雪の科学

雪科学は、雪がどのように形成され、分布し、積雪が時間とともにどのように変化するかに影響を与えるプロセスを研究します。科学者は嵐の予報を改善し、世界の積雪とそれが世界中の気候、氷河、水供給に与える影響を研究します。研究には、変化する物質の物理的特性、その場にある積雪の塊の全体的な特性、積雪のある地域の集合的な特性が含まれます。その際、科学者は地上の物理的測定技術を使用して地上の真実を確立し、リモートセンシング技術を使用して広い地域での積雪関連のプロセスに対する理解を深めます。^[1]

雪は中国では紀元前135年という早い時期に、韓英の著書『断絶』で説明されており、花の五角形と雪の六角形を対比している。 [ ^3] アルベルトゥス・マグヌスは1250年に、ヨーロッパでおそらく最も古い雪の詳細な記述を証明した 。ヨハネス・ケプラーは1611年の著書『六角形の雪の結晶』で、雪の結晶が六角形である理由を説明しようとした。^[4] 1675年、ドイツの医師フリードリヒ・マルテンスは24種類の雪の結晶をカタログ化した。1865年、フランシス・E・チッケリングは『雲の結晶 - 雪片アルバム』を出版した。^{[5] [6]} 1894年、AA・シグソンは顕微鏡で雪の結晶を撮影し、これはウィルソン・ベントレーが『マンスリー・ウェザー・レビュー』で個々の雪の結晶を撮影した一連の写真に先立って行われた。

中谷宇吉郎は1932年に雪の結晶に関する広範な研究を始めた。1936年から1949年にかけて、中谷は最初の人工雪の結晶を作り、温度と水蒸気 飽和度との関係を図表化した。これは後に中谷図と呼ばれるようになり、雪に関する研究のその他の著作は1954年にハーバード大学出版局から『雪の結晶：天然と人工』として出版された。小林貞作は、1960年の小林図で中谷図を検証し、改良した。これは後に1962年に改良された。 ^{[7] [8]}

人工雪片生成へのさらなる関心は、1982年にブラウンシュヴァイク工科大学の黒田俊夫とロルフ・ラックマンが「気相からの氷の成長速度論とその成長形態」を発表したことで続きました。^[9] 1983年8月、宇宙飛行士はスペースシャトルチャレンジャー号のミッションSTS-8で軌道上で雪の結晶を合成しました。^[10] 1988年までに福田紀彦らは 上昇気流で作られた人工雪の結晶で中谷図を確認しました。 ^{[11] [12] [13]}そして古川良典は宇宙での雪の結晶の成長を実証しました。^[14]

雪科学者は通常、雪穴を掘り、その中で基本的な測定と観察を行います。観察では、風、水の浸透、または木から雪が降ったことによる特徴を記述できます。雪の塊に水が浸透すると、フローフィンガーや水たまりができたり、毛細管障壁に沿って流れたりします。これが雪の塊の中で水平方向と垂直方向の固体氷層に再凍結することがあります。国際季節降雪分類が提示する雪の塊の特性の測定値（およびコード）には、次のものがあります。^[15]

