 |
Сопутствующие компоненты ураганов
|
|
|
|
Сопутствующие компоненты ураганов
Наводнения
Временные затопления низменных территорий речных долин вызываются проливными дождями, циклонами, ураганами и другими метеорологическими причинами. Значительный вред, который наводнения наносят человечеству, в определенной мере объясняется проблемой прогнозирования в настоящее время. Сильные дожди и акваториальные воды, принесенные к берегу сильными ветрами, могут вызвать подъем уровня воды более чем на 50 см всего за 24 часа. Системы стоков во многих городах не в состоянии выдержать такой подъем из-за мягкой топографии, общей для многих береговых областей, где происходят ураганы.
Штормовой нагон воды
Одним из последствий штормов часто становится увеличение уровня воды в акватории, иногда свыше нескольких метров. Это наиболее разрушительный фактор стихийных потрясений, разоряющий нижние уровни береговых построек. Серьезнейшая опасность возникает при повышении уровня воды во время высшей точки прилива.
Дестабилизация условий жизнедеятельности населения
Коммунальное хозяйство. Повреждаются административные и производственные здания, жилые дома и объекты экономики. А также системы газо- и водоснабжения, канализации, котельные, теплотрассы, трансформаторные подстанции, фидеры ЛЭП, электрощиты. Ураганный ветер срывает крыши домов и административных зданий, валит деревья, столбы освещения. Затопляются подземные переходы, перекрестки улиц, линии водоводов и водостоков. Прерывается телефонная связь и нарушается электроснабжение населенных пунктов с населением в десятки и сотни тысяч человек.
Транспорт. Образуются завалы на дорогах от упавших деревьев, прерывается движение на автомобильных трассах. Размываются участки асфальтированных, железных и грунтовых дорог, задерживается движение пассажирских поездов. Повреждаются аэровокзалы, мосты и мостовые переходы.
|
|
|
Сельское хозяйство. Шквалистый ветер, сопровождающийся ливневым дождем с градом, повреждает кровли жилых домов, зернохранилищ. Вызывает подтопление домов, построек, частных домовладений, мостовых переходов, сельскохозяйственных угодий. Гибнут посевы сельскохозяйственных культур, сады и огороды на значительных площадях. Повреждаются фермы, кошары, погибают сотни голов скота и птицы. В результате разгула стихии уровень воды в реках повышается и превышает критические отметки. Длительному затоплению подвергаются пашни, тысячи гектаров многолетних трав, пастбищ и лугов.
Создается опасность активизации берегоразрушительных и оползневых процессов.
Из пострадавших районов может быть временно отселено практически все население.
Особую настороженность министерств и ведомств, принимающих участие в ликвидации последствий ЧС и катастроф природного характера, вызывают объекты, сами по себе представляющие опасность: ГЭС, АЭС, химические, биологические, пожаро- и взрывоопасные, производственные, военные склады и хранилища. Повышенного внимания требуют объекты социально-бытового назначения: аэропорты, вокзалы, транснациональные железные и автомобильные дороги, страховые компании, банки, стратегические объекты экономики и, главное, — энергетический потенциал, от которого зависит работоспособность всего комплекса инфраструктуры городов.
В 1980-х годах проводились попытки воздействовать на облака корональных выбросов, летящие к Земле, выпуская на их пути искусственные потоки плазмы со спутников. Гигантские солнечные облака эти преграды просто не замечали: наша техника слишком слаба, чтобы на них повлиять.
|
|
|
Нам не под силу сдержать солнечные выбросы и предотвратить магнитные бури в земной магнитосфере, как невозможно преградить путь развившемуся тропическому урагану. Но, может быть, в наших силах оказать опережающее воздействие на радиационный пояс, истощив его за несколько дней до прихода массового выброса, так что поток высыпающихся частиц будет ослаблен. Искусственное уменьшение концентрации заряженных частиц радиационного пояса — реальный факт, достигнутый, правда, очень грубым путем — ядерными взрывами в космосе («Морская звезда» и другие операции США, 1960-е годы). Управлять захваченной радиацией нужно, конечно, более цивилизованным и безопасным способом.
Методы воздействия могут быть разные. Это и распыление в определенных оболочках препаратов, захватывающих электроны (химическое отравление), и взрывы небольших зарядов в радиационном поясе, перераспределяющие населенность оболочек (физическое отравление). В настоящее время проводится эксперимент «Интербол» — попытки воздействовать мощными импульсами радиоизлучения на ионосферу, для чего созданы крупные комплексы антенн на Аляске, в Норвегии, России.
