氷床発生の必要条件は, 夏を越える積雪被覆(snow cover)領域があることである ことは, 4.1節で触れた. これに関わるメカニズムとして 考えられるのは, 季節変化の振幅, 陸上での雪の収支, および水循環, とくに降水 であろう. 夏を越える積雪被覆をここでは「万年雪」と呼んで, 「万年雪」の生ずる 条件を調べた数値実験による研究をとりあげる.
まず季節変化の影響について考えよう. Wetherald and Manabe(1981)は, 大気大循環モデルを用いて, 全球的な気候に対する季節変化の役割について調べた. 単純化された海陸分布(セクターモデル)を用い, 年平均では同じになる日射量分布を 外部条件として与えて, 季節変化のある場合とない場合の気候を比較した. この数値計算の結果では, 季節変化のない場合は緯度70度まで万年雪に覆われ, 季節変化のある場合は万年雪は存在しなかった. 陸上の雪の収支各項の中でも, これはおもに融雪分布の違いによるものである( 図22). 高緯度において雪が融けることのできる 夏の期間がどれほど続くかが「万年雪」の発生にとって重要である. ところで, 季節変化を含むモデルの中には, NorthやCrowleyらのグループのように融雪過程を 含まず単に地表が氷点0度以上になると瞬間的に融雪するモデルもある. このような「瞬間融雪」のモデルと融雪をあらわに計算するモデルでは, 当然「万年雪」の広がりも異なる. これを次にみてみよう. Suarez and Held(1979)は, 地球軌道要素に対する気候の定常応答を調べる目的で, Budyko-Sellers型の エネルギー収支モデルを改良し, 陸上の雪の収支過程をモデルに含めた. ただし, 降水量は一定として仮定した. 雪の存在の有無を,氷点0度でもって定義する 場合(実験1)と雪の収支をexplicitに計算して求める場合(実験2)の, 雪氷の広がりの ふるまいを比較した. 図23は, 夏の最小の雪の広がり(「万年雪」)と 冬の最大の雪の広がりを示したものである.「万年雪」は, それぞれの図の中のA より太陽定数が小さいと発生すると考えられる. この実験より, 「万年雪」の発生にとって, 夏(融雪可能な期間)の長さと積もっただけの雪が融ける のにかかる時間が鍵となることがいえる. したがって, Aの位置は, 夏の長さと 融雪にかかる時間を支配する降水量や,海陸の分布,地球軌道要素( 第7章参照)といった外的条件によって 当然左右される.
降水分布は「万年雪」の広がりにどう影響するだろう. Bowman(1985)は, Suarez and Held(1979)のモデルに 大気の南北水蒸気輸送と降雪の効果を入れ, 降水の分布が「万年雪」の発生と 気候感度に与える影響を調べた. 降水量が多いほど高い太陽定数で「万年雪」の 発生が起こることが, 図24(a)の点線に示されている. また, 「万年雪」が 低緯度にひろがるほど, 降水量の影響を受けなくなることが興味深い. 図24(a)の 実線は南北水蒸気輸送と降水量の南北分布がモデル内で計算されるようにした場合 の結果である.
「万年雪」発生の条件は受け皿である陸の分布(位置や大きさ)にも依存しそう である. Northら(1983)は、季節変化と熱容量を 考慮する2次元エネルギー収支モデル(2.4節参照)を 用いて、「第四紀の氷期に北アメリカで氷床が発達したのにユーラシアにはそれほど 発達しなかったのは、ユーラシア大陸が北アメリカより大きいために夏に高温になる からである」という議論をした。同様なモデルで、 Crowleyら(1986)は新生代の氷河時代の 開始の要因として南極大陸やグリーンランドの緯度の変化がどれだけ効くか調べた。 Crowleyら(1987)は古生代の氷河時代を 想定し、大陸の形を理想化して,大陸の緯度の変化の効果を調べた. この論文では 簡単のため, 雪氷アルベドフィードバックと質量収支過程は含めなかったので 全球平均気温は大陸の位置に依存しない. 夏の大陸内部は暑くなるという効果のみ が効いてくる。結果によると,(南)極点が超大陸(ゴンドワナ)の内陸部に近いほど, 極点において夏が暑いため,「万年雪」はできにくい( 図25). 大淵(1989)は、同様なモデル (雪氷アルベドフィードバックを含む)で、仮想的な大陸の位置と大きさを系統的に 変えて、「万年雪」の存在する条件と全球平均気温がこれらのパラメタにどのよう に依存するかを調べた。Crowleyらの結果は,陸の大きさがある大きさ以上になると ひっくり返ることがわかった.
現在の氷床に関連して, 南極氷床の発生と第四紀北半球氷床の発生の問題について 議論を続けよう. 地質学の研究によると, 南極の氷床は, 約4千万年前頃からでき はじめ, 1500万年前には現在のような規模の氷床の存在がほぼ認められ, その要因 として, オーストラリア大陸の南極大陸からの分離と移動(4--6千万年前), ドレーク海峡の形成(2900万年前)による海洋南北熱輸送の変化, 南極大陸の山の 上昇(時期不明), 大気中二酸化炭素量の減少などが候補として挙げられている (Kennett, 1977, 1986). Oglesby( 1989, 1991)は, 南極氷床の発生機構について大気大循環モデルをもちい, 海洋表面温度, 山の高さ, 二酸化炭素量, 大陸配置に対する氷床(モデルの中の 「万年雪」)発生の依存性をそれぞれ調べた. 海洋表面温度の効果は, 現在より 7度高いと降水が増加して氷床発生に好条件であり, 14度高いと夏の融雪のため 氷床は発生しないという結果になった(図26). 海洋表面温度の変化に対して氷床の発生は単純な応答をするわけではなさそう である. また, 山は高い方が氷床の発生に好条件だが, どれほど高ければよいか といった定量的な議論をするのは無理であろう. また, 大陸配置への依存性は このモデルでは有意な結果が出なかった.
また北半球の北米や北欧の氷期の氷床がいかにして始まったかについての議論が ある。地球軌道要素の変化が引き金であると言われるものの, その考えに基づいて 大気大循環モデルを用いて最終氷期の氷床発生を再現しようとする実験は不成功で あった(Rindら、1989). GCMの感度が小さすぎるのか, モデルの(たとえば融雪過程の)不確定性が大きすぎる ため(Oglesby, 1990)と考えられる. また, GCMでは分解能が粗すぎて, 氷床の発生する場所とされるバフィン島の高い 山を表現しきれないためとも考えられる. 確かに言えることは, 氷床発生を決める のは, [年間の雪氷質量収支]〜[年間降雪量]-[夏の融雪量]という微妙なバランス であり, 年間の雪氷質量収支は, 年間降雪量と夏の融雪量に比べてオーダーが 何桁も小さく, この小さい量の積み重ねが氷床の発生を決めていることである。 さらに, 降雪量にしても融雪量にしても微妙な大気の水循環と地表のエネルギー バランスによって決まっていることに問題のむずかしさがあるのである.