thumb|right|330px| Pregled kriosfere i njenih većih komponenti Kriosfera (grč κρύος —krios = hladno i σφαῖρα —sfera = sfera, sloj) je krovni termin za one dijelove Zemljine površine gdje se voda nalazi u čvrstom čvrstom obliku. To uključuje led ns morima jezerima ili rijekama, snijeg, glečere, ledene kape, ledene ploče i smrznuto tlo (što uključuje permafrost). Dakle, postoji preklapanje sa hidrosferom. Kriosfera je sastavni dio globalnog klimatskog sistema. Također ima važne povratne informacije o klimatskim promjenama. Ove povratne informacije dolaze od uticaja kriosfere na površinsku energiju i protok vlage, oblake, ciklus vode, atmosfersku i okeansku cirkulaciju.
Kroz ove procese povratnih informacija, kriosfera ima značajnu ulogu u globalnoj klimi i u odgovoru klimatskog modela na globalne promjene. Otprilike 10% Zemljine površine prekriveno je ledom, ali se to brzo smanjuje.
„Kriosferske nauke“ su krovni termin za proučavanje kriosfere. Kao interdisciplinarna nauka o Zemlji, mnoge discipline doprinose joj, a najznačajnije geologija, hidrologija, te meteorologija i klimatologija; u tom smislu, uporediva je sa glaciologijom.
Termin „deglacijacija“ opisuje povlačenje kriosferskih karakteristika.
Svojstva i interakcije alt=|thumb|330x330px| Kriosfera (dolje lijevo) je jedna od pet komponenti klimatskog sistema. Ostale su atmosfera, hidrosfera, litosfera i biosfera. Postoji nekoliko fundamentalnih fizičkih svojstava snijega i leda koja moduliraju razmjenu energije između površine i atmosfere. Najvažnija svojstva su površinska refleksija (albedo), sposobnost prijenosa toplote (termička difuzivnost) i sposobnost promjene stanja (latentna toplota). Ova fizička svojstva, zajedno s hrapavošću površine, emisivnošću i dielektričnim karakteristikama, imaju važne implikacije za posmatranje snijega i leda iz svemira. Na primjer, hrapavost površine je često dominantan faktor koji određuje jačinu povratnog raspršenja radara. Fizička svojstva poput kristalne strukture, gustoće, dužine i sadržaja tečne vode važni su faktori koji utječu na prijenos topline i vode i raspršivanje mikrotalasne energije.
Vrijeme i obim zadržavanja Vrijeme zadržavanja vode u svakom od kriosferskih podsistema uveliko varira. Snježni pokrivač i slatkovodni led su u suštini sezonski, a većina morskog leda, osim leda u centralnom Arktiku, traje samo nekoliko godina ako nije sezonski. Međutim, određena čestica vode u glečerima, ledenim pločama ili prizemnom ledu može ostati smrznuta 10–100.000 godina ili duže, a duboki led u dijelovima Istočnog Antarktika može imati starost koja se približava milionu godina.
Većina svjetske količine leda nalazi se na Antarktiku, uglavnom u Istočnom antarktičkom ledenom pokrovu. Međutim, što se tiče površinskog obuhvata, zimski snijeg i led na sjevernoj hemisferi zauzimaju najveću površinu, u prosjeku 23% površine hemisfere u januaru. Veliki površinski obuhvat i važne klimatske uloge snijega i leda povezani su s njihovim jedinstvenim fizičkim svojstvima. To također ukazuje na to da je sposobnost promatranja i modeliranja opsega, debljine te radijacijskih i termalnih svojstava snijega i ledenog pokrivača od posebnog značaja za klimtatska istraživanja.
Površinska refleksija Površinska refleksija dolaznog sunčevog zračenja važna je za površinski energetski bilan (SEB). To je odnos reflektovanog i upadnog sunčevog zračenja, obično se naziva albedo. Klimatolozi su prvenstveno zainteresirani za albedo integriran preko kratkotalasnog dijela elektromagnetnog spektra (~300 do 3500 nm), što se poklapa s glavnim unosom sunčeve energije. Tipično, vrijednosti albeda za površine prekrivene snijegom koje se ne tope su visoke (~80–90%), osim u slučaju šuma.