Изучается возможность «тонкой подстройки» ионосферы путем изменения ее проводимости. Поскольку магнитосферные токи замыкаются на ионосферу, таким способом повлиять на магнитную бурю в принципе можно. «Подстройка» в момент прихода выброса и начала магнитной бури, возможно, окажется тем рычагом, который позволит уменьшить интенсивность высыпающихся частиц и унять тропический циклон, не дав ему перерасти в ураган. Этот метод — «космический громоотвод», как некогда молниеотвод Франклина, — возможно, станет действенной защитой от ураганов и пока еще неизбежных природных катастроф.
Ученые из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США (НИЛ ВМС) при Стессисском космическом центре НАСА в штате Миссисипи зарегистрировали рекордную высоту волны в момент прохождения урагана Айвен над швартовыми НИЛ ВМС в Мексиканском заливе в 2004 году. Согласно пресс-релизу НИЛ ВМС от 4 августа, во время проводившегося НИЛ ВМС полевого эксперимента под названием «Энергетика наклона к шельфу и динамика обмена» (ЭНШДО) на океаническом континентальном шельфе в Мексиканском заливе на глубине 60–90 метров было размещено шесть профилографических швартовых (содержащих метеорологические датчики), также оснащенных волнографами и самописцами уровня моря.
|
|
|
Швартовый, как правило, представляет собой находящийся на морском дне тяжелый объект, от которого к поверхности моря тянется трос или кабель, прикрепленный к поплавку.
Когда ураган Айвен пронесся над этим районом в сентябре 2004 года, его глаз прошел непосредственно над четырьмя швартовыми. На том же склоне шельфа было размещено восемь других швартовых, которые, однако, не были оснащены волнографами и самописцами уровня моря.
Обычно, при столь мощных штормах океанические измерительные приборы выходят из строя, однако «ЭНШДО» успешно пережили ураган Айвен и обеспечили лучшие из когда-либо произведенных измерения океанических течений и волн непосредственно в условиях сильного урагана.
Результаты анализа данных о волнах и ветрах свидетельствуют о том, что высота волн вблизи центра урагана, скорее всего, превышала 39 метров, это были самые сильные ветра из когда-либо зарегистрированных в непосредственной близости от глаза урагана.
Ученых беспокоит ряд странных особенностей, которыми отличались три самых разрушительных урагана 2005 года. Ураганы обычно не сопровождаются грозами с молниями. В то же время эти три урагана — Катрина, Рита и Эмили, — изуродовавшие южное побережье США, были отмечены очень большой частотой молний. Эти ураганы уже заслужили название электрических.
Ученые NASA и метеорологического агентства США NOAA отмечают три особенности «электрических» ураганов: все они отличались огромной мощью, во всех трех молнии были обнаружены еще до того, как они вышли на сушу, что чрезвычайно нехарактерно для молний при ураганах вообще; кроме того, во всех трех случаях, сообщает Live Science, молнии наблюдались в окрестностях глаза урагана.
По словам Ричарда Блэксли (Richard Blackslee), сотрудника центра глобальной гидрологии и климата (GHCC) в г. Хантсвилл, штат Алабама, отсутствие молниевых разрядов при ураганах было бы вполне понятно. «В них отсутствует ключевой элемент, необходимый для возникновения молний, — вертикальная динамика воздушных масс», — поясняет он. Неясно как раз, откуда могли взяться молнии.
|
|
|
Правда, иногда молнии наблюдались при ураганах и раньше. Так, в 1998 году молниевые разряды были отмечены в урагане Джордж, пронесшимся над островом Эспаньола в Карибском заливе. Однако как раз в этом случае их появление можно объяснить возникновением вертикальной динамики воздушных масс под действием так называемых орографических сил, связанных с прохождением урагана над горными вершинами. «Как правило, ураганы продуцируют разряды молний при выходе на сушу», — говорит д-р Блэксли. Однако мощнейшие ураганы 2005 года сопровождались молниями еще тогда, когда под ними была лишь водная гладь без каких бы то ни было гор вообще.
