De Intertropische Convergentie Zone (ITCZ), ook wel de doldrums genoemd, is een van de dramatische kenmerken van het klimaatsysteem van de aarde. Prominent genoeg om vanuit de ruimte te worden gezien, de ITCZ ​​verschijnt in satellietbeelden als een band van heldere wolken rond de tropen. Hier, vochtige warme lucht hoopt zich op in dit atmosferische gebied nabij de evenaar, waar de oceaan en de atmosfeer sterk op elkaar inwerken. Intense zonnestraling en rust, warme oceaanwateren produceren een gebied met een hoge luchtvochtigheid, stijgende lucht, en regen, die wordt gevoed door convergerende passaatwinden van het noordelijk en zuidelijk halfrond. De convectielucht vormt clusters van onweersbuien die kenmerkend zijn voor de ITCZ, warmte afgeven voordat hij weggaat van de ITCZ ​​- in de richting van de polen - afkoelt en afdaalt in de subtropen. Deze circulatie voltooit de Hadley-cellen van de ITCZ, die een belangrijke rol spelen bij het in evenwicht brengen van het energiebudget van de aarde - het transporteren van energie tussen de hemisferen en weg van de evenaar.

Echter, de positie van de ITCZ ​​is niet statisch. Om deze energie te transporteren, de ITCZ- en Hadley-cellen wisselen per seizoen tussen het noordelijk en zuidelijk halfrond, woonachtig in degene die het sterkst wordt verwarmd door de zon en stralingswarmte van het aardoppervlak, wat gemiddeld per jaar het noordelijk halfrond is. Deze verschuivingen kunnen gepaard gaan met langdurige periodes van hevige stormen of ernstige droogte, die een aanzienlijke impact heeft op de menselijke populaties die op zijn pad leven.

Wetenschappers willen daarom graag de klimaatbeheersing begrijpen die de noord-zuidbeweging van de ITCZ ​​tijdens de seizoenscyclus aandrijft, evenals op interjaarlijkse tot decadale tijdschalen in de paleoklimatologie van de aarde tot vandaag. Onderzoekers hebben dit probleem traditioneel benaderd vanuit het perspectief van het gedrag van de atmosfeer en het begrijpen van regenval, maar anekdotisch bewijs van modellen met een dynamische oceaan heeft gesuggereerd dat de gevoeligheid van de oceaan voor klimaatveranderingen de reactie van de ITCZ ​​zou kunnen beïnvloeden. Nutsvoorzieningen, een studie van MIT-afgestudeerde student Brian Green en de Cecil en Ida Green hoogleraar Oceanografie John Marshall van het Program in Atmospheres, Oceanen en klimaat in MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) gepubliceerd in de American Meteorological Society's Tijdschrift voor Klimaat , onderzoekt de rol die de oceaan speelt bij het moduleren van de positie van de ITCZ ​​en waardeert de gevoeligheid ervan wanneer het noordelijk halfrond wordt verwarmd. Door dit te doen, het werk geeft klimaatwetenschappers een beter begrip van de oorzaken van veranderingen in tropische regenval.

"In de afgelopen tien jaar is er veel onderzoek gedaan naar controles op de noord-zuidpositie van de ITCZ, vooral vanuit dit perspectief van de energiebalans. ... En dit is normaal gedaan in de context van het negeren van de aanpassing van de oceaancirculatie - de oceaancirculatie dwingt deze [ITCZ] verschuivingen af ​​of reageert passief op veranderingen in de atmosfeer erboven, " zegt Green. "Maar we weten, vooral in de tropen, dat de oceaancirculatie via de passaatwinden zeer nauw is gekoppeld aan de atmosferische circulatie en de ITCZ-positie, dus wat we wilden doen was onderzoeken hoe die oceaancirculatie feedback zou kunnen geven op de energiebalans die die ITCZ-positie regelt, en hoe sterk die feedback kan zijn."

Om dit te onderzoeken, Green en Marshall voerden experimenten uit in een wereldwijd klimaatmodel met een gekoppelde atmosfeer en oceaan, en observeerde hoe het cross-equatoriale energietransport van de oceaancirculatie en de bijbehorende oppervlakte-energiefluxen de reactie van de ITCZ ​​beïnvloedden toen ze een interhemisferisch verwarmingscontrast oplegden. Met behulp van een vereenvoudigd model dat landmassa's wegliet, wolken, en moessondynamiek, terwijl het behoud van een volledig circulerende atmosfeer die interageert met straling, het effect van de oceaan benadrukte, terwijl andere verstorende variabelen die de resultaten konden maskeren, werden geminimaliseerd. De toevoeging van noord-zuid oceaanruggen, het creëren van een groot en klein bassin, imiteerde het gedrag van de meridionale kantelende circulatie van de Atlantische Oceaan en de Stille Oceaan.

