亿万年前，地球经历了一场剧烈的转变：它变成了一个巨大的雪球。这些大规模的冰川事件，冰层从极地到极地包裹着整个星球，被恰如其分地命名为“雪球地球”。至少发生了两次：一次在大约7.17亿年前，另一次在大约6.45亿年前。
尽管地质学家有充分的证据表明地球经历过这些雪球事件，但他们仍然无法弄清楚它们是如何发生的。几十年来，科学家们一直在争论是什么引发了地球地质记录中最深刻的气候变化。现在，哈佛大学的研究人员有了一个新的想法，可能最终提供答案：他们说，位于正确的时间和正确地点的火山区域可能至少引发了其中一次巨大的冰川事件。
如果你回到大约7亿年前的地球，你会发现数百米厚的冰层覆盖着海洋和大陆，尽管陆地上也可能有一些裸露、干燥的区域，点缀着冰雪覆盖的高盐湖。全球平均气温降至零下37华氏度左右。雪球般的地球基本上不适合居住。值得庆幸的是，这些末日般的冰川期很少发生——但这一事实也使得科学家们很难确定这种极端气候是如何形成的。“我们越是回溯过去，地球就越像一个与我们今天居住的世界截然不同的世界，”哥伦比亚大学气候系统研究中心和美国宇航局戈达德空间研究所的古气候学家琳达·索尔解释说，“因此，我们无法轻易地根据我们对现在的了解来解释过去。”
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研究人员已经提出了许多关于是什么引发了雪球地球的想法。其原因——无论是什么——都必须冷却地球，以便形成足够的冰来反射大部分太阳入射能量，从而产生失控的冷却效应。一种假设认为，一颗大型陨石撞击地球，并将大量的尘埃和火山灰抛入空中，从而减少了几年内的太阳辐射，使地球变冷。其他想法涉及类似的短暂但灾难性的事件，例如巨大的火山爆发。另一种假设提出，某种生物进化出来，可以从海洋表面去除大量的碳，并在它们死亡并沉降到海底后将其埋藏在深层沉积物中；从理论上讲，这种机制本可以使足够多的碳远离大气层，从而导致失控的冷却。然而，这些想法都没有太多——如果有的话——物理证据来支持。
最流行的想法之一侧重于风化作用，这是一种自然过程，通过岩石的化学分解来捕获和储存碳。当超级大陆罗迪尼亚大约在7.5亿年前分裂时，新的、较小的大陆分散到温暖潮湿的赤道附近地区——这是风化作用的理想条件。此外，随着巨型陆地破碎，大型火山区域也会出现，这些区域将非常容易受到风化作用的影响。
问题是：风化作用非常缓慢——这个过程不断发生，但它会在百万年的时间尺度上影响全球气候。地球的气候系统通常会在这段时间内自我纠正。此外，更大的火山活动会释放二氧化碳，使得更难将地球推入雪球状态。哈佛大学地质学副教授弗朗西斯·麦克唐纳解释说，只有当风化作用超过气候系统中的其他反馈时，这种超级大陆分裂情景才可能导致失控的冷却效应。
由于所有这些想法都不完全令人满意，麦克唐纳和同事罗宾·沃兹沃思，一位环境科学与工程助理教授，着手寻找另一种解释。2010年，麦克唐纳发表了一篇论文，首次确定了斯图特冰期——两次雪球地球事件中的第一次——开始的确切日期。“我们突然可以在几十万年内说出这个事件实际发生的时间，”麦克唐纳解释说。“在此之前，人们只知道在数千万年的范围内。” 他发现斯图特冰期大约在7.17亿年前开始。
大约在同一时间，麦克唐纳确定了一个名为富兰克林大型火成岩省（LIP）的火山区域的年代。他发现富兰克林LIP在第一次雪球地球事件开始时附近变得活跃。“我开始思考：这些怎么会如此巧合？它们之间可能有什么关系？”他说。
有了这些新信息，麦克唐纳和沃兹沃思结合地质证据和模型来测试富兰克林LIP是否可能是罪魁祸首。在2月份发表在地球物理研究快报上的一项新的研究中，他们表明富兰克林LIP的火山活动可能导致了极端的气候冷却。这是因为独特的因素组合：首先，富兰克林LIP形成于富含硫磺的地区；当它喷发时，大量的热气体和尘埃羽流会将硫磺颗粒喷射到空中数公里处。硫磺颗粒阻挡入射的太阳光，并阻止热量逸出地球，这会产生变暖或冷却效应，具体取决于位置。这就是为什么下一个物理证据是关键——地质记录表明，富兰克林LIP位于地球接收的太阳能量多于其辐射回太空的热量的赤道处。根据研究人员的模型，如果足够多的硫磺颗粒到达赤道位置足够高的大气层，它将阻挡足够多的太阳入射能量以触发失控的冷却。硫磺气溶胶也会通过平流层中发生的混合扩散到全球，但赤道区域的硫磺颗粒密度最高，严重阻挡太阳光。火山爆发需要持续五年左右向大气中喷射硫磺，才能将地球推入雪球状态。
这种情况也需要提前有一个相对凉爽的地球。麦克唐纳说，这是因为硫磺颗粒需要到达平流层的高度才能发挥最大的冷却效果。在较冷的气候中，平流层会稍微靠近地球表面，使得富含硫磺的热气羽流有可能到达。尽管科学家们尚未确定雪球地球之前的确切气候状况，但麦克唐纳说，这个新的假设很有吸引力。“它提供了一种正反馈机制。当你开始冷却时，就更容易将更多的硫磺气溶胶送上去，然后地球就会变得更冷，依此类推，”他解释说。这个过程可能会发生得非常快，以至于它会压倒其他可能使地球变暖的气候反馈。”
其他专家也觉得麦克唐纳和沃兹沃思的想法引人入胜。“我会说这可能是我们拥有的最好的想法，因为它实际上是基于观察，”加州理工学院地球生物学家约瑟夫·基尔施温克说，他创造了“雪球地球”这个词。哈佛大学地质学荣誉教授保罗·霍夫曼说，富含硫磺的富兰克林火山活动和雪球地球之间的时间关系使它成为一个有吸引力的解释。但他解释说，“这可能只是巧合，没有任何关系。” 琳达·索尔说，这对组合提出了一个有趣的假设，尽管她也说，“它是否解释了地球历史上所有的雪球事件？几乎肯定没有。”
霍夫曼还指出，研究人员的想法无法解释在第一次雪球事件之后不久发生的第二次雪球事件，称为马里诺冰期。“我认为这是这个想法中最薄弱的环节，”他说。“据我们所知，与第二次雪球事件的开始没有相关的[大型火山区域]。” 麦克唐纳说，可能存在一个，但地质证据在那遥远的时代变得零散。麦克唐纳本人并不相信他和沃兹沃思的版本是7.17亿年前实际发生的事件。“我们并不是说这必须发生，只是说这是可行的，而且这是一个非常令人印象深刻的巧合，”他解释说。
除了这个新想法，麦克唐纳还对那些提出使用硫磺气溶胶来应对全球变暖的地球工程项目的人们表示谨慎。“如果我们想玩弄这些颗粒，知道它们可能在过去造成了重大的气候变化，这有点可怕，”他说。“另一方面，我们已经在用二氧化碳进行地球工程改造了。潘多拉的盒子已经打开了。”