我们的探险计划不如预期的第一个迹象是凌晨2点船只舷内发动机突然发出爆裂声并停止。寂静的声音从未如此令人不安。突然，乘坐一艘来自北太平洋马绍尔群岛的小渔船穿越茫茫大海似乎是一个不明智的选择。一场通往科学前沿的旅程将我们带到了另一个完全不同的前沿，一片广阔的黑暗，偶尔被拍岸的波浪声打破。
我们是气候科学家，我们的航行（最终安全结束）是众多航行之一，旨在帮助我们完成乍一看似乎不可能的事情：重建跨越海洋的历史降雨量。通过追溯这段历史，我们可以更好地理解大气中温室气体持续累积、气温上升和热带降水变化可能如何改变未来的气候模式。我们已经远赴太平洋各地的众多岛屿。
一些当今的气候模式是众所周知的，例如太平洋的厄尔尼诺和拉尼娜环流。一个鲜为人知但同样重要的模式是地球上主要的降水特征：一条热带地区的强降雨带，它环绕地球，并随着太阳的角度季节性地向北或向南移动。它移动的区域被称为热带辐合带（ITCZ）。
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地球温度的任何变化，无论是由于入射太阳辐射还是温室气体造成的，都会影响雨带，雨带提供的降水滋养着赤道农业。该雨带还在亚洲、非洲和印度的季风以及将热量从赤道输送到两极的大型对流单元中发挥着核心作用。厄尔尼诺和拉尼娜事件的频率和强度，以及太平洋和大西洋飓风季节的强度和持续时间，都可能受到雨带位置变化的影响。雨带永久性移动导致的降雨变化将极大地改变赤道环境，其影响将波及全球。我们有充分的理由相信雨带正在移动。
直到最近，气候科学家还不知道目前雨带中线的年变化范围——太平洋上北纬3°至北纬10°——是否是其历史范围。但是，现在来自热带辐合带附近纬度的实地测量结果使我们的同事和我们能够确定雨带在过去1200年中的移动情况。从大约400年前到今天，发生了五度向北的大幅度移动——约550公里。这一移动的发现让我们意识到了一个惊人的事实：温室效应的微小增加可以从根本上改变热带降雨。我们现在可以预测，随着大气进一步变暖，热带辐合带将在2100年之前移动到哪里。我们还可以预测全球赤道地区的降雨量可能会增加还是减少，亚洲、中美洲和美国南部地区可能受到的影响，以及这些变化可能对天气和粮食生产意味着什么。一些地方可能会受益，但我们担心，许多其他地方将面临干旱时期。
中世纪的未知
在我们开始绘制降雨历史图之前，科学家们几乎没有关于过去一千年热带辐合带位置的数据。雨带在赤道附近徘徊，但它可能宽达数十或数百公里，具体取决于当地条件和季节性阳光。由于该区域在太平洋上非常明显，因此该区域是追踪其移动的理想选择。而且由于雨带环绕地球，太平洋的趋势表明全球变化。
科学家可以从树木年轮中的碳14和冰芯中的铍10等同位素中分析太阳的强度，并可以从极地地区提取的管状冰芯中捕获的气泡中重建全球温室气体的历史分布。通过比较太阳输出和温室气体水平与几个世纪以来热带辐合带的位置，我们可以推断出21世纪热带降雨可能如何响应不断增加的温室气体排放而变化。
聪明的调查人员已经确定了过去一千年全球温度的许多不同指标。其中两个时期尤为突出。大约公元800年，全球温度与19世纪后期相似。然后在中古温暖时期（公元800-1200年）温度升高，达到与20世纪温度相似的水平。在小冰河时期（公元1400-1850年），温度逐渐稳定并下降。在过去的二十年中，太阳的输出基本保持不变，但温度和二氧化碳（最丰富的人造温室气体）的水平都已显着高于过去1200年中的任何时候。
然而，当我们开始工作时，大气科学家对过去的热带气候知之甚少。海底沉积物可以提供数千年时间尺度上气候的精美记录，但积累速度太慢，无法记录过去1000年的太多信息。许多珊瑚会产生年轮，但这些生物的寿命很少超过300年，无法提供300至1000年前的记录。
