Den intertropiska konvergenszonen (ITCZ), även känd som doldrums, är en av de dramatiska dragen i jordens klimatsystem. Framträdande nog för att ses från rymden, ITCZ visas i satellitbilder som ett band av ljusa moln runt tropikerna. Här, fuktig varm luft samlas i denna atmosfäriska region nära ekvatorn, där havet och atmosfären samverkar kraftigt. Intensiv solstrålning och lugn, varma havsvatten producerar ett område med hög luftfuktighet, stigande luft, och regn, som matas av konvergerande passadvindar från norra och södra halvklotet. Den konvektionerade luften bildar kluster av åskväder som är karakteristiska för ITCZ, släpper ut värme innan man flyttar bort från ITCZ ​​- mot polerna - kyler och faller i subtropikerna. Denna cirkulation fullbordar Hadley-cellerna i ITCZ, som spelar en viktig roll för att balansera jordens energibudget – transporterar energi mellan hemisfärerna och bort från ekvatorn.

Dock, positionen för ITCZ ​​är inte statisk. För att transportera denna energi, ITCZ- och Hadley-cellerna skiftar säsongsmässigt mellan norra och södra halvklotet, bor i den som är starkast uppvärmd från solen och strålningsvärme från jordens yta, vilket i genomsnitt årligen är det norra halvklotet. Till dessa skift kan det vara långa perioder av våldsamma stormar eller svår torka, som avsevärt påverkar mänskliga befolkningar som lever i dess väg.

Forskare är därför angelägna om att förstå klimatkontrollerna som driver ITCZ:s nord-sydliga rörelse under säsongscykeln, såväl som på tidsskalor mellan år och decadal i jordens paleoklimatologi fram till idag. Forskare har traditionellt närmat sig denna fråga utifrån atmosfärens beteende och förståelse för nederbörd, men anekdotiska bevis från modeller med ett dynamiskt hav har föreslagit att havets känslighet för klimatförändringar kan påverka ITCZ:s svar. Nu, en studie från MIT doktorand Brian Green och Cecil och Ida Green professor i oceanografi John Marshall från Program in Atmospheres, Hav och klimat i MIT:s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) publicerad i American Meteorological Society's Journal of Climate , undersöker den roll som havet spelar för att modulera ITCZ:s position och uppskattar dess känslighet när det norra halvklotet värms upp. Därvid, arbetet ger klimatforskare en bättre förståelse för vad som orsakar förändringar i tropiskt regn.

"Under det senaste decenniet eller så har det skett en hel del forskning som studerat kontroller på ITCZ:s nord-sydliga position, särskilt ur detta energibalansperspektiv. ... Och detta har normalt gjorts i samband med att man ignorerar anpassningen av havscirkulationen – havscirkulationen tvingar antingen dessa [ITCZ] skiftningar eller reagerar passivt på förändringar i atmosfären ovanför, " säger Green. "Men vi vet, speciellt i tropikerna, att havscirkulationen är mycket tätt kopplad genom passadvindarna till atmosfärisk cirkulation och ITCZ-positionen, så vad vi ville göra var att undersöka hur den havscirkulationen kan återkoppla till energibalansen som styr den ITCZ-positionen, och hur stark den feedbacken kan vara."

För att undersöka detta, Green och Marshall utförde experiment i en global klimatmodell med en kopplad atmosfär och hav, och observerade hur havscirkulationens gränsöverskridande energitransport och dess associerade ytenergiflöden påverkade ITCZ:s svar när de införde en inter-hemisfärisk värmekontrast. Med hjälp av en förenklad modell som utelämnade landmassor, moln, och monsundynamik, samtidigt som en fullt cirkulerande atmosfär som interagerar med strålning framhävde havets effekt samtidigt som andra förvirrande variabler som kunde maskera resultaten minimerades. Tillägget av nord-sydliga havsryggar, skapa en stor och liten bassäng, efterliknade beteendet hos jordens Atlantens meridionala vältande cirkulation och Stilla havet.

