Книга: Планета бурь

Ураганы

Ураганы

Есть замечательное художественное произведение Даниила Гранина «Иду на грозу». В нем рассказывается о самоотверженных исследованиях молодых ученых, проводящих опасную авиаразведку с борта плохо приспособленного транспортного самолета бушующих гроз с целью найти критические параметры для управления погодой. В романе подобные попытки заканчиваются трагически, но сама идея воздействия на грозовые процессы непосредственно с борта летательного аппарата, находящегося в центре (в глазе урагана) была очень популярна во второй половине прошлого века.

Ураганы возникают из грозовых скоплений над океанами в экваториальной зоне. Тропические моря поставляют в атмосферу тепло и водяной пар. Теплый влажный воздух поднимается вверх, где пары воды конденсируются и превращаются в облака и осадки. При этом тепло, запасенное водяным паром во время испарения с поверхности океана, освобождается, воздух продолжает нагреваться и поднимается все выше. В результате в тропиках формируется зона пониженного давления, образующая так называемый глаз бури – зону затишья, вокруг которой закручивается вихрь. Оказавшись над сушей, ураган утрачивает поддерживающий его источник теплой воды и быстро ослабевает.

В структуре ураганного смерча различают центральную часть – ядро и периферию – мантию. Вращательное движение воздуха в ядре смерча происходит с одинаковой угловой скоростью, как в твердом теле. За пределами ядра, в мантии, скорость с удалением от оси вращения постепенно уменьшается, но горизонтальная скорость воздуха в ядре вихря может достигать сотен километров в час. В подавляющем большинстве смерчей Северного полушария вращение воздуха происходит против часовой стрелки – это связано с вращением Земли вокруг своей оси. Значительное понижение давления в ядре смерча ведет к усилению конденсации водяного пара, что способствует дальнейшему развитию вихря. Высота смерча составляет от одного до нескольких километров.

Скорость ветра в смерче может превышать 100 м/c, а теоретически – доходить до скорости звука

Хорошо известно свойство крупных смерчей затягивать различные предметы – благодаря высокой скорости восходящих потоков воздуха в ядре вихря. Втянутые предметы ураганный вихрь может выбросить на расстоянии в десятки километров, что образует обширную зону разрушений.

Наиболее тяжелые предметы поднимаются вихрем на небольшую высоту и затем отбрасываются в сторону, мелкие же втягиваются в облако.

Мощный смерч разрушает на пути своего движения дома, вырывает с корнем деревья. Известно много случаев, когда смерч поднимал на несколько секунд в воздух людей и домашних животных. Однажды на одном из переездов подмосковной железной дороги смерч перенес на новое место железнодорожную будку вместе с путевым обходчиком.

Истощив свою энергию, смерч выбрасывает из облаков втянутые туда предметы. Именно этим и объясняются неоднократно наблюдавшиеся дожди из сельдей, медуз, лягушек, черепах. Если смерч втягивает в облако из прудов и болот красного цвета растения или микроорганизмы, наблюдаются «кровавые» дожди.

Наиболее часто смерчи наблюдаются в странах с тропическим климатом (особенно в районе Мексиканского залива) в жаркую весеннюю и летнюю погоду. В нашей стране смерчи нередко появляются во время весенне-летних гроз на Черноморском побережье Кавказа.

Смерчи возникают при встрече воздушных потоков с достаточно различными скоростями движения, особенно в тех частях этих потоков, где сильнее проявляется необходимое для вихреобразования трение между слоями воздуха. В своем подавляющем большинстве смерчи имеют небольшую энергию, быстро исчезая после возникновения, не успев причинить существенный вред.

Каждый год атмосферные вихри, скорость ветра в которых достигает порой 100 и более километров в час, проносятся над тропическими морями, опустошая побережье. В Атлантике и восточной части Тихого океана их называют ураганами, на западном побережье Тихого океана – тайфунами, в Индийском океане – циклонами. Когда они врываются в густонаселенные районы, гибнут тысячи людей, а материальный ущерб достигает миллиардов. Сможем ли мы когда-нибудь обуздать беспощадную стихию? Что нужно предпринять, чтобы ураган изменил свою траекторию или потерял разрушительную силу?

Считается, что русское слово «смерч» происходит от «сумрак», поскольку смерчи связаны с черными грозовыми тучами. А вот американское наименование вихря – торнадо – возникло от испанского «торнадос», что означает «вращающийся».

