La Zona di Convergenza Intertropicale (ITCZ), noto anche come stasi, è una delle caratteristiche drammatiche del sistema climatico terrestre. Abbastanza prominente da essere visto dallo spazio, l'ITCZ appare nelle immagini satellitari come una fascia di nuvole luminose intorno ai tropici. Qui, l'aria calda umida si accumula in questa regione atmosferica vicino all'equatore, dove l'oceano e l'atmosfera interagiscono pesantemente. Intensa radiazione solare e calma, le calde acque oceaniche producono un'area di elevata umidità, aria ascendente, e pioggia, che è alimentato dagli alisei convergenti dagli emisferi nord e sud. L'aria convettiva forma grappoli di temporali caratteristici dell'ITCZ, rilasciando calore prima di allontanarsi dall'ITCZ, verso i poli, raffreddandosi e scendendo nelle regioni subtropicali. Questa circolazione completa le cellule di Hadley dell'ITCZ, che svolgono un ruolo importante nell'equilibrare il bilancio energetico della Terra, trasportando energia tra gli emisferi e lontano dall'equatore.

Però, la posizione dell'ITCZ non è statica. Per trasportare questa energia, le cellule ITCZ ​​e Hadley si spostano stagionalmente tra gli emisferi settentrionale e meridionale, risiedendo in quello che è più fortemente riscaldato dal sole e il calore radiante dalla superficie terrestre, che in media all'anno è l'emisfero settentrionale. Ad accompagnare questi spostamenti possono esserci periodi prolungati di violente tempeste o grave siccità, che ha un impatto significativo sulle popolazioni umane che vivono sul suo cammino.

Gli scienziati sono quindi desiderosi di comprendere i controlli climatici che guidano il movimento nord-sud dell'ITCZ nel ciclo stagionale, così come su scale temporali da interannuali a decadali nella paleoclimatologia terrestre fino ad oggi. I ricercatori hanno tradizionalmente affrontato questo problema dal punto di vista del comportamento dell'atmosfera e della comprensione delle precipitazioni, ma prove aneddotiche provenienti da modelli con un oceano dinamico hanno suggerito che la sensibilità dell'oceano ai cambiamenti climatici potrebbe influenzare la risposta dell'ITCZ. Ora, uno studio dello studente laureato del MIT Brian Green e del Cecil and Ida Green Professor of Oceanography John Marshall del Program in Atmospheres, Oceani e clima nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS) pubblicato nell'American Meteorological Society's Giornale del clima , indaga il ruolo che l'oceano svolge nel modulare la posizione dell'ITCZ e ne apprezza la sensibilità quando l'emisfero settentrionale è riscaldato. Così facendo, il lavoro offre agli scienziati del clima una migliore comprensione di ciò che provoca cambiamenti nelle precipitazioni tropicali.

"Negli ultimi dieci anni circa ci sono state molte ricerche che studiano i controlli sulla posizione nord-sud dell'ITCZ, in particolare da questa prospettiva di bilancio energetico. ... E questo è stato normalmente fatto ignorando la regolazione della circolazione oceanica:la circolazione oceanica sta forzando questi cambiamenti [ITCZ] o risponde passivamente ai cambiamenti nell'atmosfera sopra, " dice Green. "Ma lo sappiamo, soprattutto ai tropici, che la circolazione oceanica è strettamente collegata attraverso gli alisei alla circolazione atmosferica e alla posizione ITCZ, quindi quello che volevamo fare era indagare come quella circolazione oceanica potesse avere un feedback sul bilancio energetico che controlla quella posizione ITCZ, e quanto forte potrebbe essere quel feedback."

Per esaminare questo, Green e Marshall hanno eseguito esperimenti in un modello climatico globale con atmosfera e oceano accoppiati, e osservato come il trasporto di energia cross-equatoriale della circolazione oceanica e i suoi flussi energetici di superficie associati hanno influenzato la risposta dell'ITCZ quando hanno imposto un contrasto di riscaldamento interemisferico. Utilizzando un modello semplificato che ha omesso le masse continentali, nuvole, e la dinamica dei monsoni, pur mantenendo un'atmosfera completamente circolante che interagisce con le radiazioni ha evidenziato l'effetto dell'oceano mentre ha ridotto al minimo altre variabili confondenti che potrebbero mascherare i risultati. L'aggiunta di dorsali oceaniche nord-sud, creando un bacino grande e uno piccolo, imitava il comportamento della circolazione rovesciata dell'Atlantico terrestre e dell'Oceano Pacifico.