Green en Marshall voerden vervolgens de asymmetrisch verwarmde planeetsimulaties uit in twee oceaanconfiguraties en vergeleken de ITCZ-reacties. De eerste gebruikte een stationaire "plaatoceaan, " waar de thermische eigenschappen werden gespecificeerd zodat het het volledig gekoppelde model vóór verstoring nabootste, maar kon niet reageren op de verwarming. De tweede omvatte een dynamische oceaancirculatie. Door de modellen identiek te forceren, ze zouden de impact van de oceaancirculatie op de ITCZ ​​kunnen kwantificeren.

"We vonden in het geval dat er een volledig gekoppelde, dynamische oceaan, de noordwaartse verschuiving van de ITCZ ​​werd gedempt met een factor vier in vergelijking met de passieve oceaan. Dus dat suggereert dat de oceaan een van de belangrijkste controlemechanismen is voor de positie van de ITCZ, " zegt Green. "Het is een aanzienlijke demping van de reactie van de atmosfeer, en de reden hierachter kan gewoon worden gediagnosticeerd uit die energiebalans."

In het dynamische oceaanmodel ze ontdekten dat wanneer ze de gesimuleerde met oceaan bedekte planeet verwarmen, wervels exporteren wat warmte naar de tropische atmosfeer vanuit de extra-tropen, waardoor de Hadley-cellen reageren - de cel op het noordelijk halfrond verzwakt en de cel op het zuidelijk halfrond wordt sterker. Dit transporteert warmte naar het zuiden door de atmosfeer. gelijktijdig, de ITCZ ​​verschuift naar het noorden; hiermee geassocieerd zijn veranderingen in de passaatwinden - de oppervlaktetak van de Hadley-cellen - en de oppervlaktewindstress nabij de evenaar. De oppervlakte oceaan voelt deze verandering in wind, die een abnormale oceaancirculatie activeert en de watermassa naar het zuiden over de evenaar op beide halfronden verplaatst, warmte met zich mee. Zodra dit oppervlaktewater de extratropen bereikt, de oceaan pompt het naar beneden waar het terugkeert naar het noorden over de evenaar, koeler en op diepte. Dit temperatuurcontrast tussen de warme oppervlaktestroom over de evenaar en de koelere diepere retourstroom bepaalt de warmte die door de oceaancirculatie wordt getransporteerd.

"In het geval van de plaatoceaan, alleen de atmosfeer kan warmte over de evenaar verplaatsen; terwijl in ons volledig gekoppelde geval, we zien dat de oceaan de meest compenserende component van het systeem is, het grootste deel van de kracht over de evenaar transporteren.' Green zegt. 'Dus vanuit het perspectief van de atmosfeer, het voelt niet eens het volledige effect van die verwarming die we opleggen. En als een resultaat, het hoeft minder warmte over de evenaar te transporteren en de ITCZ ​​minder te verschuiven." Green voegt eraan toe dat de reactie van de oceaancirculatie in het grote bekken in grote lijnen de jaarlijkse gemiddelde circulatie van de Indische Oceaan nabootst.

Marshall merkt op dat het vermogen van de door de wind aangedreven oceaancirculatie om ITCZ-verschuivingen te dempen een voorheen niet gewaardeerde beperking van het energiebudget van de atmosfeer vertegenwoordigt:"We hebben laten zien dat de ITCZ ​​niet ver van de evenaar kan bewegen, zelfs in zeer 'extreme' klimaten, " wat aangeeft dat de positie van de ITCZ ​​mogelijk veel minder gevoelig is voor interhemisferische verwarmingscontrasten dan eerder werd gedacht."

Green en Marshall breiden dit werk momenteel uit. Met de hulp van David McGee, de Kerr-Mcgee assistent-professor loopbaanontwikkeling in EAPS, en postdoc Eduardo Moreno-Chamarro, het paar past dit toe op het paleoklimaatrecord tijdens Heimrich-evenementen, wanneer de aarde sterke afkoeling ervaart, op zoek naar ITCZ-ploegen.

Ze onderzoeken ook de ontbinding van warmte en massatransport tussen de atmosfeer en de oceaan, evenals tussen de oceanen van de aarde. "De fysica die de reacties van elk van die oceanen controleert, is dramatisch verschillend, zeker tussen de Stille en de Atlantische Oceaan, " zegt Green. "Op dit moment, we proberen te begrijpen hoe de massatransporten van de atmosfeer en de oceaan zijn gekoppeld. Hoewel we weten dat ze in dezelfde zin gedwongen zijn om te kantelen, ze zijn niet echt verplicht om een ​​identieke hoeveelheid massa te vervoeren, dus je zou de demping door de oceaancirculatie verder kunnen versterken of verzwakken door te beïnvloeden hoe sterk de massatransporten zijn gekoppeld."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.