雪氷圏
氷河の変化は世界の気候に最小限の影響しか与えない傾向がある一方で、氷河の後退は20世紀に観測された海面上昇に2分の1から3分の1程度寄与している。さらに、氷河湖からの流水を灌漑や水力発電に利用している北アメリカのコルディレラ山系西部で観測されているような氷河の後退の広がりは、重要な水文学的・生態学的衝撃を伴う可能性が極めて大きい。そのような地域での水資源の効果的な利用計画と衝撃緩和は、氷河の氷の状態やその変化を引き起こすメカニズムに関する高度な知識をどれだけ発達させられるかによる。また、進行中のメカニズムの明快な理解は、氷河の質量収支の記録の時系列に含まれる世界規模での変化の信号をとらえるのに極めて重要である。
巨大な氷床の氷河の質量収支の総合推定は20%ほどがはっきりしていない。降雪と質量流出の推定に基づいた研究は、氷床は均衡がほぼ保たれているかあるいはいくらかの水を海洋から受け取っていることを指摘する傾向がある。棚氷の研究 によって、南極大陸による海面上昇あるいは氷床底部の急速な融解が示唆されている。 著者によっては、観測された海面上昇速度(およそ2 mm/年)と、山岳氷河の融解、海洋の熱拡散などによる海面上昇速度の理論値(およそ1 mm/年またはそれ以下)の違いは、南極大陸のモデル化された不均衡(およそ1 mm/年の海面上昇)(ハイブレクス 1990)と類似していると提唱し、南極大陸による海面上昇への寄与を示唆している人もいる。(パターソン 1993; アレー 1997)
凍土(永久凍土や季節的に凍結する土壌)は北半球の陸地のうちおよそ5400万km2を占めており(ジャンら 2003)、雪氷圏の構成要素の中で最も広い面積範囲をもつ。永久凍土(年中凍結した土壌)は年平均気温(MAAT)が-1か-2 °Cよりも低くなると生じやすく、-7 °Cよりも低くなると連続永久凍土が生じる。また、永久凍土の広さと厚さは、地面の含水量やその土壌の植生、冬の積雪の深さ、植生の季観に影響される。世界全体の永久凍土の面積範囲はまだ完全にわかっていないが、北半球の陸地のおよそ20%だろうとされている。永久凍土の厚さはシベリアやアラスカの北東部の北極沿岸部では600mを超えるが、限界領域に近づくにしたがって薄くなり、水平方向に不連続になってゆく。その限界領域は温暖化傾向により引き起こされる氷の融解からいち早く影響を受けることになる。現在存在している永久凍土の大部分は以前の今よりも寒い気候条件の下で形成されたもので、言い換えれば、それは過去の遺跡のようなものにすぎない。ところが、氷河が後退しあるいは凍結していない地面を持った陸地が新たに現れる現在の極気候の下でも永久凍土ができるかもしれない。
雪と氷は冬に大量のエネルギー損失から地表を遮るように作用するが、氷が融けるのに必要なエネルギー量が大きい(融解の潜熱は0 °Cで3.34 x 10 J/kg)ため、春や夏には、地表が温まるのを遅くする作用がある。しかし、広範囲に雪や氷が存在する地域では、大気の静的安定度が強いので、即時の冷却効果は比較的浅い層に限られ、関連のある大気の偏差は通常短期的で規模は小さめである。ところがユーラシア大陸など世界中の地域によっては、大量の積雪と水分を含んだ春の土壌に関連した冷却は、夏の季節風循環を調節する役割を担っていることで知られている。ガッツラーとプレストン(1997)はここ最近、アメリカ合衆国南西部における、これに類似した雪による夏の循環フィードバックの証拠を示した。
積雪による季節風の調節という役割は、雪氷圏・気候フィードバックのうち、地表面と大気に関する短期のものの一例に過ぎない。図1から地球の気候システムには数多くの雪氷圏・気候フィードバックが存在することがわかるだろう。これらは局所的季節的な気温の低下から半球規模で何千年もの期間にわたって起こる氷床の変動まで空間的にも時間的にも幅広く作用する。これに関連するフィードバック機構はしばしば複雑で完全にわかりきっていないことがある。例えばいわゆる「単純な」海氷の反射能フィードバックは、氷の拡大により生じた水路の断片や融解により生じた池、氷の厚さ、積雪、海氷域面積が複雑に絡み合っていることがカリーら(1995)によって示された。