Veći albedo za snijeg i led uzrokuje brze promjene površinskih refleksija u jesen i proljeće, na visokim geografskim širinama, ali ukupni klimatski značaj ovog povećanja je prostorno i vremenski moduliran oblačnim pokrivačem. (Planetarni albedo uglavnom je određen oblačnošću i malom količinom ukupnog sunčevog zračenja primljenog na visokim geografskim širinama tokom zimskih mjeseci.) Ljeto i jesen su vremena visoke prosječne oblačnosti iznad Arktičkog okeana, tako da je albedo povratna informacija povezana s velikim sezonskim promjenama u obimu morskog leda znatno smanjena. Utvrđeno je da snježni pokrivač pokazuje najveći uticaj na Zemaljsku radijacijsku ravnotežu u proljeće (od aprila do maja) kada je dolazno sunčevo zračenje bilo najveće nad područjima prekrivenim snijegom.
Termička svojstva kriosferskih elemenata Toplotna svojstva kriosferskih elemenata također imaju važne klimatske posljedice. Snijeg i led imaju mnogo niže termičke difuzivnosti od zraka. Toplotna difuzivnost je mjera brzine kojom temperaturni talasi mogu prodrijeti kroz supstancu. Snijeg i led su mnogo redova veličine manje efikasni u difuziji toplote od zraka. Snježni pokrivač izoluje površinu tla, a morski led izoluje okean ispod njega, odvajajući granicu površina-atmosfera u odnosu na fluks toplote i vlage. Tok vlage sa vodene površine eliminiše čak i tanki sloj leda, dok fluks toplote kroz tanki led nastavlja biti značajan sve dok ne dostigne debljinu veću od 30 do 40 cm. Međutim, čak i mala količina snijega na vrhu leda će dramatično smanjiti toplotni fluks i usporiti brzinu rasta leda. Izolacijski učinak snijega također ima velike implikacije na hidrološki ciklus. U regijama bez permafrosta, izolacijski učinak snijega je takav da se smrzava samo površina tla blizu površine, a odvodnjavanje dubokih voda je neprekinuto.Lynch-Stieglitz, M., 1994: The development and validation of a simple snow model for the GISS GCM. J. Climate, 7, 1842–1855. Dok snijeg i led izoluju površinu od velikih gubitaka energije zimi, oni također usporavaju zagrijavanje u proljeće i ljeto zbog velike količine energije potrebne za topljenje leda (latentna toplota fuzije, 3,34 × 105 J/kg na 0 °C). Međutim, jaka statička stabilnost atmosfere iznad područja s velikim snijegom ili ledom teži ograničavanju neposrednog efekta hlađenja na relativno plitki sloj, tako da su povezane atmosferske anomalije obično kratkotrajne i lokalne do regionalne razmjere.Cohen, J., and D. Rind, 1991: The effect of snow cover on the climate. J. Climate, 4, 689–706. Međutim, u nekim dijelovima svijeta, poput Euroazije, poznato je da hlađenje povezano s gustim snježnim pokrivačem i vlažnim proljetnim tlima igra ulogu u modulaciji ljetne monsunske cirkulacije.Vernekar, A. D., J. Zhou, and J. Shukla, 1995: The effect of Eurasian snow cover on the Indian monsoon. J. Climate, 8, 248–266.
Mehanizmi povratne sprege o klimatskim promjenama
Postoje brojne povratne sprege kriosfere i klime u globalnom klimatskom sistemu. One djeluju u širokom rasponu prostornih i vremenskih skala, od lokalnog sezonskog hlađenja temperatura zraka do varijacija ledenih pokrivača na hemisfernoj skali tokom vremenskih skala od hiljada godina. Uključeni mehanizmi povratne sprege često su složeni i nepotpuno shvaćeni. Naprimjer, Curry et al. (1995) pokazali su da takozvana "jednostavna" povratna sprega morskog leda i albeda uključuje složene interakcije s frakcijom olova, otopljenim jezerima, debljinom leda, snježnim pokrivačem i obimom morskog leda.
Uloga snježnog pokrivača u modulaciji monsuna samo je jedan primjer kratkoročne povratne sprege između kriosfere i klime koja uključuje površinu kopna i atmosferu.
