 |
«Стратегия сдерживания». Связь с солнечной активностью
|
|
|
|
«Стратегия сдерживания»
В 1980-х годах, после того как были выявлены условия генерации ураганов и созданы адекватные модели их развития, предпринимались попытки всей силой техники обуздать ураганы или хотя бы снизить их угрозу — истощить на подходе к населенным местам, увести в сторону. Глаз урагана — центральную часть вихря диаметром 20–50 километров, окаймленную плотной стеной облаков и хорошо видную на снимках из космоса, — обстреливали мощными зарядами.
Вблизи Флориды, Луизианы, Техаса, куда обычно залетали разбушевавшиеся вихри, на них сбрасывали йодистые препараты с целью вызвать искусственное выпадение осадков, как это делается с дождевыми облаками на подступах к Москве в дни праздников. Лишенный водяного пара, ураган должен был потерять и свою механическую силу. Эти меры ничего не дали. На пути урагана ставили срочно доставляемые от берегов Гренландии айсберги, надеясь «охладить» его пыл. Ураган проносился, не задерживаясь и не замечая преград. Слишком слабы были эти «уколы» для вихря, энергия которого составляла около 1017 джоулей с фронтальной плотностью порядка 100 Дж/см2.
Лобовая атака американских ВВС на ураганы, названная программой «Storm Fury» («Ярость бури»), продолжалась двадцать лет — с 1963 по 1983 год и окончилась полной неудачей. Но стало ясно, что перспективный путь борьбы с ураганами — изучение их свойств и более тщательное прогнозирование с помощью космических средств. В дело пошли специализированные метеоспутники, ведущие наблюдения с геостационарных и низких орбит.
Связь с солнечной активностью
Частота ураганов непостоянна, их активность то затухает, то повышается. Как и другие погодные явления, ураганы могут инициироваться Солнцем.
|
|
|
Мы живем около спокойной, но все же живой, активной звезды, дыхание которой ощущаем по многим проявлениям, называемым солнечной активностью. Известен ее 11-летний цикл, характеризуемый числом темных пятен на диске Солнца (числа Вольфа (W), публикуемые Европейским центром солнечных данных, Цюрих, Брюссель). Временная зависимость среднегодовых чисел Вольфа показывает переменность солнечной активности, воспроизведенной по архивным данным (1611–1850), отдельным наблюдениям (1750–1850) и непрерывному мониторингу Солнца (1850–2000). Параметр W отражает процесс генерации магнитных полей во внешней турбулентной зоне Солнца. Восходящие потоки горячей плазмы, накладываемые на дифференциальное вращение Солнца (на разных широтах оно вращается с разной скоростью), ответственны за все внешние проявления светила: грануляцию фотосферы с ее особенностями (факелы, флокулы, протуберанцы), хромосферные вспышки, излучение короны, солнечный ветер, потоки ускоренных частиц.
Советские геофизики А. Л. Чижевский (1940-е годы) и Э. Р. Мустель (1980-е годы) связывали влияние солнечной активности с земной погодой. К сожалению, их доказательства были не прямыми (космические эксперименты еще не начались), а выводились путем сопоставлений (корреляций) погодных параметров с числами W и другими параметрами солнечной активности. Не все полученные корреляции оказались достоверными, многие исследователи сомневались в полученных результатах. Главный недостаток работ заключался в том, что оставался неизвестным материальный переносчик солнечного влияния на процессы в тропосфере, где формируется земная погода. Все кажущиеся факторы влияния (солнечный ультрафиолет, рентген, корпускулярные потоки) поглощаются в стратосфере (выше 25 км), не доходя до «уровня погоды» (ниже 12 км). Сейчас эти факторы и механизм передачи установлены, о чем будет сказано ниже.
