytehoa pienempi, hiilidioksidin pitoisuus ilmakehässä on 140 ppm, ja trooppisilla leveysasteilla sijaitsee idealisoitu manner. Mallissa havaittiin, että merijään laajeneminen pysähtyy noin 27. leveysasteelle tuulen ajaman meren kiertoliikkeen ja pilvien aiheuttaman säteilypakotteen takia.
Joidenkin tutkijoiden mukaan päiväntasaajan lähellä olisi ollut jäätön tai ohutjäinen vyöhyke ainakin merissä, ja jäätyminen olisi siksi ollut epätäydellistä. Myös veteen kerrostuneiden sedimenttikivien olemassaolo monilla alueilla viittaa siihen, että lumipallon sijaan planeetta olisikin ollut "loskapallo".