Прежде чем приступить к управлению ураганами, необходимо научиться точно прогнозировать их маршрут, а для этого понадобится умение максимально точно вычислять все их возможные характеристики, влияющие на поведение атмосферных вихрей. И здесь в первую очередь опять придется обратиться к главной героине нашего рассказа – воде, содержащейся в грозовых облаках. Именно знание плотности, температуры и общего объема водяного пара определяет успехи компьютерного моделирования ураганов, позволяя надеяться, что когда-нибудь мы обязательно можем справиться со стихией. Тут главное – не пропустить момент зарождения первых водяных вихрей, когда все еще неустойчиво и неопределенно, так что сравнительно небольшие воздействия способны укротить развитие природного катаклизма и направить его по мирному пути.

Поскольку ураганы получают большую часть энергии из тепла, освобождающегося при конденсации водяных паров над океаном и образовании дождевых облаков, первые попытки укрощения непокорных гигантов сводились к искусственному созданию облаков. Ученые пробовали замедлить развитие ураганов, увеличивая количество осадков в первой полосе дождей, которая начинается сразу за стеной глаза бури – скоплением облаков и сильных ветров, окружающих центр урагана. Для создания искусственных облаков с самолета сбрасывали йодистое серебро. Метеорологи надеялись, что распыляемые частицы станут центрами кристаллизации переохлажденного водяного пара, поднявшегося в холодные слои атмосферы. Предполагалось, что облака будут формироваться быстрее, поглощая при этом тепло и влагу с поверхности океана и замещая стену глаза бури. Это привело бы к расширению центральной спокойной зоны и ослаблению урагана.

Современные исследования ураганов, как и многих других атмосферных аномалий, основываются на отдельных положениях теории хаоса. На первый взгляд хаотические системы ведут себя достаточно произвольно, но на деле их поведение подчиняется определенным правилам и сильно зависит от первоначальных условий.

Поэтому с виду незначительные, случайные возмущения могут привести к серьезным непредсказуемым последствиям. Например, небольшие колебания температуры воды в океане, смещение крупных воздушных потоков и даже изменение формы дождевых облаков, кружащихся близко к центру урагана, могут повлиять на его силу и направление движения.

Высокая восприимчивость атмосферы к незначительным воздействиям и ошибки, накапливающиеся при моделировании погоды, затрудняют долгосрочное прогнозирование. Возникает вопрос: если атмосфера столь чувствительна, то нельзя ли как-то повлиять на циклон, чтобы он не достиг населенных районов или хотя бы ослаб?

При построении моделей состояние атмосферы определяют по полному перечню переменных, характеризующих давление, температуру, относительную влажность, скорость и направление ветра. Конкретный набор значений всех параметров во всех точках сетки называется состоянием модели, которое вычисляется для последовательных моментов времени, разделенных небольшими промежутками – от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от разрешающей способности модели. Учитывается движение ветра, процессы испарения, выпадения осадков, влияние поверхностного трения, инфракрасного охлаждения и нагревания солнечными лучами.

К сожалению, всем хорошо известно, насколько неточными бывают метеорологические прогнозы. Наверное, основная причина в том, что начальное состояние модели атмосферы всегда неполно. Даже в ясный день направление ветра на открытом месте может неоднократно менять направление, а определить ту же «розу ветров» для нарождающегося урагана вообще крайне сложно, поскольку проведение непосредственных наблюдений в этом случае всегда вызывает большие затруднения. Тут даже космические снимки, хорошо отображающие сложную структуру урагана, являются недостаточно информативными. Дело в том, что атмосфера моделируется только по узлам координатной сетки, а располагающиеся между ними мелкие детали не включаются в рассмотрение. Без высокой разрешающей способности смоделированная структура самой важной части урагана – стены глаза бури и прилегающих к ней областей – получается неоправданно сглаженной. Кроме того, в математических моделях таких хаотических явлений, как атмосфера, быстро накапливаются вычислительные ошибки.

Над сушей смерчи имеют диаметр от 100 метров до километра, а над морем – в несколько раз меньше. Как правило, смерч проходит путь до 100 километров со скоростью около сотни километров в час. Иногда можно наблюдать группу смерчей, которые при сближении разрушают друг друга.

Даже самые точные современные компьютерные модели для предсказания погоды несовершенны, однако они могут оказаться весьма полезными при изучении циклонов. Для составления прогнозов применяются числовые методы моделирования развития циклона. Компьютер последовательно рассчитывает показатели атмосферных условий, соответствующих дискретным моментам времени. Предполагается, что общее количество энергии, импульса и влаги в рассматриваемом атмосферном образовании остается неизменным. Правда, на границе системы ситуация несколько сложнее, т. к. приходится учитывать влияние внешней среды.

