我們的探險計劃不如預期的第一個跡象是凌晨2點船隻舷內發動機突然發出爆裂聲並停止。寂靜的聲音從未如此令人不安。突然，乘坐一艘來自北太平洋馬紹爾群島的小漁船穿越茫茫大海似乎是一個不明智的選擇。一場通往科學前沿的旅程將我們帶到了另一個完全不同的前沿，一片廣闊的黑暗，偶爾被拍岸的波浪聲打破。
我們是氣候科學家，我們的航行（最終安全結束）是眾多航行之一，旨在幫助我們完成乍一看似乎不可能的事情：重建跨越海洋的歷史降雨量。透過追溯這段歷史，我們可以更好地理解大氣中溫室氣體持續累積、氣溫上升和熱帶降水變化可能如何改變未來的氣候模式。我們已經遠赴太平洋各地的眾多島嶼。
一些當今的氣候模式是眾所周知的，例如太平洋的厄爾尼諾和拉尼娜環流。一個鮮為人知但同樣重要的模式是地球上主要的降水特徵：一條熱帶地區的強降雨帶，它環繞地球，並隨著太陽的角度季節性地向北或向南移動。它移動的區域被稱為熱帶輻合帶（ITCZ）。
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地球溫度的任何變化，無論是由於入射太陽輻射還是溫室氣體造成的，都會影響雨帶，雨帶提供的降水滋養著赤道農業。該雨帶還在亞洲、非洲和印度的季風以及將熱量從赤道輸送到兩極的大型對流單元中發揮著核心作用。厄爾尼諾和拉尼娜事件的頻率和強度，以及太平洋和大西洋颶風季節的強度和持續時間，都可能受到雨帶位置變化的影響。雨帶永久性移動導致的降雨變化將極大地改變赤道環境，其影響將波及全球。我們有充分的理由相信雨帶正在移動。
直到最近，氣候科學家還不知道目前雨帶中線的年變化範圍——太平洋上北緯3°至北緯10°——是否是其歷史範圍。但是，現在來自熱帶輻合帶附近緯度的實地測量結果使我們的同事和我們能夠確定雨帶在過去1200年中的移動情況。從大約400年前到今天，發生了五度向北的大幅度移動——約550公里。這一移動的發現讓我們意識到了一個驚人的事實：溫室效應的微小增加可以從根本上改變熱帶降雨。我們現在可以預測，隨著大氣進一步變暖，熱帶輻合帶將在2100年之前移動到哪裡。我們還可以預測全球赤道地區的降雨量可能會增加還是減少，亞洲、中美洲和美國南部地區可能受到的影響，以及這些變化可能對天氣和糧食生產意味著什麼。一些地方可能會受益，但我們擔心，許多其他地方將面臨乾旱時期。
中世紀的未知
在我們開始繪製降雨歷史圖之前，科學家們幾乎沒有關於過去一千年熱帶輻合帶位置的資料。雨帶在赤道附近徘徊，但它可能寬達數十或數百公里，具體取決於當地條件和季節性陽光。由於該區域在太平洋上非常明顯，因此該區域是追蹤其移動的理想選擇。而且由於雨帶環繞地球，太平洋的趨勢表明全球變化。
科學家可以從樹木年輪中的碳14和冰芯中的鈹10等同位素中分析太陽的強度，並可以從極地地區提取的管狀冰芯中捕獲的氣泡中重建全球溫室氣體的歷史分佈。透過比較太陽輸出和溫室氣體水平與幾個世紀以來熱帶輻合帶的位置，我們可以推斷出21世紀熱帶降雨可能如何響應不斷增加的溫室氣體排放而變化。
聰明的調查人員已經確定了過去一千年全球溫度的許多不同指標。其中兩個時期尤為突出。大約公元800年，全球溫度與19世紀後期相似。然後在中古溫暖時期（公元800-1200年）溫度升高，達到與20世紀溫度相似的水平。在小冰河時期（公元1400-1850年），溫度逐漸穩定並下降。在過去的二十年中，太陽的輸出基本保持不變，但溫度和二氧化碳（最豐富的人造溫室氣體）的水平都已顯著高於過去1200年中的任何時候。
然而，當我們開始工作時，大氣科學家對過去的熱帶氣候知之甚少。海底沉積物可以提供數千年時間尺度上氣候的精美記錄，但積累速度太慢，無法記錄過去1000年的太多資訊。許多珊瑚會產生年輪，但這些生物的壽命很少超過300年，無法提供300至1000年前的記錄。
