億萬年前，地球經歷了一場劇烈的轉變：它變成了一個巨大的雪球。這些大規模的冰川事件，冰層從極地到極地包裹著整個星球，被恰如其分地命名為“雪球地球”。至少發生了兩次：一次在大約7.17億年前，另一次在大約6.45億年前。
儘管地質學家有充分的證據表明地球經歷過這些雪球事件，但他們仍然無法弄清楚它們是如何發生的。幾十年來，科學家們一直在爭論是什麼引發了地球地質記錄中最深刻的氣候變化。現在，哈佛大學的研究人員有了一個新的想法，可能最終提供答案：他們說，位於正確的時間和正確地點的火山區域可能至少引發了其中一次巨大的冰川事件。
如果你回到大約7億年前的地球，你會發現數百米厚的冰層覆蓋著海洋和大陸，儘管陸地上也可能有一些裸露、乾燥的區域，點綴著冰雪覆蓋的高鹽湖。全球平均氣溫降至零下37華氏度左右。雪球般的地球基本上不適合居住。值得慶幸的是，這些末日般的冰川期很少發生——但這一事實也使得科學家們很難確定這種極端氣候是如何形成的。“我們越是回溯過去，地球就越像一個與我們今天居住的世界截然不同的世界，”哥倫比亞大學氣候系統研究中心和美國宇航局戈達德空間研究所的古氣候學家琳達·索爾解釋說，“因此，我們無法輕易地根據我們對現在的瞭解來解釋過去。”
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研究人員已經提出了許多關於是什麼引發了雪球地球的想法。其原因——無論是什麼——都必須冷卻地球，以便形成足夠的冰來反射大部分太陽入射能量，從而產生失控的冷卻效應。一種假設認為，一顆大型隕石撞擊地球，並將大量的塵埃和火山灰拋入空中，從而減少了幾年內的太陽輻射，使地球變冷。其他想法涉及類似的短暫但災難性的事件，例如巨大的火山爆發。另一種假設提出，某種生物進化出來，可以從海洋表面去除大量的碳，並在它們死亡並沉降到海底後將其埋藏在深層沉積物中；從理論上講，這種機制本可以使足夠多的碳遠離大氣層，從而導致失控的冷卻。然而，這些想法都沒有太多——如果有的話——物理證據來支援。
最流行的想法之一側重於風化作用，這是一種自然過程，透過岩石的化學分解來捕獲和儲存碳。當超級大陸羅迪尼亞大約在7.5億年前分裂時，新的、較小的大陸分散到溫暖潮溼的赤道附近地區——這是風化作用的理想條件。此外，隨著巨型陸地破碎，大型火山區域也會出現，這些區域將非常容易受到風化作用的影響。
問題是：風化作用非常緩慢——這個過程不斷發生，但它會在百萬年的時間尺度上影響全球氣候。地球的氣候系統通常會在這段時間內自我糾正。此外，更大的火山活動會釋放二氧化碳，使得更難將地球推入雪球狀態。哈佛大學地質學副教授弗朗西斯·麥克唐納解釋說，只有當風化作用超過氣候系統中的其他反饋時，這種超級大陸分裂情景才可能導致失控的冷卻效應。
由於所有這些想法都不完全令人滿意，麥克唐納和同事羅賓·沃茲沃思，一位環境科學與工程助理教授，著手尋找另一種解釋。2010年，麥克唐納發表了一篇論文，首次確定了斯圖特冰期——兩次雪球地球事件中的第一次——開始的確切日期。“我們突然可以在幾十萬年內說出這個事件實際發生的時間，”麥克唐納解釋說。“在此之前，人們只知道在數千萬年的範圍內。” 他發現斯圖特冰期大約在7.17億年前開始。
大約在同一時間，麥克唐納確定了一個名為富蘭克林大型火成岩省（LIP）的火山區域的年代。他發現富蘭克林LIP在第一次雪球地球事件開始時附近變得活躍。“我開始思考：這些怎麼會如此巧合？它們之間可能有什麼關係？”他說。
有了這些新資訊，麥克唐納和沃茲沃思結合地質證據和模型來測試富蘭克林LIP是否可能是罪魁禍首。在2月份發表在地球物理研究快報上的一項新的研究中，他們表明富蘭克林LIP的火山活動可能導致了極端的氣候冷卻。這是因為獨特的因素組合：首先，富蘭克林LIP形成於富含硫磺的地區；當它噴發時，大量的熱氣體和塵埃羽流會將硫磺顆粒噴射到空中數公里處。硫磺顆粒阻擋入射的太陽光，並阻止熱量逸出地球，這會產生變暖或冷卻效應，具體取決於位置。這就是為什麼下一個物理證據是關鍵——地質記錄表明，富蘭克林LIP位於地球接收的太陽能量多於其輻射回太空的熱量的赤道處。根據研究人員的模型，如果足夠多的硫磺顆粒到達赤道位置足夠高的大氣層，它將阻擋足夠多的太陽入射能量以觸發失控的冷卻。硫磺氣溶膠也會透過平流層中發生的混合擴散到全球，但赤道區域的硫磺顆粒密度最高，嚴重阻擋太陽光。火山爆發需要持續五年左右向大氣中噴射硫磺，才能將地球推入雪球狀態。
這種情況也需要提前有一個相對涼爽的地球。麥克唐納說，這是因為硫磺顆粒需要到達平流層的高度才能發揮最大的冷卻效果。在較冷的氣候中，平流層會稍微靠近地球表面，使得富含硫磺的熱氣羽流有可能到達。儘管科學家們尚未確定雪球地球之前的確切氣候狀況，但麥克唐納說，這個新的假設很有吸引力。“它提供了一種正反饋機制。當你開始冷卻時，就更容易將更多的硫磺氣溶膠送上去，然後地球就會變得更冷，依此類推，”他解釋說。這個過程可能會發生得非常快，以至於它會壓倒其他可能使地球變暖的氣候反饋。”
其他專家也覺得麥克唐納和沃茲沃思的想法引人入勝。“我會說這可能是我們擁有的最好的想法，因為它實際上是基於觀察，”加州理工學院地球生物學家約瑟夫·基爾施溫克說，他創造了“雪球地球”這個詞。哈佛大學地質學榮譽教授保羅·霍夫曼說，富含硫磺的富蘭克林火山活動和雪球地球之間的時間關係使它成為一個有吸引力的解釋。但他解釋說，“這可能只是巧合，沒有任何關係。” 琳達·索爾說，這對組合提出了一個有趣的假設，儘管她也說，“它是否解釋了地球歷史上所有的雪球事件？幾乎肯定沒有。”
霍夫曼還指出，研究人員的想法無法解釋在第一次雪球事件之後不久發生的第二次雪球事件，稱為馬裡諾冰期。“我認為這是這個想法中最薄弱的環節，”他說。“據我們所知，與第二次雪球事件的開始沒有相關的[大型火山區域]。” 麥克唐納說，可能存在一個，但地質證據在那遙遠的時代變得零散。麥克唐納本人並不相信他和沃茲沃思的版本是7.17億年前實際發生的事件。“我們並不是說這必須發生，只是說這是可行的，而且這是一個非常令人印象深刻的巧合，”他解釋說。
除了這個新想法，麥克唐納還對那些提出使用硫磺氣溶膠來應對全球變暖的地球工程專案的人們表示謹慎。“如果我們想玩弄這些顆粒，知道它們可能在過去造成了重大的氣候變化，這有點可怕，”他說。“另一方面，我們已經在用二氧化碳進行地球工程改造了。潘多拉的盒子已經打開了。”