Green och Marshall körde sedan asymmetriskt uppvärmda planetsimuleringar i två havskonfigurationer och jämförde ITCZ-svaren. Den första använde en stationär "platta ocean, " där de termiska egenskaperna specificerades så att den efterliknade den helt kopplade modellen före störning, men kunde inte svara på uppvärmningen. Den andra inkorporerade en dynamisk havscirkulation. Genom att tvinga modellerna identiskt, de skulle kunna kvantifiera havscirkulationens inverkan på ITCZ.

"Vi hittade i fallet där det finns en helt kopplad, dynamiskt hav, ITCZ:s förskjutning norrut dämpades med en faktor fyra jämfört med det passiva havet. Så det antyder att havet är en av de ledande kontrollerna för positionen för ITCZ, " säger Green. "Det är en betydande dämpning av atmosfärens reaktion, och orsaken bakom detta kan bara diagnostiseras från den energibalansen."

I den dynamiska havsmodellen, de upptäckte att när de värmer den simulerade havstäckta planeten, virvlar exporterar lite värme till den tropiska atmosfären från extratropikerna, vilket får Hadley-cellerna att reagera – cellen på norra halvklotet försvagas och cellen på södra halvklotet att stärkas. Detta transporterar värme söderut genom atmosfären. Samtidigt ITCZ växlar norrut; associerade med detta är förändringar i passadvindarna – ytgrenen av Hadley-cellerna – och ytvindspänningen nära ekvatorn. Ythavet känner denna förändring i vindar, som sätter igång en onormal havscirkulation och förflyttar vattenmassan söderut över ekvatorn på båda halvkloten, bär värme med sig. När detta ytvatten når extratropikerna, havet pumpar det nedåt där det återvänder norrut över ekvatorn, svalare och på djupet. Denna temperaturkontrast mellan det varma ytan över ekvatorialflödet och det kallare djupare returflödet ställer in värmen som transporteras av havscirkulationen.

"I fallet med plattan, endast atmosfären kan flytta värme över ekvatorn; medan i vårt helt kopplade fall, vi ser att havet är den mest kompenserande komponenten i systemet, transporterar majoriteten av kraften över ekvatorn." säger Green. "Så ur atmosfärens perspektiv, det känns inte ens den fulla effekten av den uppvärmningen som vi inför. Och som resultat, den måste transportera mindre värme över ekvatorn och förskjuta ITCZ ​​mindre." Green tillägger att svaret från den stora bassängens havscirkulation i stort sett efterliknar Indiska oceanens årliga genomsnittliga cirkulation.

Marshall noterar att den vinddrivna havscirkulationens förmåga att dämpa ITCZ-förskjutningar representerar en tidigare ouppskattad begränsning av atmosfärens energibudget:"Vi visade att ITCZ ​​inte kan röra sig särskilt långt bort från ekvatorn, även i mycket "extrema" klimat, " vilket indikerar att positionen för ITCZ ​​kan vara mycket mindre känslig för inter-hemisfäriska värmekontraster än vad man tidigare trott."

Green och Marshall utökar för närvarande detta arbete. Med hjälp av David McGee, Kerr-Mcgee Career Development Assistant Professor i EAPS, och postdoc Eduardo Moreno-Chamarro, paret tillämpar detta på paleoklimatrekordet under Heimrich-händelser, när jorden upplever stark kylning, letar efter ITCZ-skift.

De undersöker också nedbrytningen av värme och masstransport mellan atmosfären och havet, såväl som mellan jordens hav. "Fysiken som kontrollerar var och en av dessa oceaners svar är dramatiskt olika, säkert mellan Stilla havet och Atlanten, " säger Green. "Just nu, vi arbetar för att förstå hur masstransporterna av atmosfären och havet är kopplade. Även om vi vet att de är tvungna att välta i samma mening, de är faktiskt inte tvungna att transportera en identisk mängd massa, så du kan ytterligare förbättra eller försvaga dämpningen av havscirkulationen genom att påverka hur starkt masstransporterna är kopplade."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.