Röda havet ligger mellan Nordafrika och Arabiska halvön, världens största dammkällsregioner. Sommarvindar pumpar damm från Sahara och arabiska öknar nerför en avsmalnande bergkantad passage, får den att samlas över södra Röda havet. Damm suspenderat som aerosolpartiklar i atmosfären kan påverka klimatet genom att förändra balansen mellan solljus som absorberas på jordens yta och värmeenergi som strålar tillbaka till rymden. Detta är känt som strålningskraft.

"Vi visar att sommarförhållandena över Röda havet producerar världens största aerosolstrålningskraft1, och ändå studerades aldrig dammets inverkan på Röda havet – det var helt enkelt okänt, säger Sergey Osipov, postdoktor och medförfattare med sin handledare Georgiy Stenchikov. Simuleringar visar att damm kyler och fräschar upp Röda havet, potentiellt skydda korallreven mot de skadliga effekterna av havsuppvärmningen på grund av klimatförändringar.

Ett överraskande fynd relaterar till biologisk produktivitet. "Dammavsättning tillför näringsämnen, " förklarar Osipov. "Men, vi finner att dammstrålningskraft bromsar Röda havets cirkulation och minskar den huvudsakliga näringstillförseln till Röda havet genom Bab-el Mandeb-sundet. Nettoeffekten på den totala bioproduktiviteten återstår att fastställa."

Stora vulkanutbrott, som 1991 års utbrott av Mount Pinatubo i Filippinerna, injicera stora mängder svaveldioxid i den övre atmosfären, där det omvandlas till små sulfataerosoldroppar. Dessa sulfataerosoler sprids över hela världen, utövar en stark strålkraftseffekt.

Osipov och Stenchikov har tidigare visat att Pinatubo-utbrottet påverkade det regionala klimatet i Mellanöstern och Röda havet2. De har nu jämfört dess påverkan med luftburet damm1.

"Vi visar att effekterna av Pinatubo och damm är störst i norra och södra Röda havet, respektive, har olika effekter på yt- och djupvattenkylning, säger Osipov.

Dator i världsklass

Mellanöstern och Nordafrika är en extremt torr region, som upplever snabba klimat- och miljöförändringar. Att förstå de fysiska processer som ligger bakom regionens starka naturliga klimatvariabilitet är viktigt för framtida klimatprognoser, och för att förutsäga torka och svält.

"Regionens klimat är mycket komplext, involverar långväga sammankopplingar – teleanslutningar – och återkopplingar som är svåra att fånga i modeller, " säger Stenchikov. "Det är därför vi arbetar med problemet med hjälp av de avancerade datorresurser som tillhandahålls av KAUSTs Supercomputing Core Laboratory.

Osipov betonade att forskningen skulle ha varit omöjlig utan datorresurser i världsklass från KAUST. Detta gäller även två andra nya studier3, 4, med två andra forskare i gruppen.

Doktorand Evgeniya Predybaylo studerar effekterna av stora vulkanutbrott på ett stort sätt av naturlig klimatvariation som kallas El Niño-Southern Oscillation (ENSO). ENSO driver extrema väder- och klimathändelser och påverkar till och med orkan- och tornadoaktivitet.

Att prognostisera ENSO-händelser skulle hjälpa människor att förbereda sig för eventuella kollapser av fiskbestånd och jordbrukskriser, säger Predybaylo.ENSO är notoriskt svårt att förutsäga, men vulkanutbrott kan spela en roll. Intressant, kraftiga ekvatoriska vulkanutbrott sammanfaller ofta med en El Niño-händelse, ENSO:s varma fas, men relationen är komplex och dåligt förstådd, säger Predybaylo.

I simuleringar3, ENSO:s svar beror delvis på utbrottets säsongsmässiga tidpunkt:sommarutbrott framkallar starkare El Niños än vinter- eller vårutbrott.

Havsförhållanden som rådde vid tidpunkten för utbrottet spelar också en roll. "Radiativ forcering efter stora utbrott resulterar i allmänhet i ytkylning, " förklarar Predybaylo. "Men, det tropiska Stilla havet visar ofta ett uppvärmningssvar. Vi visar att detta beror på ojämn kylning av ekvatorialhavet och förändringar i passadvindar."

"Ett utbrott av Pinatubo-storlek kan delvis bestämma fasen, ENSO:s storlek och varaktighet, men det är viktigt att ta hänsyn till utbrottssäsongen och havsförhållandena strax före utbrottet, " avslutar hon.

Västafrika står inför en varm förändring

En annan KAUST-studie av klimatmodellering avslöjar potentiella förändringar i den västafrikanska monsunen (WAM) på grund av global uppvärmning4. Hem till mer än 300 miljoner människor, Västafrika har en jordbruksbaserad ekonomi:dess livsmedelssäkerhet påverkas av WAM, vilket gör det viktigt att förstå nuvarande och framtida variationer.

"WAM är ett svårt system att modellera eftersom det involverar ett komplext samspel av flerskaliga processer, " förklarar KAUST doktorand, Jerry Raj. För att simulera WAM under nuvarande och framtida klimat, Raj använde en sofistikerad klimatmodell som kunde redogöra för konvektiv nederbörd, såväl som större processer.

Deras simuleringar indikerar att Västafrika i allmänhet kommer att bli varmare som ett resultat av klimatförändringarna – höga områden i Sahel och västra Sahara förväntas uppleva temperaturökningar på 4 grader Celsius eller mer vid seklets slut.

Simuleringarna indikerar också nederbördsökningar över ekvatorialatlanten och Guineas kust, ändå verkar södra Sahel torrare. På samma gång, Västsahara upplever en måttlig ökning av nederbörden. Till sist, WAM-debut inträffar tidigare över den östra delen av regionen, men är försenad över den västra delen.

"Klimatframskrivning är det första och viktigaste steget mot en anpassningspolitik som syftar till att undvika skadliga miljömässiga och socioekonomiska konsekvenser, säger Raj.