Ocean cirkulation, kombineret med passatvindsændringer, begrænser effektivt skift af tropiske nedbørsmønstre

Den intertropiske konvergenszone (ITCZ), også kendt som dvalen, er et af de dramatiske træk ved Jordens klimasystem. Fremtrædende nok til at blive set fra rummet, ITCZ vises på satellitbilleder som et bånd af lyse skyer rundt om troperne. Her, fugtig varm luft ophobes i dette atmosfæriske område nær ækvator, hvor havet og atmosfæren interagerer stærkt. Intens solstråling og ro, varmt havvand producerer et område med høj luftfugtighed, opstigende luft, og nedbør, som fødes af konvergerende passatvinde fra den nordlige og sydlige halvkugle. Den konvektionerede luft danner klynger af tordenvejr, der er karakteristiske for ITCZ, frigiver varme, før de bevæger sig væk fra ITCZ ​​- mod polerne - afkøling og nedadgående i subtroperne. Denne cirkulation fuldender Hadley-cellerne i ITCZ, som spiller en vigtig rolle i at balancere Jordens energibudget - transporterer energi mellem halvkuglerne og væk fra ækvator.

Imidlertid, positionen af ​​ITCZ ​​er ikke statisk. For at transportere denne energi, ITCZ- og Hadley-cellerne skifter sæsonmæssigt mellem den nordlige og sydlige halvkugle, bor i den, der er stærkest opvarmet fra solen og strålevarme fra jordens overflade, som i gennemsnit årligt er den nordlige halvkugle. Disse skift kan ledsages af længere perioder med voldsomme storme eller alvorlig tørke, som i væsentlig grad påvirker menneskelige befolkninger, der lever på dens vej.

Forskere er derfor ivrige efter at forstå klimakontrollen, der driver nord-syd-bevægelsen af ​​ITCZ ​​i løbet af sæsoncyklussen, såvel som på tidsskalaer mellem år og tiår i Jordens palæoklimatologi frem til i dag. Forskere har traditionelt nærmet sig dette spørgsmål ud fra atmosfærens adfærd og forståelse af nedbør, men anekdotiske beviser fra modeller med et dynamisk hav har antydet, at havets følsomhed over for klimaændringer kan påvirke ITCZ's reaktion. Nu, en undersøgelse fra MIT kandidatstuderende Brian Green og Cecil og Ida Green professor i oceanografi John Marshall fra Program in Atmospheres, Oceaner og klima i MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) offentliggjort i American Meteorological Society's Tidsskrift for Klima , undersøger den rolle, havet spiller i at modulere ITCZ's position og værdsætter dets følsomhed, når den nordlige halvkugle opvarmes. Ved at gøre sådan, arbejdet giver klimaforskere en bedre forståelse af, hvad der forårsager ændringer i tropisk nedbør.

"I løbet af det sidste årti eller deromkring har der været en masse forskning, der studerer kontroller på den nord-sydlige position af ITCZ, især ud fra dette energibalanceperspektiv. ... Og dette er normalt blevet gjort i sammenhæng med at ignorere justeringen af ​​havcirkulationen – havcirkulationen tvinger enten disse [ITCZ] skift eller reagerer passivt på ændringer i atmosfæren ovenfor, " siger Green. "Men vi ved, især i troperne, at havcirkulationen er meget tæt koblet gennem passatvindene til atmosfærisk cirkulation og ITCZ-positionen, så det, vi ville gøre, var at undersøge, hvordan den havcirkulation kunne give feedback på energibalancen, der styrer den ITCZ-position, og hvor stærk den feedback kan være."

For at undersøge dette, Green og Marshall udførte eksperimenter i en global klimamodel med en koblet atmosfære og hav, og observerede, hvordan havcirkulationens tværækvatoriale energitransport og dens tilknyttede overfladeenergistrømme påvirkede ITCZ's reaktion, når de påførte en inter-hemisfærisk varmekontrast. Ved at bruge en forenklet model, der udelod landmasser, skyer, og monsundynamik, samtidig med at en fuldt cirkulerende atmosfære, der interagerer med stråling, fremhævede havets effekt, mens andre forvirrende variabler, der kunne maskere resultaterne, blev minimeret. Tilføjelsen af ​​nord-sydlige havrygge, skabe et stort og lille bassin, efterlignede opførselen af ​​Jordens Atlanterhavs meridionale væltende cirkulation og Stillehavet.