绘制降雨量图将使我们能够填补过去一千年热带辐合带位置的缺失信息。通常，一旦降雨落入海洋，就无法确定降雨量。但是，散布在太平洋上的小岛屿有封闭的湖泊和池塘，可以揭示历史。在过去的六年里，我们从太平洋一些最偏远、最具异国情调的岛屿上的此类水域底部收集了数十个沉积物岩芯。这些地点横跨当前雨带上方、下方和内部的纬度范围，并完全横跨太平洋。我们可以通过精确定位在特定时期在不同纬度经历强降雨的地方来确定雨带在给定时期所处的位置。同时发生的降雨量增加和减少，无论是向北还是向南，都表明雨带在整个海洋范围内发生了共同的移动。
野外工作是一场充满挫折、设备问题、语言障碍和难以到达沉积物取芯地点的冒险。例如，当我们到达马朱罗首都时，当地航空公司马绍尔群岛航空（当地人亲切地称为“也许航空”）的两架飞机机队中有两架飞机损坏。早些时候提到的为期两天的旅行，目的是测试当地一位企业家的改装渔船，这艘船看起来非常不适航，最终在我们从附近环礁过夜返回时发动机熄火而结束。
为了取回未受干扰的沉积物岩芯，我们将长管子推入、敲击并拧入湖底。我们取芯的几乎每个地点都有独特的沉积物序列。有时我们会发现几米厚的鲜红色凝胶状层，由蓝藻组成，就像华盛顿岛湖中那样。有时沉积物是富含硫化氢的棕色泥浆（读作：它很臭！），其中含有红树林叶片碎片和偶尔的双壳贝壳层，就像在帕劳一样。
当我们徒步跋涉在泥泞中并在浅水中划船时，我们会将长杆推入沉积物中以测试深度，并查看是否有障碍物潜伏。由于撞到岩石、古代珊瑚、沙子或树根而中止取芯尝试的情况并不少见。
由于沉积物沉积速率变化很大，我们不知道需要深入到什么程度。一般来说，一米沉积物至少可以追溯到几百年前：例如，来自华盛顿岛的九米沉积物跨越了3200年。如果可能，我们尝试在岩芯底部撞击“基岩”：沉积的沙子、珊瑚或火山岩标志着湖泊首次开始积累沉积物的时间，以便我们可以获得最完整的历史气候记录。
秘密在于脂质
重建降雨量是我们的目标，但我们必须测量当前气候下的生态系统特征，才能知道过去环境的相同测量结果揭示了过去气候的什么信息。因此，我们收集不同深度的水样，以确定水的化学成分和氢同位素比率，以及藻类和微生物种群的特征。我们将浮游植物、浮游动物和微生物捕获在细密的玻璃纤维过滤器上，然后立即将它们储存在冰上，以便我们稍后分析它们的脂质组成。从附近采集植被样本，以评估其脂质。
在我们小心地将岩芯从湖底取出后，我们必须在不扰乱沉积物的情况下将样品带回实验室。为了避免混合岩芯的各层，我们仔细地将最上层的沉积物（特别柔软）“分段”成一厘米厚的切片，并将每个切片存储在标记好的塑料袋中。
一旦我们在现场对岩芯进行分段，我们就返回西雅图，回到我们在华盛顿大学的实验室，运送装满沉积物和水样的成堆冰柜，以及装满不需要装袋的岩芯段的长纸板箱。通过测量保存在连续更深层沉积物中的藻类脂质中氢的两种稳定同位素，并追溯样品的时间，我们可以推断出当这些植物群生存时发生的降雨量。
湿润地区变得干燥
多年来，我们向越来越精确的地图添加了更多数据，这些数据精确地指出了热带辐合带的历史位置，并且我们不断用最新的结果更新它。尽管我们最近一次前往密克罗尼西亚科斯雷岛的探险结果还需要几个月才能分析出来，但多次旅行的结果，以及同事的数据，表明大气热量的微小变化伴随着小冰河时期热带降雨的巨大变化，使以前湿润的地区（如帕劳）变得干燥，并为以前干旱的地区（如加拉帕戈斯群岛）带来了丰沛的降雨。当到达大气层顶部的太阳能减少仅十分之二个百分点约100年时，热带辐合带向南移动了500公里，靠近赤道。
这种敏感性对我们的未来不利。《政府间气候变化专门委员会》预测，由于主要是汽车尾气和烟囱排放，到本世纪中叶，大气二氧化碳浓度将上升到工业化前水平的两倍，到2100年将上升到三倍，导致大气升温增加两到三倍，超过仅由日照增加导致的小冰河时期末期的变化。
在小冰河时期，雨带中线保持在北纬5°以南。今天，它徘徊在北纬3°至北纬10°之间。最近温室气体的增加威胁着在2100年之前将雨带中心再向北移动五度——550公里。这个新位置（北纬8°至北纬15°）将显着改变许多地区的降雨强度。