|
|
|
На первый взгляд, числа Вольфа не подтверждают солнечного влияния на ураганы, активность которых совершенно не следует 11-летнему циклу. Анализ показал, что число ураганов одинаково во всех фазах цикла — на подъеме и спаде, в максимуме и минимуме. Самые разрушительные ураганы, упомянутые выше, тоже пришлись на все фазы. И все же зависимость ураганов от солнечной активности есть, что можно увидеть, сравнивая временные последовательности ураганов и чисел Вольфа для интервалов 20–30 лет. Лучшая корреляция солнечной активности и числа ураганов наблюдается при сдвиге последовательности ураганов примерно на 20 лет. «Холодные» земные процессы как бы запаздывают относительно «горячих» солнечных.
Как уже говорилось, анализ солнечных вспышек показал их полную непричастность к возникновению ураганов. Число вспышек возрастает в десятки раз от минимума до максимума 11 — летнего цикла, тогда как темп ураганов остается постоянным. Должен быть другой «носитель», который менее связан с солнечными пятнами, 11-летним циклом чисел Вольфа и в то же время обладает достаточной силой, чтобы «перенести» солнечную активность на земные процессы.
Сейчас установлено, что такими переносчиками энергии от Солнца к Земле выступают корональные выбросы, возникающие как пузыри в солнечной короне, напрямую не связанные с фотосферой и темными пятнами, что может объяснить отсутствие 11-летней цикличности ураганов. Это сбросы старых магнитных петель конвективной зоны Солнца под напором нового нарождающегося магнитного поля — процесс, идущий все время и по всем солнечным широтам, от экватора до полюсов. Этот процесс лучше, по сравнению с числом солнечных пятен, более глубоко и всесторонне отражает солнечную активность. То, что корональные выбросы ответственны за изменение темпа ураганов, отчетливо видно по одновременному возрастанию темпа ураганов и их числа в последнее десятилетие (1996–2005) по сравнению с предыдущими циклами. Корональные выбросы стали наблюдать сравнительно недавно, их статистика представлена с 1970-х годов, поэтому нет возможности провести их корреляцию со всеми данными об ураганах.
Корональные массовые выбросы представляют собой гигантские облака намагниченной плазмы (массой до 10 млрд тонн), летящие быстрее 1000 км/с и несущие энергию порядка 1025 джоулей. Они вылетают из Солнца по всем направлениям, большинство из них не представляет опасности для Земли. Но те, которые образуются в центральной части видимого солнечного диска, направлены к нам и через 2–3 суток появляются у Земли. От их прямого воздействия нас оберегает земное магнитное поле, не пускающее заряженные частицы внутрь магнитосферы, заставляющее их обтекать границу (магнитопаузу) и скользить по длинному (сотни земных радиусов) «хвосту» магнитосферы.
|
|
|
Контакт магнитного облака с земной магнитосферой не проходит бесследно — возникает магнитная буря. Магнитная встряска Земли — как раз то промежуточное звено солнечно-земных связей, которое долго не могли найти и которое, как сейчас считают, оказывается одним из главных в причинно-следственной цепочке солнечного влияния на земную погоду.
Потоки электронов, позитронов, протонов, ядер относительно невысоких энергий, захваченные в ловушку магнитного поля Земли, получили название радиационный пояс. Его открыли в 1958 году при полетах первых космических ракет Д. Ван Аллен (США) и А. Е. Чудаков (СССР). Радиационный пояс находится на высоте от нескольких сотен до тысяч километров, имеет сложную тороидальную структуру. Захваченные частицы движутся по спиралям вокруг магнитных силовых линий, сгущаются и совершают долготный дрейф: положительные — на запад, отрицательные — на восток. Интенсивность захваченной радиации велика, проход через нее космических кораблей опасен для космонавтов, вызывает сбои электроники, нарушает радиосвязь.