繪製降雨量圖將使我們能夠填補過去一千年熱帶輻合帶位置的缺失資訊。通常，一旦降雨落入海洋，就無法確定降雨量。但是，散佈在太平洋上的小島嶼有封閉的湖泊和池塘，可以揭示歷史。在過去的六年裡，我們從太平洋一些最偏遠、最具異國情調的島嶼上的此類水域底部收集了數十個沉積物巖芯。這些地點橫跨當前雨帶上方、下方和內部的緯度範圍，並完全橫跨太平洋。我們可以透過精確定位在特定時期在不同緯度經歷強降雨的地方來確定雨帶在給定時期所處的位置。同時發生的降雨量增加和減少，無論是向北還是向南，都表明雨帶在整個海洋範圍內發生了共同的移動。
野外工作是一場充滿挫折、裝置問題、語言障礙和難以到達沉積物取芯地點的冒險。例如，當我們到達馬朱羅首都時，當地航空公司馬紹爾群島航空（當地人親切地稱為“也許航空”）的兩架飛機機隊中有兩架飛機損壞。早些時候提到的為期兩天的旅行，目的是測試當地一位企業家的改裝漁船，這艘船看起來非常不適航，最終在我們從附近環礁過夜返回時發動機熄火而結束。
為了取回未受干擾的沉積物巖芯，我們將長管子推入、敲擊並擰入湖底。我們取芯的幾乎每個地點都有獨特的沉積物序列。有時我們會發現幾米厚的鮮紅色凝膠狀層，由藍藻組成，就像華盛頓島湖中那樣。有時沉積物是富含硫化氫的棕色泥漿（讀作：它很臭！），其中含有紅樹林葉片碎片和偶爾的雙殼貝殼層，就像在帛琉一樣。
當我們徒步跋涉在泥濘中並在淺水中划船時，我們會將長杆推入沉積物中以測試深度，並檢視是否有障礙物潛伏。由於撞到岩石、古代珊瑚、沙子或樹根而中止取芯嘗試的情況並不少見。
由於沉積物沉積速率變化很大，我們不知道需要深入到什麼程度。一般來說，一米沉積物至少可以追溯到幾百年前：例如，來自華盛頓島的九米沉積物跨越了3200年。如果可能，我們嘗試在巖芯底部撞擊“基岩”：沉積的沙子、珊瑚或火山岩標誌著湖泊首次開始積累沉積物的時間，以便我們可以獲得最完整的歷史氣候記錄。
秘密在於脂質
重建降雨量是我們的目標，但我們必須測量當前氣候下的生態系統特徵，才能知道過去環境的相同測量結果揭示了過去氣候的什麼資訊。因此，我們收集不同深度的水樣，以確定水的化學成分和氫同位素比率，以及藻類和微生物種群的特徵。我們將浮游植物、浮游動物和微生物捕獲在細密的玻璃纖維過濾器上，然後立即將它們儲存在冰上，以便我們稍後分析它們的脂質組成。從附近採集植被樣本，以評估其脂質。
在我們小心地將巖芯從湖底取出後，我們必須在不擾亂沉積物的情況下將樣品帶回實驗室。為了避免混合巖芯的各層，我們仔細地將最上層的沉積物（特別柔軟）“分段”成一釐米厚的切片，並將每個切片儲存在標記好的塑膠袋中。
一旦我們在現場對巖芯進行分段，我們就返回西雅圖，回到我們在華盛頓大學的實驗室，運送裝滿沉積物和水樣的成堆冰櫃，以及裝滿不需要裝袋的巖芯段的長紙板箱。透過測量儲存在連續更深層沉積物中的藻類脂質中氫的兩種穩定同位素，並追溯樣品的時間，我們可以推斷出當這些植物群生存時發生的降雨量。
溼潤地區變得乾燥
多年來，我們向越來越精確的地圖添加了更多資料，這些資料精確地指出了熱帶輻合帶的歷史位置，並且我們不斷用最新的結果更新它。儘管我們最近一次前往密克羅尼西亞科斯雷島的探險結果還需要幾個月才能分析出來，但多次旅行的結果，以及同事的資料，表明大氣熱量的微小變化伴隨著小冰河時期熱帶降雨的巨大變化，使以前溼潤的地區（如帛琉）變得乾燥，併為以前乾旱的地區（如加拉帕戈斯群島）帶來了豐沛的降雨。當到達大氣層頂部的太陽能減少僅十分之二個百分點約100年時，熱帶輻合帶向南移動了500公里，靠近赤道。
這種敏感性對我們的未來不利。《政府間氣候變化專門委員會》預測，由於主要是汽車尾氣和煙囪排放，到本世紀中葉，大氣二氧化碳濃度將上升到工業化前水平的兩倍，到2100年將上升到三倍，導致大氣升溫增加兩到三倍，超過僅由日照增加導致的小冰河時期末期的變化。
在小冰河時期，雨帶中線保持在北緯5°以南。今天，它徘徊在北緯3°至北緯10°之間。最近溫室氣體的增加威脅著在2100年之前將雨帶中心再向北移動五度——550公里。這個新位置（北緯8°至北緯15°）將顯著改變許多地區的降雨強度。