Построив модель уже прошедшего урагана, мы можем изменять его характеристики в любой момент времени и наблюдать за последствиями внесенных возмущений. Оказалось, что на формирование бури влияют только самоусиливающиеся внешние воздействия.

Представьте пару камертонов, один из которых вибрирует, а второй находится в спокойном состоянии. Если они настроены на разные частоты, то второй камертон не шелохнется, несмотря на воздействие звуковых волн, испускаемых первым. Но если оба камертона настроены в унисон, второй войдет в резонанс и начнет колебаться с большой амплитудой. Таким образом метеорологи и строят модельные схемы непогоды, вводя в них параметры «настройки» на ураган. Главным здесь является подходящее стимулирующее воздействие, которое привело бы к желаемому результату.

Если результаты подобных исследований состоятельны и небольшие изменения температуры воздуха в ураганном вихре действительно могут повлиять на его курс или ослабить силу ветра, встает вопрос: как этого достичь?

Невозможно сразу нагреть или остудить такое обширное атмосферное образование, как ураган. Однако можно подогревать воздух вокруг него и таким образом регулировать температурный режим.

И здесь необходимо провести вычисление точной структуры и силы подогрева атмосферы, необходимого для снижения интенсивности урагана и изменения его курса. Несомненно, практическая реализация такого проекта потребует огромного количества энергии, но ее можно получить с помощью орбитальных солнечных электростанций. Вырабатывающие энергию спутники следует оснастить гигантскими зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на элементах солнечной батареи. Собранную энергию затем можно будет переправить на микроволновые приемники на Земле.

Современные конструкции космических солнечных станций способны распространять микроволны, не нагревающие атмосферу и поэтому не теряющие энергию. Для управления погодой важно направить из космоса микроволны тех частот, при которых они лучше поглощаются водяным паром. Различные слои атмосферы можно будет нагреть согласно заранее продуманному плану, а области внутри урагана и ниже дождевых облаков будут защищены от нагрева, так как дождевые капли хорошо поглощают СВЧ-излучение.

Другой способ подавления сильных тропических циклонов – непосредственное ограничение поступающей в них энергии. Например, поверхность океана можно было бы покрыть тонкой, биологически разлагающейся масляной пленкой, которая способна приостанавливать испарение. Кроме того, можно оказывать влияние на циклоны за несколько дней до их подхода к берегу.

Крупномасштабную перестройку структуры ветров следует предпринимать на высоте полета реактивных самолетов, где изменение атмосферного давления сильно влияет на мощность и траекторию ураганов. Например, образование инверсионных следов самолетов наверняка может вызвать требуемые возмущения начального состояния циклонов.

Впрочем, методы управления погодой еще предстоит опробовать на безобидных по сравнению с ураганами атмосферных явлениях. Прежде всего следует опробовать экспериментальные возмущения для усиления осадков на сравнительно небольшой территории, контролируемой измерительными приборами. Если понимание физики облаков, их цифровое моделирование, методика сравнительного анализа и компьютерные технологии будут развиваться нынешними темпами, то наш скромный опыт может быть претворен в жизнь. Кто знает, быть может, уже через пару десятков лет многие страны займутся крупномасштабным управлением погодой с использованием подогрева атмосферы из космоса?

Вот, к примеру, взвесь мельчайших капелек воды, известная нам как густой туман, иногда оказывает важную услугу сельскохозяйственным культурам, уберегая их от заморозков. Для защиты садов во время цветения от заморозков иногда создают искусственные туманы (хлорид кальция обладает большой способностью притягивать влагу – его распылением в воздухе и создают искусственные туманы).

На данном принципе основаны процессы образования искусственного дождя. Для этого в тучи вводят затравки, на которых происходит конденсация воды или кристаллизация льда. Крупные градины получаются в том случае, если кристаллизация происходит на малом количестве центров. Если в тучу будет введено много затравок, то получатся мелкие кристаллы льда (они не могут вырасти, так как вся вода закристаллизована), которые при падении на землю часто успевают расплавиться и превратиться в дождь. В качестве широко распространенных затравок служат иодид серебра, иодид свинца и другие вещества. Для широкого применения эти соли довольно дороги, однако иногда град может привести к гораздо большим экономическим потерям.

Если в будущем метеорологи и научатся управлять ураганами, то скорее всего тут же возникнут серьезные политические проблемы. Несмотря на то что с семидесятых годов прошлого века принято несколько международных конвенций, запрещающих использовать погоду в качестве оружия, некоторые страны вряд ли смогут устоять перед искушением так, практически безнаказанно, «насолить» своим соседям.