潜在变化的证据来自我们在岛屿上的发现。位于北纬5°的华盛顿岛现在每年降雨量为三米，但400年前，它的降雨量不到一米，蒸发量更大。相反，在小冰河时期，沙漠般的加拉帕戈斯群岛中位于南纬1°的圣克里斯托瓦尔岛高地明显更湿润。
考古学家的证据也很有帮助。他们得出结论，在印度尼西亚和南太平洋的岛屿上，防御工事的大量增加与热带辐合带位置的最后一次大规模南移同时发生。大部分防御工事——抵御邻近社会入侵的石头建筑——建于小冰河时期开始到结束期间。随着雨带向南移动，留在其北部尾迹中的岛屿变得干燥，可能迫使居民逃往更南端的岛屿，从而引起当地人民对入侵的担忧。
今天，海水淡化技术和航运便利性减轻了对降雨的严格依赖，但雨带再向北移动五度将危及居住在赤道附近并依赖自给农业的数亿人，更不用说热带生物多样性了。当前范围内的多数国家是发展中国家。在本世纪，它们的人口可能会大幅增加，并且不太可能拥有成功适应的资源。降雨量减少，一方面是洪水，另一方面，在几十年甚至几年内，都会降低作物产量，导致局部地区粮食短缺、政治动荡，并最终导致地理位置转移。
首次直接位于热带辐合带内的地区（北纬10°至北纬15°），如萨尔瓦多和菲律宾马尼拉，每年的降雨量将会增加，并且会变得更加潮湿。不再受雨带直接影响的地区（北纬3°至北纬8°）的降雨量将会减少，并且会变得更加干旱。亚洲和印度季风的强度是否会在某些地方抵消这种干燥效应，这是一个有争议的问题。
咖啡减少，香蕉减少
总体而言，印度尼西亚北部、马来西亚、菲律宾、密克罗尼西亚、泰国和柬埔寨的湿润地区将错过它们现在接收的大部分热带辐合带降雨。适合当今生长条件的作物品种将不再繁荣。例如，咖啡植物很像葡萄园，在生长季节开始时需要大量降雨，并且总共需要超过1.8米的降雨才能长出合适的咖啡豆。
在中美洲，厄瓜多尔和哥伦比亚将被留在热带辐合带的尾迹中，变得更加干燥。哥伦比亚的城市化进程加快可能有助于它应对，因为它的经济不再像以前那样高度依赖农业。然而，哥伦比亚是世界第三大咖啡生产国，与印度尼西亚一样，降水减少可能会影响咖啡的长期产量。咖啡豆的大部分种植区都位于北纬8°以南，很可能会在21世纪中后期受到影响。南部和沿海的生产区域风险最大，因为它们将离雨带最远。
厄瓜多尔香蕉产业的未来可能黯淡。优质香蕉需要温暖的温度和每年2至2.5米的降雨量，但厄瓜多尔已经远低于当前的热带辐合带，并且勉强达到最低降雨量阈值。这种变化可能会使到2100年降雨量减少到每年一米或更少，从而关闭该国的香蕉产业。香蕉产量的大幅下降可能发生得非常快。在2010年初的菲律宾，大约一半的种植园生产的香蕉又小又轻，在商业上毫无用处，因为那里的旱季异常。
自给农业也会在上述所有地点受到影响。即使人们涌向城市，区域粮食来源的匮乏也是灾难的根源。
如果雨带继续以过去400年来的平均速度向北移动，那么美国大陆的降雨量也可能发生重大变化。一些变化可能已经开始。美国西南部正遭受多年严重干旱，如果温室气体水平继续快速上升，这很可能代表21世纪的新常态模式。更高的温度和雨带持续向北移动，威胁着将其北部的亚热带干燥带转移到该国这一地区，该干燥带目前横跨墨西哥北部。
科学家尚不清楚向北移动是否会影响飓风或季风的频率或规模。我们尚未确定对厄尔尼诺和拉尼娜模式的任何可能影响。
更好的模型即将出现
在有把握地发出警报之前，还需要做更多的工作。基于计算机的气候模型尚未准确地再现过去和现在的热带降雨模式。如果建模者可以使用来自沉积物岩芯和其他来源的数据来生成更接近已知模式的模式，那么世界将更有信心对未来降雨量进行预测。我们的华盛顿大学和其他地方的同事正在进行这种类型的实验。
我们将继续研究来自热带辐合带以及其北部和南部的热带岛屿的沉积物，以更精确地定义整个过去一千年雨带的位置，并预测它将在未来几代人中的位置。