• 高さ (H) は、地表から垂直に測定され、通常はセンチメートル単位で表されます。
• 厚さ (D) は、傾斜した積雪の斜面に対して直角に測定された積雪の深さで、通常はセンチメートル単位で表されます。
• 積雪高 (HS) は、積雪の底から雪面まで垂直にセンチメートル単位で測定された積雪の総深さです。
• 新雪の高さ (HN) は、 24 時間またはその他の指定された期間にスノーボード上に積もった新雪の深さ (センチメートル単位) です。
• 積雪水当量 (SWE) は、特定の地域または限定された積雪地帯の積雪が完全に溶けた場合に生じる水の深さであり、積雪の高さ (メートル) と垂直積分密度 (キログラム/立方メートル) の積として計算されます。
• 降雪水当量（HNW）は、24 時間またはその他の期間の標準観測期間に測定された降雪水当量です。
• 積雪強度 (Σ) は、圧縮、引張、せん断のいずれの場合でも、積雪強度は、雪が破損または破損することなく耐えることができる最大応力とみなされ、パスカル/秒の 2 乗で表されます。
• 雪面の浸透度 (P) は、物体が雪面から浸透する深さであり、通常はスイスのラムゾンデで測定されますが、もっと大まかには、人が立っているかスキーに乗っているときに測定され、センチメートル単位で表されます。
• 表面特徴 (SF) は、堆積、風による再分布と侵食、融解と再凍結、昇華と蒸発、雨による雪面の一般的な外観を表します。次のプロセスは対応する結果をもたらします: 滑らか - 風のない堆積、波状 - 風で堆積した雪、凹状の溝 - 融解と昇華、凸状の溝 - 雨または融解、ランダムな溝 - 侵食。
• 積雪面積 (SCA) は、積雪で覆われた地面の面積を表し、通常は全体の割合 (%) で表されます。
• 傾斜角 (Φ) は、 傾斜計を使用して水平から傾斜面まで測定された角度です。
• 傾斜の方向 (AS)は、標高の等高線に対して垂直な、傾斜が向いている方位であり、真北 N = 0° = 360° からの度数、または N、NE、E、SE、S、SW、W、NW として表されます。
• 時間 (t)は通常、測定期間の場合は秒単位で示され、積雪の堆積物や層の年齢を表す場合はより長い単位で示されます。

積雪の深さ– 積雪の深さはスノーボード（通常は白く塗られた合板）で6時間観測して測定します。6時間経過後、測定面からすべての雪を取り除きます。1日の総降雪量は、4回の6時間降雪量を合計して算出します。降雪量は、融解、圧縮、吹き飛ばし、吹き溜まりなどにより測定が非常に困難な場合があります。^[16]

積雪計による液体当量– 積雪の液体当量は、積雪計^[17]または直径 100 mm (4 インチ、プラスチック製) または 200 mm (8 インチ、金属製) の標準雨量計を使用して評価できます。 ^[18]雨量計は、漏斗と内筒を取り外し、雪/凍結雨が外筒内に集まるようにすることで、冬用に調整されます。計器に落ちた雪や氷を溶かすために、不凍液が追加されることがあります。 ^[19]どちらのタイプの計器でも、積雪/氷が積もり​​終わったら、または計器内の高さが 300 mm (12 インチ) に近づくと、雪を溶かして水の量を記録します。^[20]

国際地上季節積雪分類では、空中の雪に関する分類よりも積雪に関する分類が広範囲に及んでいます。主な分類のリスト（コードとともに引用）は次のとおりです。^[15]

• 沈殿粒子（PP）（下記参照）
• 機械雪（MM） - 表面から内部に向かって非常に小さな水滴が凍ってできた丸い多結晶粒子、または粉砕と強制的な分配によってできた砕けた氷の粒子である可能性があります。
• 分解して断片化した降水粒子 (DF) — 分解は、弱い風による初期の分解で表面自由エネルギーを低下させるため、表面積が減少することによって起こります。風は粒子の断片化、パッキング、丸みを引き起こします。
• 丸い粒子 (RG) – 丸みを帯びた、通常は 0.25 mm 前後の細長い粒子で、高度に焼結されています。風で固められたり、ファセット加工されて丸みを帯びることもあります。
• ファセット結晶 (FC) - 大きな温度勾配によって推進される粒子間の蒸気拡散によって成長することが、乾燥した積雪内のファセット結晶の主な推進力です。
• 深層霜 (DH) - 大きな温度勾配によって引き起こされる雪の粒間の蒸気拡散が、乾燥した積雪内での深層霜の主な原因です。
• 表面霜（SH） - 大気中の水蒸気が雪面へ移動し、放射冷却によって周囲温度以下に冷却されることで、雪面の結晶が急速に成長します。
• 溶融形態 (MF) - 湿った雪の丸い粒子が集まったものから、鉱脈内の水が凍ったときにできる融解凍結による丸い多結晶、緩く結合した完全に丸い単結晶および多結晶、融解または降雨で濡れた後に再凍結した湿った雪の表面層からの多結晶までの範囲です。
• 氷層 (IF) – 以下の特徴が含まれます。水平層は、表面の雨または雪解け水が冷たい雪に浸透し、層の障壁に沿って再凍結して生じます。垂直の凍った排水された水指。基質の上に溜まった雪解け水から再び現れて凍結する基底地殻。雪の上の凍った雨によって生じる雪面の氷のつや。表面の雪の雪解け水が放射冷却によって表面で再凍結して生じる太陽地殻。

