La criosfera (dal greco kryos = ghiaccio, freddo) è la porzione variabile di superficie terrestre coperta o intrisa di acqua allo stato solido e che comprende: le coperture ghiacciate di mari, laghi e fiumi, le coperture nevose, i ghiacciai, le calotte polari ed il suolo ghiacciato in modo temporaneo o perenne (permafrost).
La criosfera è una parte integrante del sistema climatico globale con importanti connessioni e retroazioni generate attraverso la sua influenza sulla radiazione solare assorbita dalla superficie, sui flussi di umidità, sulle nuvole, sulle precipitazioni, sull'idrologia e sulla circolazione atmosferica ed oceanica. Attraverso questi processi, gioca un ruolo significativo anche nella risposta al mutamento climatico globale ed una sua accurata modellizzazione è parte fondamentale di ogni modello climatico.
Struttura
L'acqua ghiacciata si forma sulla superficie della Terra principalmente come coltre di neve, ghiaccio di acqua dolce nei laghi e fiumi, banchise, ghiacciai, calotte polari, suolo temporaneamente ghiacciato e permafrost (terreno permanentemente ghiacciato). Il tempo di permanenza dell'acqua in ognuno di questi sottosistemi criosferici varia in modo considerevole. La coltre di neve e il ghiaccio d'acqua dolce sono essenzialmente stagionali e la maggior parte del ghiaccio nel mare, eccetto il ghiaccio nell'Artide centrale, dura solo pochi anni, se non è stagionale. Una data particella d'acqua nel ghiacciaio, calotte polari, o ghiaccio terrestre, comunque, può rimanere ghiacciato per 10-) anni o anche più, e il ghiaccio che si trova in profondità in zone dell'Antartide orientale può avere un'età di circa un milione di anni.
La maggior parte del volume di ghiaccio nel mondo si trova nella regione antartica, principalmente nella calotta polare antartica orientale. In termini di estensione, tuttavia, la neve invernale e l'estensione del ghiaccio nell'emisfero boreale coprono l'area più grande, che a gennaio corrisponde mediamente al 23% dell'area della superficie emisferica. La grande estensione dell'area e l'importante ruolo climatico di neve e ghiaccio, relativi alle loro uniche proprietà fisiche, indicano che la capacità di osservare e modellare la neve e le estensioni di coltri di ghiaccio, spessore, e proprietà fisiche (proprietà radiative e termiche) è di particolare significato per la ricerca climatica.
Ci sono diverse proprietà fisiche fondamentali riguardo alla neve e al ghiaccio che modulano scambi di energia fra la superficie e l'atmosfera. Le proprietà più importanti sono l'indice di riflessione della superficie (albedo), la capacità di trasferire calore (diffusività termica) e mutare stato (calore latente). Queste proprietà fisiche, insieme all'irregolarità della superficie, l'emissività, e le caratteristiche dielettriche, hanno importanti implicazioni anche nell'osservazione della neve e del ghiaccio dallo spazio. Per esempio, l'irregolarità della superficie è spesso il fattore dominante che determina la forza della radiazione di ritorno dei radar Hall, D. K., 1996: Remote sensing applications to hydrology: imaging radar. Hydrological Sciences, 41, 609-624.. Le proprietà fisiche come la struttura del cristallo, densità, estensione, e contenuto di acqua liquida sono fattori importanti che riguardano gli spostamenti di calore ed acqua e la dispersione dell'energia nelle microonde.
La riflettanza della superficie della radiazione solare in arrivo è importante per l'equilibrio dell'energia in superficie (SEB, surface energy balance). Essa è il rapporto di riflessione alla radiazione solare incidente, comunemente riferito come albedo. I climatologi sono innanzitutto interessati ad unificare l'albedo sulla porzione dell'onda corta dello spettro elettromagnetico (), che coincide con il principale input dell'energia solare. In genere, i valori di albedo per superfici coperte di neve non in fusione sono alti (~80-90%) tranne nel caso di foreste. Gli alti valori di albedo di neve e ghiaccio causano rapidi spostamenti nella riflettanza della superficie in autunno e primavera ad alte latitudini, ma il significato climatico globale di questo incremento è spazialmente e temporaneamente modulato dalla copertura nuvolosa. (l'albedo planetario è determinato principalmente dalla copertura nuvolosa, anche a causa delle piccole quantità di radiazione solare totale ricevuta ad alte latitudini durante i mesi invernali). L'estate e l'autunno sono periodi di nuvolosità medio-alta sul Mar Glaciale Artico così la retroazione dell'albedo, associata con i grandi mutamenti stagionali nell'estensione della banchisa, è fortemente ridotta. Groisman ed altri (1994) notarono che la coltre di neve mostrava la più grande influenza sull'equilibrio radiativo della Terra nel periodo primaverile (da aprile a maggio) e che la radiazione solare era maggiore sopra le aree coperte di neve.Groisman, P. Ya, T. R. Karl, and R. W. Knight, 1994a: Observed impact of snow cover on the heat balance and the rise of continental spring temperatures. Science, 263, 198-200.