Исследование частиц радиационного пояса, проводимое по программе ISTP (Международная программа солнечно-земной физики), обнаружило ускорение частиц в «хвосте» магнитосферы во время магнитной бури, вызванной облаком коронального массового выброса. Частицы ускоряются в результате сжатия силовых линий солнечной плазмой, образования токового слоя, где в некоторый критический момент происходит быстрое пересоединение магнитных силовых линий с выделением энергии. Поток ускоренных частиц уже не удерживается, как прежде, магнитным полем. Происходит перескок частиц внутрь магнитосферы, на более низкие, расположенные ближе к экватору оболочки, и, в конце концов, высыпание ускоренного потока в атмосферу по геомагнитному экватору.
|
|
|
Потоки релятивистских электронов высокой энергии HRE (highly relativistic electrons ), появляющиеся с приходом корональных выбросов, были зарегистрированы спутниками SAMPEX и POLAR (NASA). Появление релятивистских электронов в радиационном поясе — естественный механизм повышенного воздействия солнечной активности на атмосферу, которое российские ученые предвидели еще двадцать лет назад. Оказывается, магнитные бури, инициированные корональными массовыми выбросами, вызывают не только полярные сияния и аварии на линиях связи и в электросетях, о чем регулярно сообщают газеты и телевидение, но и нагрев верхних слоев атмосферы, образование вихрей в районе экватора, что грозит еще большими бедствиями.
Места высыпаний вторгающихся в атмосферу потоков частиц «указал» эксперимент со спектрометром AMS (атомный масс-спектрограф) на борту шаттла «Discovery» (1998). Спектрометр со сверхпроводящим магнитом обладал столь высокой разрешающей способностью, что мог точно распознавать частицы (электроны, позитроны, протоны) и прослеживать их траектории до и после прохождения через прибор. В результате было установлено, что поток положительно заряженных частиц (протоны, позитроны) в несколько раз превышает поток электронов. Эксперимент проводился в спокойное от магнитных бурь время. Потоки вторичных частиц не были столь интенсивными, как можно ожидать в магнитную бурю, и не могли вызвать заметного отклика в атмосфере. Они просто указали места, где должны высыпаться частицы радиационного пояса при взаимодействии облаков корональных выбросов с земной магнитосферой.
Сильные электромагнитные поля в торнадообразующих облаках могут служить и для дистанционного отслеживания пути движения смерчей. М. А. Гохберг обнаружил вполне значимые электромагнитные возмущения в верхних слоях атмосферы (ионосфере), связанные с образованием и движением торнадо. С. А. Арсеньев исследовал величину магнитного трения в смерчах и высказал идею подавления торнадо методом запыления материнского облака специальными ферромагнитными опилками. В результате величина магнитного трения может стать очень большой, скорость ветра в торнадо должна уменьшиться. Способы борьбы с торнадо в настоящее время находятся в стадии изучения.
|
|
|
Территория любого региона подвержена комплексному воздействию десятков опасных природных явлений, развитие и негативное проявление которых в виде катастроф и стихийных бедствий ежегодно наносит огромный материальный ущерб и приводит к человеческим жертвам. Наиболее характерными природными явлениями, повторяющимися в зависимости от времени года и приводящими к возникновению чрезвычайных ситуаций, являются ураганы, бури и смерчи.
Еще раз обозначим явления, связанные с движением воздушных потоков.
Буря — разновидность ураганов и штормов. Ураганы и бури различаются по скорости ветра, которая при урагане достигает 32 м/с и более, а при буре — 15–20 м/с. Убытки от урагана больше, чем от бури. Снежные бури сопровождаются переносом огромных масс снега с одного места на другое. При этом снегом засыпаются значительные территории.
Смерч — восходящий вихрь из чрезвычайно быстро вращающегося в виде воронки воздуха огромной разрушительной силы, в котором присутствуют влага, песок и другие взвеси. Он имеет вид темного столба диаметром от нескольких десятков до сотен метров с вертикальной, иногда загнутой осью вращения. Смерч как бы «свешивается» из облака к земле в виде гигантской воронки, внутри которой давление всегда пониженное, поэтому проявляется эффект «всасывания».
