Investigating plausible mechanisms to trigger a deglaciation from a hard snowball Earth

Among the issues raised by the globally ice-covered Earth, or a so-called ‘hard’ snowball–Earth scenario, one of the most important is to establish the CO2 threshold required for the deglaciation. This problem has been addressed using the Energy-Balance Model (or EBM), which showed that for Neoproterozoic insolation, 0.29  bar of CO2 would be needed to trigger deglaciation. New results, obtained with the Atmospheric General Circulation Model (AGCM) FOAM (for Fast Oceanic Atmospheric Model), have demonstrated that, even with an atmospheric content of 0.2 bar, the equatorial temperature remained far below the level required for the deglaciation. Those results show that the cause of deglaciation is unresolved and the discussion about a plausible escape scenario remains open. For this reason, to test and to determine the sensitivity and efficiency of the greenhouse effect during a ‘hard’ snowball–Earth, we compare the FOAM results with those of LMDz (AGCM of the ‘Laboratoire de météorologie dynamique’). The preliminary results show that LMDz is much more sensitive to a CO2 increase than FOAM. This article shows that among processes that could explain this difference, the key factor is the cloud parameterization and its interaction with the convective scheme. These simulations suggest that the CO2 threshold is dependent on the GCM parameterization used, and could be lower than the one suggested by FOAM. Moreover, to investigate other plausible mechanisms able to melt the equatorial ice, we have tested the CH4 impact with a simple 0D model, INCA-ZD. Results show that the balance between the residence times of CH4 in a ‘hard’ snowball–Earth scenario is largely overcome by the extinction of the organic source, which means that CO2 remains the only greenhouse gas warming the snowball Earth.

RésuméParmi les questions posées par la Terre globalement recouverte de glace, ce que l’on appelle un scénario dur de Terre « boule de neige », l’un des plus importants réside dans l’établissement du seuil de CO2 requis pour la déglaciation. On s’est attaqué à ce problème par le modèle de balance d’énergie (ou EBM), qui a montré que, pour ce qui concerne l’insolation du Néoprotérozoïque, 0,29 bar de CO2 était nécessaire pour déclencher la déglaciation. De nouveaux résultats, obtenus avec le modèle atmosphérique circulation générale (AGCM) FOAM (pour Fast Oceanic Atmospheric Model), ont établi que, même avec une concentration en CO2 de 0,2 bar dans l’atmosphère, la température équatoriale demeurait bien en dessous du niveau requis pour la déglaciation. Ces résultats montrent que la cause de la déglaciation n’a pas été mise en évidence, et que la discussion autour d’un scénario de secours plausible reste ouverte. Pour cette raison, pour évaluer et pour déterminer la sensibilité et l’efficacité de l’effet de serre dans le cadre d’un scénario dur de Terre boule de neige, nous comparons les résultats du FOAM à ceux du LMDz (AGCM du Laboratoire de météorologie dynamique). Les résultats préliminaires montrent que le LMDz est beaucoup plus sensible à un accroissement du CO2 que le FOAM. Cet article montre que, parmi les processus qui pourraient expliquer cette différence, le facteur-clé est la paramétrisation des nuages et son interaction avec le schéma convectif. Ces simulations suggèrent que le seuil de CO2 dépend de la paramétrisation GCM utilisée, et pourrait être plus faible que celui suggéré par le FOAM. De plus, pour rechercher d’autres mécanismes plausibles capables de provoquer la fonte de la glace équatoriale, nous avons testé l’impact du CH4 avec un modèle 0D simple, à savoir INCA-ZD. Les résultats montrent que la balance entre les temps de résidence de CH4 dans un scénario dur de Terre boule de neige est largement dominée par l’extinction de la source organique, ce qui signifie que le CO2 demeure le seul gaz à effet de serre réchauffant la Terre boule de neige.