雪氷圏
ワッシュバーン(1973)が出した結論によると、大部分の連続永久凍土は上表面で現在の気候とのバランスがきちんと保たれており、下表面の変化は現在の気候と地熱流に依存している一方で、大部分の不連続永久凍土はおそらく不安定、すなわち「わずかな気候の変化や表面の変化が劇的な不釣り合いの状態を生み出しうるようなもろいつり合い状態」にあるということだ。
温暖化の下で、ますます深くなっている夏の活動層は水文学的地形学的な流束に重大な影響を与える。永久凍土の融解や後退はマッキンジー川上流やマニトバ州の南限界領域に沿う地域で報告されているが、そのような観察結果はきちんと計測され一般化されているわけではない。緯度における気温の平均勾配に基づくと、1 °Cの気温上昇に対する平衡条件の下では、永久凍土の南の境界が北に50~150 km だけずれることが予想されている。
永久凍土の存在する範囲のほんの一部分だけが実際に土や岩石に氷を含んでおり、それ以外(乾燥永久凍土と呼ばれる)は氷点下の気温では単なる土か岩石である。一般的に氷の容積は永久凍土の最上部で最も大きく、そこでは氷は空隙中にあったり岩石から分離された氷として存在したりする。永久凍土のボーリング孔の温度の測定は、気温の状態に関する正味の変化の指標として使うことができる。ゴールドとラッヘンブルック(1973)は、ここ75~100年の間にトンプソン岬やアラスカで2~4 °Cの温度上昇を推定する。
その広い面積範囲と、雪と氷それぞれの固有の物理的特性と関連した重要な季節的役割は、雪や氷の覆う広さや厚さ、物理的特性(光や熱に関する特性)を観察しモデル化することが気候学の調査において特に重要だということのしるしである。
地表と大気の間のエネルギー交換を調節する、雪と氷の根本的な物理的性質がいくつかある。最も大切な性質には表面での反射率(反射能)、熱を伝える能力(熱拡散率)、状態変化を起こす能力(潜熱)がある。こうした物理的性質は、表面の粗さや放射率、誘電体の性質と合わせて、雪や氷を宇宙から観察するうえで重要性を帯びている。例えば、表面の粗さはしばしばレーダー後方散乱の強さを決定づける主要な要素である。また、結晶構造や密度、長さ、液体水含有量といった物理的性質は、熱と水の移動やマイクロ波エネルギーの散乱に影響を与える重要な要素である。
入射する太陽光に対する表面反射率は表面のエネルギー収支にとって重要である。これは入射する太陽光に対する反射光の割合で、通常は反射能と呼ばれる。気候学者は、電磁スペクトルのうち太陽エネルギー入射量の主要部分と一致する波長範囲(300~3500 nm)について積分した反射能に、主として興味を持っている。一般に融解していない雪に覆われた表面の反射能の値は、森の場合を除くと高い(80~90%まで)。雪と氷の他の地表面状態よりも高い反射能は高緯度地域での春と秋の表面反射率に急激な変化を引き起こすが、この増加のうち全般的な気候にとって重要な部分は空間的かつ時間的に雲量による変調を受ける。