Он поднимает в воздух и переносит на сотни метров животных, людей, автомобили, небольшие дома, срывает крыши, вырывает с корнем деревья. Средняя скорость ветра — от 15–18 м/с до 50 м/с, ширина фронта — 350–400 м. Длина пути — от сотен метров до десятков и сотен километров. Иногда смерчи сопровождаются осадками в виде града, проливного дождя.
Наиболее распространенными стихийными бедствиями в Европе являются ураганы и наводнения. В пересчете на экономические потери и объемы последующих страховых выплат именно они приносят наибольшее число убытков. Ураганы Лота и Мартин, прошедшие в декабре 1999 года, нанесли ущерб, оцениваемый в 5 млрд евро, повредив сельскохозяйственные культуры, леса и инфраструктуру населенных пунктов.
Ураган — это чрезвычайно быстрое и сильное, нередко большой разрушительной силы и значительной продолжительности движение воздуха. При ураганах ширина зоны катастрофических разрушений достигает нескольких сотен километров (иногда тысячи км). Ураган длится 9—12 дней (буря — от нескольких часов до нескольких суток, ширина фронта при буре — несколько сотен километров), сопровождаясь большим количеством жертв и разрушений. Поперечный размер тропического циклона (называемого также тропическим ураганом, тайфуном) значительно меньше — всего несколько сотен километров, высота его — до 12–15 км. Давление в ураганах падает намного ниже, чем во вне-тропическом циклоне. При этом скорость ветра достигает 400–600 км/ч. В сердцевине смерча давление падает очень низко, поэтому смерчи «всасывают» в себя различные, иногда очень тяжелые предметы, которые переносят затем на большие расстояния. Люди, оказавшиеся в центре смерча, погибают.
По мере того как поверхностное давление продолжает падать, а скорости ветра начинают превышать 64 узла, тропическое возмущение становится ураганом. Заметное вращение развивается вокруг центра урагана, так как спиральные полосы выпадения осадков закручиваются вокруг глаза урагана.
Глаз — область диаметром в 20–50 км, находящаяся в центре урагана, где небо часто ясное, ветры слабые, а давление — самое низкое.
Стена глаза — кольцо кучево-дождевых облаков, закрученное вокруг глаза. Самые тяжелые осадки и самые сильные ветры обнаруживаются именно здесь.
Спиральные полосы выпадения осадков — полосы мощных конвективных ливней, направленных к центру циклона.
Смерч (торнадо) — вихревое горизонтальное движение воздуха, которое возникает в грозовом облаке и опускается на поверхность Земли в виде опрокинутой воронки, диаметр которой доходит до сотен метров. Воздух внутри столба вращается против часовой стрелки, поднимаясь вверх по спирали со скоростью в несколько десятков метров в секунду. Поскольку радиус смерча у земли уменьшается, то скорость здесь достигает сверхзвуковых величин. Движется столб со скоростью до 20 м/с и проходит расстояние 40–60 км. Внутри смерча разрежение воздуха так велико, что здания рассыпаются из-за напора находящегося в них воздуха. Удивительна способность смерчей вонзать продолговатые предметы (соломинки, палки, обломки и др. ) в деревья, стены домов, землю и т. п. Мелкие камни пробивают стекло и тонкий металл.
Ураганы, возникающие в тропических широтах, имеют скорость до 64 узлов (74 миль в час) и способны вызывать разрушающие ветры, обильные осадки и наводнения, которые могут причинить огромный ущерб инфраструктуре населенных пунктов, частной собственности и часто приводят к человеческим жертвам. Ураган по силе воздействия на окружающую среду не уступает землетрясениям: разрушаются строения, мачты линий электропередач и связи, транспортные магистрали, ломаются и выворачиваются с корнями деревья, переворачиваются морские суда и автомобильный транспорт. Часто бури и ураганы сопровождаются ливнями и снегопадами, что еще больше осложняет ситуацию. В результате сильного ветра происходит ветровой нагон воды на устьевом участке рек, подтапливаются населенные пункты, пахотные земли, предприятия в таких регионах вынуждены останавливать производство.