潛在變化的證據來自我們在島嶼上的發現。位於北緯5°的華盛頓島現在每年降雨量為三米，但400年前，它的降雨量不到一米，蒸發量更大。相反，在小冰河時期，沙漠般的加拉帕戈斯群島中位於南緯1°的聖克里斯托瓦爾島高地明顯更溼潤。
考古學家的證據也很有幫助。他們得出結論，在印度尼西亞和南太平洋的島嶼上，防禦工事的大量增加與熱帶輻合帶位置的最後一次大規模南移同時發生。大部分防禦工事——抵禦鄰近社會入侵的石頭建築——建於小冰河時期開始到結束期間。隨著雨帶向南移動，留在其北部尾跡中的島嶼變得乾燥，可能迫使居民逃往更南端的島嶼，從而引起當地人民對入侵的擔憂。
今天，海水淡化技術和航運便利性減輕了對降雨的嚴格依賴，但雨帶再向北移動五度將危及居住在赤道附近並依賴自給農業的數億人，更不用說熱帶生物多樣性了。當前範圍內的多數國家是發展中國家。在本世紀，它們的人口可能會大幅增加，並且不太可能擁有成功適應的資源。降雨量減少，一方面是洪水，另一方面，在幾十年甚至幾年內，都會降低作物產量，導致區域性地區糧食短缺、政治動盪，並最終導致地理位置轉移。
首次直接位於熱帶輻合帶內的地區（北緯10°至北緯15°），如薩爾瓦多和菲律賓馬尼拉，每年的降雨量將會增加，並且會變得更加潮溼。不再受雨帶直接影響的地區（北緯3°至北緯8°）的降雨量將會減少，並且會變得更加乾旱。亞洲和印度季風的強度是否會在某些地方抵消這種乾燥效應，這是一個有爭議的問題。
咖啡減少，香蕉減少
總體而言，印度尼西亞北部、馬來西亞、菲律賓、密克羅尼西亞、泰國和柬埔寨的溼潤地區將錯過它們現在接收的大部分熱帶輻合帶降雨。適合當今生長條件的作物品種將不再繁榮。例如，咖啡植物很像葡萄園，在生長季節開始時需要大量降雨，並且總共需要超過1.8米的降雨才能長出合適的咖啡豆。
在中美洲，厄瓜多和哥倫比亞將被留在熱帶輻合帶的尾跡中，變得更加乾燥。哥倫比亞的城市化程序加快可能有助於它應對，因為它的經濟不再像以前那樣高度依賴農業。然而，哥倫比亞是世界第三大咖啡生產國，與印度尼西亞一樣，降水減少可能會影響咖啡的長期產量。咖啡豆的大部分種植區都位於北緯8°以南，很可能會在21世紀中後期受到影響。南部和沿海的生產區域風險最大，因為它們將離雨帶最遠。
厄瓜多香蕉產業的未來可能黯淡。優質香蕉需要溫暖的溫度和每年2至2.5米的降雨量，但厄瓜多已經遠低於當前的熱帶輻合帶，並且勉強達到最低降雨量閾值。這種變化可能會使到2100年降雨量減少到每年一米或更少，從而關閉該國的香蕉產業。香蕉產量的大幅下降可能發生得非常快。在2010年初的菲律賓，大約一半的種植園生產的香蕉又小又輕，在商業上毫無用處，因為那裡的旱季異常。
自給農業也會在上述所有地點受到影響。即使人們湧向城市，區域糧食來源的匱乏也是災難的根源。
如果雨帶繼續以過去400年來的平均速度向北移動，那麼美國大陸的降雨量也可能發生重大變化。一些變化可能已經開始。美國西南部正遭受多年嚴重乾旱，如果溫室氣體水平繼續快速上升，這很可能代表21世紀的新常態模式。更高的溫度和雨帶持續向北移動，威脅著將其北部的亞熱帶乾燥帶轉移到該國這一地區，該乾燥帶目前橫跨墨西哥北部。
科學家尚不清楚向北移動是否會影響颶風或季風的頻率或規模。我們尚未確定對厄爾尼諾和拉尼娜模式的任何可能影響。
更好的模型即將出現
在有把握地發出警報之前，還需要做更多的工作。基於計算機的氣候模型尚未準確地再現過去和現在的熱帶降雨模式。如果建模者可以使用來自沉積物巖芯和其他來源的資料來生成更接近已知模式的模式，那麼世界將更有信心對未來降雨量進行預測。我們的華盛頓大學和其他地方的同事正在進行這種型別的實驗。
我們將繼續研究來自熱帶輻合帶以及其北部和南部的熱帶島嶼的沉積物，以更精確地定義整個過去一千年雨帶的位置，並預測它將在未來幾代人中的位置。