凍結粒子の分類は中谷とその後継者による以前の分類を拡張したもので、次の表に引用されている。^[15]

過冷却した水分にさらされた物体に形成される霧氷と、晴天下で温度逆転により形成されるプレート状結晶、樹枝状結晶、恒星状結晶を除いて、すべて雲の中で形成されます。

積雪の各層は、その微細構造や密度を表す1つ以上の特徴によって隣接する層と異なり、これらが組み合わさって雪の種類やその他の物理的特性を定義します。したがって、ある時点で層を形成する雪の種類と状態を定義する必要があります。なぜなら、その物理的および機械的特性はそれらに依存するからです。国際季節降雪分類では、雪の特性の次の測定値（およびそれらのコード）を示しています。^[15]

• 雪の微細構造は複雑で測定が難しいですが、雪の熱的、機械的、電磁気的特性に重大な影響を及ぼします。微細構造を特徴付ける方法は複数ありますが、標準的な方法はありません。
• 粒子の形状( F ) には、自然堆積物と人工堆積物の両方が含まれます。これらは分解されている可能性があり、凍結融解または霜によって新たに形成された結晶が含まれている場合もあります。
• 粒径（E）は、最大伸長部分で測定された粒子の平均サイズをミリメートル単位で表します。
• 積雪密度( ρ _s ) は、既知の体積の積雪の単位体積あたりの質量で、 kg/m ³として計算されます。分類は、 0.2 mm 未満の非常に細かいものから、 2.0～5.0 mm 以上の非常に粗いものまであります。
• 雪の硬度( R ) は、物体が雪に浸透する抵抗力です。ほとんどの雪の研究では、柔らかい雪 (非常に柔らかいから中程度) には拳または指を使用し、氷の硬度の境界より下の雪には鉛筆 (硬い) またはナイフ (非常に硬い) を使用します。
• 液体水分含有量( LWC ) (または自由水分含有量) は、雪が融解、雨、またはその両方から生じた液相の雪内の水分量です。測定値は、体積分率または質量分率 (パーセント) として表されます。乾燥した雪の平均体積分率は 0% です。湿った雪は 5.5%、水に浸かった雪は 15% を超えます。
• 雪温( T _s ) は、雪柱の中や雪柱上のさまざまな高度で頻繁に測定されます。地上、表面、表面からの高さ (°C) で測定されます。
• 不純物（J）は一般的に、ほこり、砂、すす、酸、有機物、可溶性物質であり、それぞれを詳細に記述し、質量分率（％、ppm）として報告する必要があります。
• 積雪の各層の層厚（L ）はcm単位で測定されます。

• 
  樹枝状の雪片 —ウィルソン・ベントレーによる顕微鏡写真。
• 
  血小板と針状結晶、2 種類の雪片の異なる形。
• 
  新しく形成された結合を持つ、粒界を示す新しく乾燥した雪 (上部中央)。
• 
  水分含有量の少ない湿った雪の中にある氷粒の集まり。粒の結晶の大きさは 0.5 ～ 1.0 mm です。