Le proprietà termiche degli elementi criosferici hanno anche importanti conseguenze climatiche. Neve e ghiaccio hanno una molto più bassa diffusività termica dell'aria. La diffusività termica è una misura della velocità con la quale le onde di temperatura possono penetrare una sostanza. Neve e ghiaccio hanno un ordine di grandezza molto meno efficiente nel diffondere il calore rispetto all'aria. La coltre di neve isola la superficie terrestre, e la banchisa isola il sottostante oceano, disaccoppiando l'interfaccia superficie-atmosfera rispetto al calore e ai flussi di umidità. Il flusso di umidità da una superficie d'acqua viene eliminata anche da un sottile strato di ghiaccio, laddove il flusso di calore attraverso il sottile ghiaccio continua ad essere consistente fino a che esso non raggiunga uno spessore in eccesso di 30–40 cm. Ad ogni modo, anche una piccola quantità di neve sopra il ghiaccio ridurrà drasticamente il flusso di calore rallentando il tasso della crescita del ghiaccio. L'effetto isolante della neve ha anche implicazioni maggiori per il ciclo idrologico. Nelle regioni non-permafrost, l'effetto isolante della neve è tale che ghiaccia solo il suolo vicino alla superficie e il drenaggio delle acque profonde è ininterrotto.Lynch-Stieglitz, M., 1994: The development and validation of a simple snow model for the GISS GCM. J. Climate, 7, 1842-1855.
Mentre in inverno neve e ghiaccio agiscono per isolare la superficie dalle grandi perdite di energia, essi funzionano anche per rallentare il riascaldamento nella primavera ed estate a causa della grande quantità di energia richiesta per fondere il ghiaccio (il calore latente di fusione, a ). Tuttavia, la forte stabilità statica dell'atmosfera sopra aree di ampie distese di neve o ghiaccio tende a confinare l'effetto del raffreddamento immediato ad uno strato relativamente poco profondo, in modo che le anomalie atmosferiche associate sono di solito di breve durata e locali, su scala regionale.Cohen, J., and D. Rind, 1991: The effect of snow cover on the climate. J. Climate, 4, 689-706. In alcune aree del mondo come l'Eurasia, tuttavia, è noto che il raffreddamento associato con un pesante ammasso di neve ed umidi suoli primaverili giochi un ruolo nel modulare la circolazione dei monsoni estivi.Vernekar, A. D., J. Zhou, and J. Shukla, 1995: The effect of Eurasian snow cover on the Indian monsoon. J. Climate, 8, 248-266. Gutzler e Preston (1997) recentemente presentarono una dimostrazione per giustificare una simile retroazione della circolazione neve-estate nel Sud-Ovest degli Stati Uniti.Gutzler, D. S., and J. W. Preston, 1997: Evidence for a relationship between spring snow cover in North America and summer rainfall in New Mexico. Geophys. Res. Lett., 24, 2207-2210.
Il ruolo della coltre di neve nel modulare i monsoni è precisamente un esempio di una retroazione criosfera-clima a breve termine coinvolgendo la superficie terrestre e l'atmosfera. Dalla figura 1 è possibile vedere che ci sono numerose retroazioni di criosfera-clima nel sistema globale del clima. Queste agiscono sopra un vasto campo di scale spaziali e temporali, dal raffreddamento locale stagionale delle temperature dell'aria alle variazioni su scala emisferica nelle calotte polari, nell'arco di tempo di migliaia di anni. I meccanismi di retroazione coinvolti sono spesso complessi e non compresi ancora completamente.
Neve
La coltre di neve è la seconda area estensiva più grande di ogni componente della criosfera, con un massimo di estensione areale media di circa 47 milioni di km². La maggior parte dell'area terrestre coperta di neve (snow-covered area, SCA) è localizzata nell'emisfero boreale, e la variabilità temporale è dominata dal ciclo stagionale; L'estensione della coltre di neve nell'emisfero boreale varia da 46,5 milioni di km² a gennaio fino a 3,8 milioni di km² in agosto., 1993. La SCA dell'inverno nordamericano ha mostrato un incremento per buona parte del secolo, 1996., 1996. in gran parte come risposta a un incremento di precipitazioni.
Tuttavia, i dati satellitari disponibili mostrano che la coltre di neve invernale nell'emisfero boreale ha fornito poca variabilità interannuale nel periodo che va dal 1972 al 1996, con un coefficiente di variazione (COV=s.d./media) della coltre a gennaio inferiore a 0,04. Secondo Groisman ed altri la coltre di neve nella primavera dell'emisfero boreale (1994) mostrerebbe una diminuzione che tende a spiegare l'aumento delle temperature atmosferiche primaverili in questo secolo. Stime preliminari della SCA scaturite dai dati storici e ricostruiti in situ riguardo alla coltre di neve suggeriscono che questo sia il caso per l'Eurasia, ma non per l'America settentrionale, dove la coltre di neve primaverile è rimasta vicino ai livelli attuali nella maggior parte del secolo. A causa della relazione intima osservata tra la temperatura dell'aria emisferica e l'estensione della coltre di neve riguardo al periodo dei dati satellitari,, 1996. c'è un interesse notevole nel monitoraggio dell'estensione della coltre di neve nell'emisfero boreale per rilevare e monitorare il mutamento climatico.
La coltre di neve è un deposito estremamente importante nell'equilibrio idrologico, specialmente gli ammassi di neve stagionale nelle zone montagnose del mondo. Sebbene limitata in estensione, la neve stagionale delle montagne della Terra si estende a vantaggio della maggiore fonte del deflusso delle correnti dei corsi d'acqua e falde acquifere ricaricate su vaste aree di media latitudine. Per esempio, oltre l'85% del deflusso annuale del bacino del Colorado trae origine dalla fusione delle nevi. Il deflusso della fusione di neve proveniente dalle montagne della Terra riempie i fiumi e ricarica le falde acquifere delle cui rosorse idriche dipendono oltre un miliardo di persone.