Из дневника наблюдений
«Москва, ночь с 20 на 21 июня — порывы ветра местами достигали 31 метра в секунду. Во время сильного ливня выпало 35 мм осадков (столичная месячная норма). По предварительным данным, сломано и вырвано с корнем не менее 45 тысяч деревьев, произошло 744 обрыва уличной осветительной сети. Более ста маршрутов городского общественного транспорта бездействовало из-за 585 обрывов троллейбусных и трамвайных контактных сетей. Шквальный ветер повредил высоковольтные линии электропередач — зарегистрировано 75 повреждений на линиях напряжением 500, 220 и 110 киловольт. В некоторых местах столицы произошли аварии строительной и дорожной техники. Повреждено множество машин и зданий, в том числе здание Кремля и Большого театра. Около полутора тысяч домов остались без крыш. В речном порту рухнул кран и потопил 2 теплохода. Штормовой ветер, скорость которого, по сообщениям синоптиков, в зоне урагана достигала 90 километров в час, принес и человеческие жертвы: 7 человек погибли, 122 госпитализированы и 161 человек обратились за медицинской помощью».
Своевременное оповещение об урагане от синоптиков может не поступить. Отсутствие штормового предупреждения приводит к колоссальному материальному ущербу, человеческим жертвам, а иногда и к значительным гуманитарным кризисам. Для эффективного разрешения кризисных ситуаций необходима координация и концентрация ресурсов, которые обеспечат оказание своевременной и соответствующей помощи нуждающимся в ней странам и людям. В 1992 году для координации гуманитарных операций за пределами Европейского Союза создано Бюро ЕС по гуманитарной помощи (ECHO).
Усовершенствование службы метеопрогнозов (внедрение системы предупреждения об ураганах космических средств наблюдения) позволяет осуществлять срочную эвакуацию населения из районов, которым угрожает ураган, и уменьшать количество человеческих жертв. Проводятся также исследования влияния на ураганы (в особенности те, что лишь зарождаются) внесением в облака некоторых химических реагентов (йодистого серебра). В ряде случаев удается вызвать преждевременное выпадение осадков и тем самым ослабить разрушительную силу урагана.
Для смягчения последствий стихийных бедствий предпринимаются действия и меры как на национальном, так и на региональном уровнях, хотя единой целевой политики еще не выработано. Планы действий в экстренных ситуациях, включающие инструкции по реагированию на различные стихийные бедствия, разработаны во всех странах Европейского союза, но они в основном еще не апробированы на практике.
Разрушительные действия ураганов связывают, прежде всего, с ветром, но следующая за этим фаза ливней и наводнений гораздо опаснее. Эти явления приобретают грозный характер, оборачиваются разгулом стихии с катастрофическими последствиями в масштабах целых государств или даже нескольких стран какого-либо географического района.
Мощные ураганы с дождями нередко приводят к человеческим жертвам. Повреждается большое количество общественных, хозяйственных и промышленных объектов и жилых домов. Ущерб может достигать миллиардов долларов.
Лето 2002 года. Крымское побережье. В квартирах выбило стекла и двери, с сотен домов сорвало крыши. Ветер валил деревья, гнул светофоры и опоры уличного освещения, словно с игрушками, расправлялся с газетными киосками и продовольственными ларьками.
Вышли из строя электро- и теплоснабжение. Люди оказались без света, воды и тепла. Замолчали телевидение и радиовещание. Нельзя было передать населению нужную информацию. Сошедшие с гор сели смыли в море кемпинги вместе с машинами, палатками и людьми.
|
|
|
