Lumipallomaa
Lumipallomaa () tai "valkoinen Maa" (engl. "White Earth") on teoria, jonka mukaan Maan pinta jäätyy kokonaan, jos Maan pinta kylmenee tarpeeksi ja jäätiköt etenevät noin 30° leveysasteelle, jonka jälkeen jäätikön kasvu alkaa kiihdyttää itseään ja Maa peittyy kokonaan kilometrien paksuiseen jäävaippaan. Kun Maan (tai muun sopivan planeetan) lämpötila laskee, jäätiköt laajenevat. Suuret jäätiköt heijastavat Auringon lämpöä pois enemmän kuin pienet, ja tämä alentaa koko Maan pintalämpötilaa. Tämä kehitys jatkuu, kunnes koko Maa on jään peitossa. Merien syvyydet pysyvät lämpiminä, koska Maan sisästä tulee maalämpöä.
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 prekambrikaudella Huronin jääkaudella ja kryogeenikaudella, jonka jälkeen kerrostui karbonaattikiviä jääkautta seuranneessa kasvihuonekaudessa.
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.
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. Maalämpö pitäisi osaa meristä silti lämpiminä.
Minkäänlainen Auringon säteilystä energiansa saava elämä ei olisi mahdollista. Sen sijaan merten syvyyksissä, jossa pinnan kylmyys ei vaikuta, voisi elää pieneliöitä kuumien lähteiden vaikutuspiirissä.
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.
Hiilidioksidin kertyminen ilmakehään aloittaa lopulta voimakkaan kasvihuoneilmiön, joka sulattaa jääpeitteen noin tuhannessa vuodessa, mikä on geologisesti melko lyhyt aika.
Yksittäinen lumipallomaa-ajanjakso kestää vähintään 10 miljoonaa vuotta.
Muutamat todisteet näyttäisivät tukevan ajatusta Maan jäätymisestä kokonaan: hiili-13-isotoopin yleisyys viittaa kasvielämän puuttumiseen, mikä saattaa johtua Maan jäätymisestä.
Lumipallomaan saattoi käynnistää ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden aleneminen joko lisääntyneen
hapen ja/tai kiveen sitoutumisen takia. Nämä reaktiot ovat yleensä muotoa
Kivimineraali+ CO + HO → kationeja + bikarbonaatti + SiO.
hapen ilmaantuminen saattoi syödä kasvihuonekaasu metaania, jota on väitetty olleen alkuilmakehässä runsaasti.
Maa on saattanut jäätyä kokonaan noin 2–1,8 miljardia vuotta sitten, jolloin ilmakehän happipitoisuus nousi ja hapettumisen takia syntyi kerroksellisia rautamalmeja. Tämä alensi Maan pinnan lämpötilaa, koska kasvihuonekaasujen hiilidioksidi väheni.
Maa on saattanut jäätyä myös kryogeenikaudella 850–625 miljoonaa vuotta sitten.
Lumipallojaksoja olisivat olleet Varangin/Sturtin jääkausi 730–680 miljoonaa vuotta, ja Marinoan jääkausi 660-630 miljoonaa vuotta sitten.
Kryogeenin/Ediacaran Sturtin ja Marinoan jäätiköitymisen ajan eteläiseltä Rodinia-supermantereelta on löydetty laajalta alueelta todisteita jäätiköistä.
Tätä ei kuitenkaan ole pystytty todistamaan aukottomasti, toisten tietojen mukaan Rodinia olisi ollut päiväntasaajalla.
Lumipallomaan aikana lisääntyi kerrostumissa nopeasti epäorgaanisen tulivuorista tulleen hiili-13:n määrä.
Maan sisäinen lämpö esti meriä jäätymästä pohjaa myöten, mutta Maan pinnalla lämpötila putosi –50 °C:seen ja Maan peitti yli kilometrin jääkerros. Elämää saattoi esiintyä tulivuorten lähellä valtamerten pohjassa, 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.
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.
Lumipallomaan sulaminen vaatisi ilmakehään 350 kertaa nykyistä enemmän hiilidioksidia CO eli 13 % ilmakehästä olisi koostunut hiilidioksidista. Maan jäävaipan uskotaan sulaneen nopeasti, ehkä tuhannessa vuodessa.
Maa säilyi pitkään kuumana kasvihuoneena, ja pitkän aikaa syntyi karbonaattikiviä, kun ilmakehän hiilidioksidin hiili sitoutui maan kuoreen. Rautapitoisia kiviä syntyy vain hapettomassa, runsaasti hiilidioksidia sisältävässä ilmakehässä. 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. Auringon kirkkaus oli silloin heikompi, ja elämän ilmestyminen valtameriin pienensi kasvihuoneilmiötä aiheuttavaa hiilidioksidimäärää.
Erään tutkimuksen mukaan lumipallomaa on mahdoton: jos Auringon kirkkaus pienenee vaikkapa 93 % nykyisestä, niin jään laajeneminen pysähtyy merivirtojen ja pilvien muodostuksen takia. Pilvet pitävät sen lämmön, mitä eivät pysty sieppaamaan. Tuulten ajamat merivirrat kuljettavat lämpöä, ja jäätikön laajeneminen pysähtyy noin 27 leveysasteelle, ja lumipallomaa ei synny. Joidenkin tutkijoiden mukaan päiväntasaajan lähellä olisi ollut jäätön tai ohutjäinen vyöhyke ainakin merissä.