衛星やその他のプラットフォームによる積雪のリモートセンシングには、通常、画像のマルチスペクトル収集が含まれます。取得したデータの高度な解釈により、何が観測されたかについての推論が可能になります。これらの遠隔観測の背後にある科学は、実際の状況の地上調査によって検証されています。^[21]

衛星観測では、衛星観測が始まった1960年代以降、積雪面積が減少していることが記録されている。中国などの一部の地域では、積雪面積が増加する傾向が見られた（1978年から2006年）。これらの変化は地球規模の気候変動によるもので、融解が早まり、積雪面積が減少する可能性がある。しかし、一部の地域では、北緯40度以上の気温が高いため、積雪深が増加する可能性がある。北半球全体では、月平均の積雪面積は10年ごとに1.3％減少している。^[22]

衛星による雪の観測は、リモートセンシングデータの解析において雪の物理的特性とスペクトル特性の有用性に依存している。Dietzらはこれを次のように要約している。^[22]

• 雪は可視波長の入射放射線の大部分を反射します。
• 地球は表面からマイクロ波を継続的に放射しており、これは受動型マイクロ波センサーを使用して宇宙から測定できます。
• 積雪特性をマッピングするためのアクティブマイクロ波データの使用は、湿った雪だけが確実に認識できるという事実によって制限されます。

積雪範囲、積雪深、積雪水当量を地図に表して測定する最も頻繁に使用される方法は、可視赤外線スペクトルの複数の入力を使用して、雪の存在と特性を推測します。国立雪氷データセンター (NSIDC) は、可視光線と赤外線の反射率を使用して、正規化差雪指数を計算します。これは、雲と雪を区別できる放射パラメータの比率です。他の研究者は、利用可能なデータを使用してより正確な評価を行う決定木を開発しました。この評価の課題の 1 つは、積雪が部分的に覆われている場合です。たとえば、積雪期や融解期、森林地帯などです。雲が覆われると表面反射率の光学的感知が妨げられるため、雲の下の地面の状態を推定するための他の方法が生まれました。水文学モデルの場合、積雪に関する継続的な情報を持つことが重要です。適用可能な手法には、既知の情報を使用して未知のものを推測する補間が含まれます。パッシブマイクロ波センサーは、雲の下や暗闇での表面を地図に表すことができるため、時間的および空間的な連続性に特に役立ちます。反射測定と組み合わせると、受動型マイクロ波センシングは積雪についての推論の可能性を大幅に広げます。^[22]

雪科学は、地球の水循環の要素である積雪の堆積、融雪、積雪水文学を含む予測モデルにつながることが多く、地球規模の気候変動を説明するのに役立ちます。^[21]

地球規模の気候変動モデル（GCM）は、計算の要素として雪を取り入れています。積雪の重要な側面には、アルベド（光の反射率）と断熱性があり、これらは海氷の季節的な融解速度を遅くします。2011年時点では、GCMの積雪モデルの融解段階は、植生や地形など、雪解けを制御する複雑な要因がある地域ではうまく機能しないと考えられていました。これらのモデルは、次のような方法で積雪水当量（SWE）を計算します。^[21]

SWE = [ –ln( 1 – f _c )] / D

どこ：

• f _c = 積雪面積の割合
• D = 植生の覆いの深さ（世界中で≈ 0.2 m）

農業にとって雪解け水が重要であることを考慮すると、雪を予測に組み込んだ水文流出モデルは、積雪の蓄積、融解プロセス、河川網を通じた融解水の地下水への分配の段階を考慮している。融解プロセスを説明する鍵となるのは、太陽熱流束、周囲温度、風、降水量である。初期の雪解けモデルでは、空気と積雪の温度差を重視した度日アプローチを使用して、積雪水当量（SWE）を次のように計算した。^[21]

SWE = M ( Ta – T _m ) （Ta _≥ T m_の場合）

= 0 の場合、T _a < T _m

どこ：

• M = 融解係数
• T _a = 気温
• T _m = 積雪温度

最近のモデルでは、以下の要因を考慮したエネルギーバランスアプローチを使用して、融解に利用可能なエネルギー（Q _m）を計算します。^[21]