Green og Marshall kørte derefter de asymmetrisk opvarmede planetsimuleringer i to havkonfigurationer og sammenlignede ITCZ-svarene. Den første brugte et stationært "pladehav, "hvor de termiske egenskaber blev specificeret, så den efterlignede den fuldt koblede model før forstyrrelse, men var ude af stand til at reagere på opvarmningen. Den anden inkorporerede en dynamisk havcirkulation. Ved at tvinge modellerne identisk, de kunne kvantificere havcirkulationens indvirkning på ITCZ.

"Vi fandt i tilfældet, hvor der er en fuldt koblet, dynamisk hav, det nordlige skift af ITCZ ​​blev dæmpet med en faktor fire sammenlignet med det passive hav. Så det antyder, at havet er en af ​​de førende kontroller på positionen af ​​ITCZ, " siger Green. "Det er en betydelig dæmpning af atmosfærens reaktion, og årsagen bag dette kan bare diagnosticeres ud fra den energibalance."

I den dynamiske havmodel, de fandt ud af, at når de opvarmer den simulerede havdækkede planet, hvirvler eksporterer noget varme til den tropiske atmosfære fra de ekstra-tropiske områder, hvilket får Hadley-cellerne til at reagere - cellen på den nordlige halvkugle svækkes og cellen på den sydlige halvkugle til at styrke. Dette transporterer varme sydpå gennem atmosfæren. Sideløbende ITCZ skifter nordpå; forbundet med dette er ændringer i passatvindene - overfladegrenen af ​​Hadley-cellerne - og overfladevindspændingen nær ækvator. Overfladehavet mærker denne ændring i vinden, som aktiverer en unormal havcirkulation og flytter vandmassen sydpå henover ækvator i begge halvkugler, bærer varme med sig. Når først dette overfladevand når de ekstra troper, havet pumper det nedad, hvor det vender tilbage mod nord over ækvator, køligere og i dybden. Denne temperaturkontrast mellem den varme overflade på tværs af ækvatorialstrømningen og den køligere dybere returstrøm sætter den varme, der transporteres af havcirkulationen.

"I sagen om pladehav, kun atmosfæren kan flytte varme hen over ækvator; hvorimod i vores fuldt koblede tilfælde, vi ser, at havet er den mest kompenserende komponent i systemet, transporterer størstedelen af ​​kraften hen over ækvator." Green siger. "Så fra atmosfærens perspektiv, det mærker ikke engang den fulde effekt af den opvarmning, som vi pålægger. Og som et resultat, den skal transportere mindre varme over ækvator og flytte ITCZ ​​mindre." Green tilføjer, at reaktionen fra det store havbassin-cirkulation stort set efterligner Det Indiske Oceans årlige gennemsnitlige cirkulation.

Marshall bemærker, at den vinddrevne havcirkulations evne til at dæmpe ITCZ-skift repræsenterer en hidtil ikke værdsat begrænsning for atmosfærens energibudget:"Vi viste, at ITCZ ​​ikke kan bevæge sig meget langt væk fra ækvator, selv i meget 'ekstreme' klimaer, "hvilket indikerer, at positionen af ​​ITCZ ​​kan være meget mindre følsom over for inter-hemisfæriske varmekontraster end tidligere antaget."

Green og Marshall udvider i øjeblikket dette arbejde. Med hjælp fra David McGee, Kerr-Mcgee Career Development Assistant Professor i EAPS, og postdoc Eduardo Moreno-Chamarro, parret anvender dette på palæoklima-rekorden under Heimrich-begivenheder, når Jorden oplever kraftig afkøling, leder efter ITCZ-skift.

De undersøger også nedbrydningen af ​​varme og massetransport mellem atmosfæren og havet, samt mellem jordens oceaner. "Fysikken, der styrer hvert af disse oceaners reaktioner, er dramatisk forskellige, sikkert mellem Stillehavet og Atlanterhavet, " siger Green. "Lige nu, vi arbejder på at forstå, hvordan massetransporterne af atmosfæren og havet er koblet sammen. Selvom vi ved, at de er tvunget til at vælte i samme forstand, de er faktisk ikke tvunget til at transportere en identisk mængde masse, så du kan yderligere forbedre eller svække dæmpningen af ​​havcirkulationen ved at påvirke, hvor stærkt massetransporterne er koblet sammen."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.