历史上，地球至少有2次全球被覆盖在冰雪之下，连海洋都冻结，称为雪球地球，但确切的触发因素仍然未知。最近科学家提出一种新理论来解释，有别于以往认为是太阳辐射量降到阈值之下才引发，麻省理工学院科学家指出，地球步调被打乱、短时间内阳光入射量迅速下降就会引起这种现象。
雪球地球（Snowball Earth）一词是为了解释一些地质现象而提出的假说，由加州理工学院地质教授Joseph Kirschvink于1992年首度使用。该理论指出新元古代（Neoproterozoic，符号NP）曾发生过一次严峻冰河期，当时地球海洋全部被冻结，地球表面全部被冰川覆盖。仅厚达2公里的冰层下存有少量因地热而融化的液态水。
雪球地球情景与冰河期（ice age）不同，冰河时期是地球大气与地表长期处于低温、导致极地冰盖与高山冰川大幅扩张覆盖整个大陆的一段时期，目前最后一个冰河期结束于约11,000年前，但与雪球地球相比，冰河期只是小巫见大巫。
不过目前还找不太到触发雪球地球的成因，长期以来，研究人员认为雪球地球的形成与入射阳光、冰反照率反馈和全球碳循环之间的平衡有关，即阳光辐射通量或二氧化碳通量变化降低到阈值之下，由于抵达地球表面的阳光入射量大减、或二氧化碳大幅逸散到外太空，便导致全球冰川化。
但是麻省理工学院科学家Constantin Arnscheidt提出另一种解释：如果阳光辐射通量或二氧化碳通量并未超过临界阈值、而是变化的速率超过阈值呢？
在新模型中，研究人员模拟了冰河期的地球动力系统──主要是冰反照率反馈（ice-albedo feedback）与碳酸盐－硅酸盐循环（carbonate-silicate cycle）的相互作用，结合入射和反侧的太阳辐射、地球表面温度、大气中二氧化碳浓度、风化作用对吸收与反射太阳辐射等变量，观察究竟是哪些条件引发雪球地球。
冰反照率反馈属于积极反馈，随着地球冻结接近雪球地球，结冰的表面将更多阳光反射回外太空，反过来又加速了进行中的冷却效果。但随着地球表面的冰变多，碳酸盐－硅酸盐循环却乱序了，被冰层密封的岩石吸收大气碳的能力降低，因此大气实际上会积累二氧化碳产生温室效应，最终使行星脱离冰河期，这也是理论上为何虽然存在冰反照率反馈、但地球不会陷入永久雪球地球状态的原因。
模拟结果表明，当太阳辐射量以比临界速率更快的速度下降，就算没有达到阳光入射量临界阈值，引发雪球地球的几率也更大。Constantin Arnscheidt估计，太阳入射量如果在10,000年时间内迅速下降约2%，就会进入雪球地球时代。
地球上有哪些机制过程可能导致阳光入射量迅速减少？研究人员指出：火山爆发把大量气胶喷入大气、或是某些原始藻类可促进光反射云形成等，都有可能触发雪球地球。
这项模拟告诉我们不只要警惕气候变化的幅度，还要多关注变化速度，并注意人为活动是否可能诱发导致阳光入射量减少的临界点。新论文发布在《皇家学会报告A》（Proceedings of the Royal Society A）。
（首图来源：Stephen Hudson/CC BY-SA）