Необычная мощь ураганов 2005 года, а также высокая точность, позволившая урагану Катрина разрушить крупнейший город побережья — Новый Орлеан, породила множество догадок об их природе и о том, что столь точный удар по самому, вероятно, уязвимому для стихии городу на южном побережье США был нанесен неспроста. Возникли даже спекуляции по поводу того, что «электрические ураганы» явились якобы результатом испытания секретного метеорологического оружия. Так, американский метеоролог Скотт Стивенс (Scott Stevens ), готовящий сводки метеорологических прогнозов для телевидения, заявлял, в частности, что ураган Катрина был вызван искусственно. По его словам, для инициации ураганов и управления их движением могли использоваться электромагнитные генераторы, создававшиеся еще в годы холодной войны. Об этом, по его мнению, свидетельствует появление перед ураганом облачности с необычным искусственным паттерном, а также странные помехи в радиодиапазоне и даже странный маршрут движения Катрины перед ударом по Новому Орлеану. Большое количество снимков странной облачности автор оригинальной идеи представил в свое время на собственном сайте.
Можно ли бороться с ураганами и другими мощными тропическими циклонами?
Каждый год атмосферные вихри, скорость ветра в которых достигает порой 120 км/ч, 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 густо населенные районы, гибнут тысячи людей, а материальный ущерб достигает миллиардов долларов. Сможем ли мы когда-нибудь обуздать беспощадную стихию? Что нужно сделать, чтобы ураган изменил свою траекторию или потерял разрушительную силу?
|
|
|
Исследователь Росс Хоффман считает, что препятствовать ураганам можно. Он является ведущим специалистом и вице-президентом массачусетской фирмы «Исследования атмосферы и окружающей среды» (AER). Хоффман занимается объективным и сравнительным анализом данных, динамикой и радиационным балансом атмосферы, а также климатологией. Он работал в различных подразделениях NASA и в Национальном научно-исследовательском консультативном комитете по состоянию и будущим направлениям исследований и деятельности в области преобразования погодных условий в США.
Прежде чем приступить к управлению ураганами, необходимо научиться точно прогнозировать их маршрут и определять физические параметры, влияющие на поведение атмосферных вихрей. Затем можно будет заняться поисками способов воздействия на них. Пока мы еще в самом начале пути, но успехи компьютерного моделирования ураганов позволяют надеяться, что мы все-таки можем справиться со стихией.
Результаты моделирования реакции ураганов на мельчайшие изменения их первоначального состояния оказались весьма обнадеживающими. Чтобы понять, почему мощные тропические циклоны чутко реагируют на любые возмущения, необходимо разобраться, что они собой представляют и как зарождаются. Как мы уже выяснили, 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 глаз бури — зону затишья, вокруг которой закручивается вихрь.
Оказавшись над сушей, ураган утрачивает поддерживающий его тепловой источник и быстро ослабевает. Так как 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. В начале 60-х годов XX века этот метод был опробован в ходе экспериментов, проведенных научно-консультативной комиссией Project Stormfury, учрежденной правительством США.
Ученые попытались 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.
Сегодня создание искусственных облаков уже не считается эффективным методом, так как выяснилось, что содержание переохлажденного водяного пара в воздушных массах бурь незначительно. Современные исследования ураганов опираются на предположение, связанное с теорией хаоса. На первый взгляд, хаотические системы ведут себя произвольно. На самом 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, окружающих центр 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-нибудь повлиять на циклон, чтобы он не достиг населенных районов, или хотя бы ослабить его?
За последнее десятилетие математическое моделирование и дистанционное зондирование шагнули далеко вперед, так что настала пора заняться крупномасштабным управлением погодой. 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, так как приходится учитывать влияние внешней среды.
К сожалению, метеорологические прогнозы несовершенны. Во-первых, начальное состояние модели всегда неполно и неточно, определить его для ураганов крайне сложно, поскольку проведение непосредственных наблюдений затруднено. Космические снимки отображают сложную структуру урагана, но они недостаточно информативны. Во-вторых, атмосфера моделируется только по узлам координатной сетки, а располагающиеся между ними мелкие детали не рассматриваются. 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.
Предварительный прогноз дается на шесть часов с момента снятия показаний метеоприборов. Данные, поступающие с наблюдательных пунктов, не накапливаются в течение нескольких часов, а сразу обрабатываются. Объединенные данные наблюдений и предварительного прогноза используются для вычисления следующего шестичасового прогноза. Теоретически такая комплексная информация точнее всего отражает истинное состояние погоды, поскольку результаты наблюдений и гипотетические данные корректируют друг друга. Хотя статистически этот метод вполне обоснован, исходное состояние модели и информация, необходимая для его успешного применения, все равно остаются приблизительными.