Green e Marshall hanno quindi eseguito le simulazioni di pianeti riscaldati asimmetricamente in due configurazioni oceaniche e hanno confrontato le risposte ITCZ. Il primo usava un "oceano di lastre" stazionario, " dove le proprietà termiche sono state specificate in modo da imitare il modello completamente accoppiato prima della perturbazione, ma non è stato in grado di rispondere al riscaldamento. Il secondo incorporava una circolazione oceanica dinamica. Forzando i modelli in modo identico, potrebbero quantificare l'impatto della circolazione oceanica sull'ITCZ.

"Abbiamo trovato nel caso in cui c'è un completamente accoppiato, oceano dinamico, lo spostamento verso nord dell'ITCZ è stato smorzato di un fattore quattro rispetto all'oceano passivo. Quindi questo suggerisce che l'oceano è uno dei principali controlli sulla posizione dell'ITCZ, " Dice Green. "È un significativo smorzamento della risposta dell'atmosfera, e la ragione di ciò può essere diagnosticata solo da quel bilancio energetico".

Nel modello oceanico dinamico, hanno scoperto che quando riscaldano il pianeta ricoperto di oceano simulato, i vortici esportano un po' di calore nell'atmosfera tropicale dagli extra-tropicali, che fa sì che le cellule di Hadley rispondano:la cellula dell'emisfero settentrionale si indebolisce e la cellula dell'emisfero meridionale si rafforza. Questo trasporta il calore verso sud attraverso l'atmosfera. Simultaneamente, l'ITCZ si sposta verso nord; associati a questo sono i cambiamenti negli alisei - il ramo superficiale delle celle di Hadley - e lo stress del vento superficiale vicino all'equatore. L'oceano di superficie sente questo cambiamento nei venti, che stimola una circolazione oceanica anomala e sposta la massa d'acqua verso sud attraverso l'equatore in entrambi gli emisferi, portando con sé il calore. Una volta che questa acqua superficiale raggiunge gli extra-tropicali, l'oceano lo pompa verso il basso dove ritorna verso nord attraverso l'equatore, più fresco e in profondità. Questo contrasto di temperatura tra il flusso cross-equatoriale della superficie calda e il flusso di ritorno più profondo e più freddo determina il calore trasportato dalla circolazione oceanica.

"Nel caso dell'oceano lastra, solo l'atmosfera può spostare il calore attraverso l'equatore; considerando che nel nostro caso completamente accoppiato, vediamo che l'oceano è il componente più fortemente compensatore del sistema, trasportando la maggior parte della forzatura attraverso l'equatore". Green dice. "Quindi, dal punto di vista dell'atmosfera, non sente nemmeno il pieno effetto di quel riscaldamento che stiamo imponendo. E come risultato, deve trasportare meno calore attraverso l'equatore e spostare meno l'ITCZ." Green aggiunge che la risposta della circolazione oceanica del grande bacino imita ampiamente la circolazione media annuale dell'Oceano Indiano.

Marshall osserva che la capacità della circolazione oceanica guidata dal vento di smorzare gli spostamenti dell'ITCZ rappresenta un vincolo precedentemente non apprezzato sul bilancio energetico dell'atmosfera:"Abbiamo dimostrato che l'ITCZ non può allontanarsi molto dall'equatore, anche in climi molto "estremi", "indicando che la posizione dell'ITCZ potrebbe essere molto meno sensibile ai contrasti di riscaldamento interemisferico di quanto si pensasse in precedenza."

Green e Marshall stanno attualmente espandendo questo lavoro. Con l'aiuto di David McGee, il Kerr-Mcgee Career Development Assistant Professor in EAPS, e postdoc Eduardo Moreno-Chamarro, la coppia sta applicando questo al record del paleoclima durante gli eventi di Heimrich, quando la Terra subisce un forte raffreddamento, alla ricerca di turni ITCZ.

Stanno anche studiando la decomposizione del calore e il trasporto di massa tra l'atmosfera e l'oceano, così come tra gli oceani della Terra. "La fisica che controlla ciascuna delle risposte di quegli oceani è drammaticamente diversa, certamente tra il Pacifico e l'Oceano Atlantico, " dice Green. "In questo momento, stiamo lavorando per capire come sono accoppiati i trasporti di massa dell'atmosfera e dell'oceano. Mentre sappiamo che sono costretti a ribaltarsi nello stesso senso, non sono effettivamente costretti a trasportare una quantità identica di massa, quindi potresti aumentare o indebolire ulteriormente lo smorzamento della circolazione oceanica influenzando la forza con cui i trasporti di massa sono accoppiati".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.