Shawn J. Marshall (2012) The Cryosphere / 雪氷圏

  • Shawn J. MARSHALL, 2012: The Cryosphere (Princeton Primers in Climate). Princeton NJ USA: Princeton University Press, 288 pp. ISBN 978-0-691-14526-6 (pbk.)

プリンストン大学出版の気候科学入門シリーズの1冊。物理的気候システム関係では、Vallisの海洋[読書メモ]、Randallの大気[読書メモ]と、この雪氷の巻が、気候システムのそれぞれの部分について、とくに気候システム全体のエネルギー収支にかかわる特徴を中心に、解説している。生物地球化学サイクル関係ではArcherの炭素循環[読書メモ]が出ている。(ほかに生態系、古気候、惑星大気、太陽の変動の影響、の巻が出ているが、わたしはまだ読んでいない。)

著者はカナダのCalgary大学で気候研究を担当している雪氷学者。注のページから参照されている著者自身の仕事は、氷河上の地表面熱収支(3章)、気候変動に伴う氷河の質量収支変化(6章)とそれが水資源におよぼす影響などである。ただし本書ではそれに特に重きをおかず、雪氷圏全般にわたって、それが物理的気候システムの一部であるという観点から、材料を選んでいるようだ。熱収支については(理屈よりもむしろ)観測値を使った具体的な計算に使える方法を紹介し、動力学については理屈の大筋を紹介しているようだ (理屈にせよ、計算方法にせよ、しっかり説明するには、もっとページ数が必要だろう)。

第1章では雪氷が地球のどこにどれだけあるか概観する。

第2章では、氷の結晶の基本から始めて、雪氷の熱力学を考える際に必要な物理量である、密度、比熱容量、相変化の(質量あたりの)潜熱、熱伝導率、太陽放射反射率(アルベド)などの代表的な数値を紹介している。【海氷の物理量を決める要因として塩分(塩としてまとめられる物質の濃度)をとりあげるのはもっともだが、その単位に相当するものをpptと書いているのには驚いた。parts per trillionではなくparts per thousandのつもりだそうだが、それならば‰と書いてほしかった。】

第3章は熱力学と題されているが、おもな内容は、エネルギー保存則(熱力学第1法則)に基づくエネルギー収支の主要な項の説明だ。地表面での、放射フラックスと大気乱流輸送フラックスを各項に分けて実用的な数値の求めかたを紹介している。地表面下のフラックスについては、熱伝導について定量的な例を示し、そのほか相変化と液体・気体の移動も重要になりうることを指摘している。

第4章の前半では雪、後半では湖や川の氷、第5章では海氷、第6章では大陸氷床を含む氷河、第7章では永久凍土を扱っている。(この各論も本書としては重要なところだと思うが、わたしの紹介が具体的でなくて申しわけない。)

第8章では気候システムにとって雪氷の働きが重要になってくるプロセスを論じる。節の表題にそってあげると、雪氷のアルベド、凍結融解の潜熱の形でのエネルギー蓄積、海氷および海に接した氷河と海洋循環との相互作用、大気循環への影響、水循環への影響、陸上生態系・炭素循環との相互作用。

第9章は気候変化と雪氷とのかかわり。前半は古気候の話で、数億年前にあったと考えられている全球凍結、数千万年前の南極氷床の形成、第四紀(最近約2百万年)の氷期サイクル、氷期の内の千年規模の変動などを見渡す。後半では、最近数十年間の雪氷の変化を概観し、今後、地球温暖化とともに雪氷の減少が進行しそうだが、定量的不確かさが大きく、不確かさを減らすためには研究がもっと必要である、というふうに結んでいる。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

Contents
Preface
1. Introduction to the Cryosphere
– Geography of Earth’s Snow and Ice
2. Material Properties of Snow and Ice
– Crystal Structure
– Density of Snow and Ice
– Thermodynamic Properites of Snow and Ice
– – Specific and Latent Energy
– – Thermal Conductivity
– Snow Albedo
– Summary
3. Snow and Ice Thermodynamics
– Energy Balance at the Snow/Ice Surface
– Internal Energy Balance in Snow and Ice
– Surface Energy Balance Processes
– – Shortwave Radiation
– – Longwave Radiation
– – Subsurface Energy Fluxes
– – Turbulent Heat Fluxes
– Field Example of Surface Energy Balance
– Summary
4. Seasonal Snow and Freshwater Ice
– Seasonal Snow
– – Snow in the Atmosphere
– – – Mechanisms of Snowfall
– – – Variations on Snowfall
– – Snow on the Ground
– – – Wind Redistribution
– – Observations of Seasonal Snow
– – – Proxies for Seasonal Snow Cover
– Snow-Melt Models
– – – Water Flow in Snowpacks
– River and Lake Ice
– – Lake Ice
– – – Thermodynamics of Ice Growth and Decay
– – – Ice Decay
– – River Ice
– – Observations of Freeze-Up and Breakup
– Summary
5. Sea Ice
– Characteristics of Sea Ice
– Sea-Ice Thermodynamics
– Sea-Ice Dynamics
– – Further Considerations
– Summary
6. Glaciers and Ice Sheets
– Glacier and Ice Sheet Geography
– Glacier and Ice Sheet Volume
– Glacier Mass Balance
– – Mass Balance Processes
– – Climate Sensitivity
– Glacier Dynamics
– – Governing Equations for Glacier Dynamics
– – Internal Deformation
– – Basal Flow
– – General Discussion on Glacier Dynamics
– Summary
7. Permafrost
– Permafrost Geography
– Permafrost Thermodynamics
– – The Active Layer
– – Subglacial Permafrost
– – Clathrate Hydrates
– – Permafrost Thermometry
– Summary
8. Cryosphere-Climate Processes
– Snow and Ice Albedo
– The Cryosphere as a Latent Energy Buffer
– Ocean-Ice Interactions
– Influences on Atmospheric Circulation
– Cryospheric Effects on the Hydrological Cycle
– Cryosphere-Biosphere Interactions
– Summary
9. The Cryosphere and Climate Change
– The Crysphere in the Distant Past
– Birth of the Polar Ice Sheets
– Pleistocene Glacial Cycles
– – Orbital Variations
– – Internal Climate System Feedbacks in Glacial Cycles
– – Millennial Climate Variability During Glacial Periods
– Recent and Future Cryospheric Change
– – Changes in Seasonal Snow
– – Changes in Lake, River, and Sea Ice
– – Glaciers and Ice Sheet Response to Climate Change
– – Changes in Permafrost
– Social and Ecological Effects of Cryospheric Change
– – Sea Level Rise
– Future Directions
Glossary
Notes
Annoted Bibliography
Index

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