Построив модель уже прошедшего урагана, можно 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 большей амплитудой. Так же и исследователи пытаются «настроиться» на ураган и отыскать подходящее стимулирующее воздействие, которое привело бы к желаемому результату.
Научная группа из AER провела компьютерное моделирование двух разрушительных ураганов, неистовствовавших в 1992 году. Когда один из них (Иники) — прошел прямо над гавайским островом Кауаи, погибло несколько человек, был нанесен огромный материальный ущерб, и целые лесные массивы сровнялись с землей. Месяцем ранее ураган Эндрю обрушился на Флориду южнее Майами и превратил в пустыню целый регион.
Если учесть несовершенство существующих методов прогнозирования, первый эксперимент моделирования имел неожиданный успех. Чтобы изменить путь Иники, выбрали место в ста километрах западнее острова, в котором должен оказаться ураган через шесть часов. Затем составили данные возможных наблюдений и загрузили эту информацию в систему 4DVAR. Программа должна была рассчитать мельчайшие изменения основных параметров первоначального состояния урагана, которые модифицировали бы его маршрут нужным образом. Оказалось, что самые значительные преобразования коснулись первоначального состояния температуры и ветра. Типичные изменения температуры по всей сети координат составляли десятые доли градуса, но самые заметные изменения (увеличение на 2 °C) оказались в нижнем слое к западу от центра циклона. Согласно расчетам, изменения скорости ветра составили 3, 2–4, 8 км/ч. В некоторых местах скорость ветра изменилась на 32 км/ч в результате незначительной переориентации направления ветра вблизи центра урагана.
Этих ключевых переменных было достаточно, чтобы ураган развернулся за шесть часов на запад, а потом двинулся прямо на север, оставив остров Кауаи нетронутым. Если небольшие изменения температуры воздуха в ураганном вихре действительно могут повлиять на его курс или ослабить силу ветра, то возникает вопрос: как этого достичь? Невозможно сразу нагреть или остудить такое обширное атмосферное образование, как ураган. Однако можно подогревать воздух вокруг урагана и таким образом регулировать температурный режим.
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 в соответствии с заранее продуманным планом, 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.
Если в будущем метеорологи научатся управлять ураганами, то, скорее всего, возникнут серьезные политические проблемы. Несмотря на то что с 1970-х годов конвенцией ООН запрещено использовать погоду в качестве оружия, некоторые страны могут не устоять перед искушением.
Русский ученый Л. Г. Качурин в 70-х годах XX века исследовал основные характеристики радиоизлучения конвективных кучево-дождевых облаков, образующих грозы и торнадо. Исследования проводились на Кавказе с помощью самолетного радиолокатора в СВЧ-диапа-зоне (0, 1—300 МГц), сантиметровом, дециметровом и метровом диапазоне радиоволн. Было обнаружено, что СВЧ-радиоизлучение возникает задолго до образования грозы. Предгрозовая, грозовая и послегрозовая стадии отличаются спектрами напряженности поля излучения, длительностью и частотой следования пакетов радиоволн. В сантиметровом диапазоне радиоволн радар видит сигнал, отраженный от облаков и осадков. В метровом диапазоне отлично видны сигналы, отраженные от каналов сильных молний.
В рекордно мощной грозе 2 июля 1976 года в Аланской долине в Грузии наблюдалось до 135 молниевых разрядов в минуту. Увеличение масштабов грозовых разрядов происходило по мере уменьшения частоты их возникновения. В грозовом облаке постепенно образуются зоны с меньшей частотой разрядов, между которыми происходят наиболее крупные молнии. Л. Г. Ка-чурин открыл явление непрерывного разряда в виде сплошной совокупности часто следующих импульсов (более 200 в минуту), амплитуда которых имеет практически неизменный уровень, в 4–5 раз меньший, чем амплитуды сигналов, отраженных от молниевых разрядов. Это явление можно рассматривать как «генератор длинных искр», которые не развиваются в линейные молнии большого масштаба. Генератор имеет протяженность 4–6 км и медленно смещается, находясь в центре грозового облака — области максимальной грозовой деятельности. В результате этих исследований были выработаны методы оперативного определения стадий развития грозовых процессов и степени их опасности.
|
|
|