Komponente
Glečeri i ledeni pokrovi
thumb| Prikaz glečera na topografskoj mapi. thumb| Glečer Taschachferner u Ötztalskim Alpama u Austriji. Planina s lijeve strane je Wildspitze (3.768 m), druga najviša u Austriji. Desno je područje s otvorenim pukotinama gdje glečer teče preko neke vrste velike litice.Google Maps: Distance between Wildspitze and Hinterer Brochkogel, cf. image scale at lower edge of screen
Ledeni pokrovi i glečeri su tekuće ledene mase koje leže na čvrstom kopnu. Kontroliraju ih akumulacija snijega, površinsko i bazalno topljenje, odvajanje u okolne okeane ili jezera i unutrašnja dinamika. Potonja je rezultat gravitacijskog puzajućeg toka ("glacijalni tok") unutar ledenog tijela i klizanja po podložnom kopnu, što dovodi do stanjivanja i horizontalnog širenja. Svaka neravnoteža ove dinamičke ravnoteže između dobitka, gubitka i transporta mase usljed protoka rezultira ili rastom ili smanjenjem ledenih tijela. thumb|Pogled iz zraka na ledenu ploču na istočnoj obali Grenlanda Odnosi između globalne klime i promjena u obimu leda su složeni. Maseni balans kopnenih glečera i ledenih ploča određen je akumulacijom snijega, uglavnom zimi i ablacijom u toploj sezoni, prvenstveno zbog neto zračenja i turbulentnih toplotnih tokova koji dovode do topljenja leda i snijega od advekcije toplog zrakaPaterson, W. S. B., 1993: World sea level and the present mass balance of the Antarctic ice sheet. In: W.R. Peltier (ed.), Ice in the Climate System, NATO ASI Series, I12, Springer-Verlag, Berlin, 131–140.Van den Broeke, M. R., 1996: The atmospheric boundary layer over ice sheets and glaciers. Utrecht, Universitiet Utrecht, 178 pp. Tamo gdje se ledene mase završavaju u okeanu, ledeni brijeg otpadanje je glavni uzrok gubitka mase. U ovoj situaciji, ledena margina može se protezati u duboku vodu kao plutajuća ledena polica, kao što je ona u Rossovom moru.
Morski led
thumb| Izlomljeni komadi arktičkog morskog leda sa snježnim pokrivačem thumb|280px| Satelitski snimak morskog leda koji se formira u blizini Ostrva Svetog Mateja u Beringovom moru. Morski led pokriva veći dio polarnih okeana i nastaje smrzavanjem morske vode. Satelitski podaci od ranih 1970-ih otkrivaju značajnu sezonsku, regionalnu i međugodišnju varijabilnost u pokrivaču morskog leda na obje hemisfere. Sezonski, opseg morskog leda na Južnoj hemisferi varira za faktor 5, od minimalnih 3–4 miliona km2 u februaru do maksimalnih 17 – 20 miliona km2 u septembru.Zwally, H. J., J. C. Comiso, C. L. Parkinson, W. J. Campbell, F. D. Carsey, and P. Gloersen, 1983: Antarctic Sea Ice, 1973–1976: Satellite Passive-Microwave Observations. NASA SP-459, National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C., 206 pp.Gloersen, P., W. J. Campbell, D. J. Cavalieri, J. C. Comiso, C. L. Parkinson, and H. J. Zwally, 1992: Arctic and Antarctic Sea Ice, 1978–1987: Satellite Passive-Microwave Observations and Analysis. NASA SP-511, National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C., 290 pp. Sezonske varijacije su mnogo manje na sjevernoj hemisferi gdje ograničena priroda i visoke geografske širine Arktičkog okeana rezultiraju mnogo većim višegodišnjim ledenim pokrivačem, a okolno kopno ograničava opseg zimskog leda prema ekvatoru. Stoga, sezonska varijabilnost u opsegu leda na Sjevernoj hemisferi varira samo za faktor 2, od minimalnih 7–9 miliona km2 u septembru do maksimalnih 14–16 miliona km2 u martu.Parkinson, C. L., J. C. Comiso, H. J. Zwally, D. J. Cavalieri, P. Gloersen, and W. J. Campbell, 1987: Arctic Sea Ice, 1973–1976: Satellite Passive-Microwave Observations, NASA SP-489, National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C., 296 pp.
Ledeni pokrivač pokazuje mnogo veću međugodišnju varijabilnost na regionalnom nivou nego na hemisferičnom nivou. Na primjer, u regiji Ohotskog mora i Japana, maksimalna površina leda smanjila se sa 1,3 miliona km² 1983. godine na 0,85 miliona km² 1984., što je smanjenje od 35%, prije nego što se sljedeće godine povećala na 1,2 miliona km². Regionalne fluktuacije na obje hemisfere su takve da tokom bilo kojeg višegodišnjeg perioda satelitskog snimanja neke regije pokazuju smanjenje pokrivenosti ledom, dok druge pokazuju povećanje pokrivenosti ledom.Parkinson, C. L., 1995: Recent sea-ice advances in Baffin Bay/Davis Strait and retreats in the Bellinshausen Sea. Annals of Glaciology, 21, 348–352.
Smrznuto tlo i permafrost
Snježni pokrivač
thumb| Drveće prekriveno snijegom u Kuusamu, Finska. right|thumb|Snježni nanosi koji se formiraju oko prepreka niz vjetar.