Q _m = Q ^* + Q _h + Q _e + Q _g + Q _r – Q _Θ

どこ：

• Q ^* = 純放射
• Q _h = 積雪と気団間の顕熱の対流伝達
• Q _e = 積雪からの蒸発または積雪への凝縮によって失われる潜熱
• Q _g = 地面から積雪への熱伝導
• Q _r = 雨による熱の移流
• Q _Θ = 単位表面積あたりの内部エネルギーの変化率

様々な熱流量（Q）を計算するには、気温だけでなく、雪や環境要因のより広範囲の測定が必要である。^[21]

科学から得られた知識は工学に応用されます。例としては、極地の氷床上の施設の建設と維持、雪上滑走路の設置、スノータイヤとスキー滑走面の設計などが挙げられます。

• 雪上基礎上の建物–冷戦時代には、米陸軍寒冷地研究工学研究所（CRREL）が米空軍による遠距離早期警戒（DEW）ライン施設のシステム構築^{[23]と維持管理を支援する役割を果たした。1976年、CRRELの研究者は、}グリーンランド氷床にある高さ10階建て、2,900トン（3,200ショートトン）のDEWライン施設を、氷の動きによって脆弱になっていた基礎から新しい基礎へと移設する作業に尽力した。^{[24]これには、}現場での積雪強度の測定と、その測定結果を建物の新しい基礎設計に使用することが必要であった。
• 雪上滑走路– 2016年、CRREL研究土木技術者はマクマード基地に「フェニックス」と呼ばれる新しい雪上滑走路を設計、構築、テストしました。この滑走路は、年間約60回の大型車輪付き輸送機の出撃に対応できるように設計されています。圧縮された雪上滑走路は、230,000 kg（500,000ポンド）を超える重量のボーイングC-17にサービスを提供するために設計および構築されました。これには、機械的に硬化した雪の特性に関する工学的知識が必要でした。^[25]
• スノータイヤ– スノータイヤは、圧縮、せん断接着、ベアリングの3つの機能を果たします。道路上では、前方の雪を圧縮し、トレッドと圧縮された雪の間にせん断接着を提供します。オフロードでは、圧縮された雪に対するベアリングも提供します。ベアリング接触は、タイヤが深く沈みすぎて前方の雪を圧縮することで前進が妨げられないように、十分に低くなければなりません。^[26]トレッドのデザインは、道路で使用されるスノータイヤにとって重要であり、雪上での牽引力と、乾いた路面および濡れた路面での快適性とハンドリングとの間のトレードオフを表しています。^[27]
• スノースライダー–スキーやその他の滑走具が雪の上を滑る能力は、雪とスキーの両方の特性に依存し、スキーとの摩擦によって雪が溶けて最適な量の潤滑剤が生成される。潤滑剤が少なすぎるとスキーが固体の雪の結晶と相互作用し、多すぎると溶けた水の毛細管現象によってスキーの動きが遅くなる。スキーが滑る前に、スキー/雪の接触における最大値の静摩擦 を克服する必要がある。ここで は静摩擦係数、 は雪に対するスキーの法線力である。動摩擦は、スキーが雪の上を移動しているときに発生する。^[28]${\displaystyle F_{max}=\mu _{\mathrm {s} }F_{n}\,}$${\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}$${\displaystyle F_{n}\,}$

• 国連環境計画: 氷と雪の世界的見通し
• 北海道大学低温科学研究所
• スイス連邦森林・雪・景観研究所のウェブサイト
• 米国国立雪氷データセンター雪科学ウェブサイト
• アメリカ土木学会による米国本土の地上積雪荷重インタラクティブマップ
• 地上季節積雪の国際分類 (ICSSG) 2018-10-10 にWayback Machineでアーカイブ