|
مقدمه
هر ساله توفانهاى موسمى بسیار بزرگ که تند بادهایى با سرعت بیش از 120 کیلومتر بر ساعت را ایجاد مى‌کنند، سراسر دریاهاى گرمسیرى را درنوردیده و بسوى خطوط ساحلى حرکت مى‌کنند. این امر غالبا باعث مى‌شود که بخشهاى وسیعى از نوارهاى ساحلى در نقاط مختلف جهان دچار آسیبهاى جدى و فراوانى شوند. وقتى این توفانهاى پى در پى که در میان ساکنین سواحل اقیانوس اطلس و سواحل شرقى اقیانوس آرام به نام Hurricane ، در سواحل غربى اقیانوس آرام به نام Typhoon و در سواحل حاشیه‌اى اقیانوس هند به نام Cyclone معروف هستند به نواحى پر جمعیت هجوم مى‌برند، ممکن است هزاران نفر کشته و میلیاردها دلار خسارت بر جاى گذارند. و هیچ چیز ، مطلقا هیچ چیز ، در برابر آنها توان ایستادگى و مقاومت ندارد.اما آیا این نیروهاى مهیب طبیعت باید براى همیشه از حیطه کنترل ما خارج باشند؟ چطور مى‌توان توفانها را به مسیرهاى کم خطرتر هدایت کرد یا در غیر این صورت لااقل آنها را به جهات مختلف پراکنده ساخت. گر چه تحقق این هدف بزرگ شاید براى دهه‌ها بعد قابل تصور باشد، اما نتایج تحقیقات نشان مى‌دهند که مطالعه احتمالات متعدد در این زمینه چندان آسان نخواهد بود.
|
براى برداشتن نخستین گامها در مسیر کنترل توفانها ، محققان باید قادر باشند که اولا مسیر جارى شدن یک توفان را با دقت فوق العاده زیادى پیش بینى کنند، ثانیا هویت تغییرات فیزیکى (از قبیل تغییرات دماى هوا) را که بر رفتار توفان اثر گذار خواهند بود تشخیص دهند و ثالثا راههایى را براى تأثیر گذارى بر آن تغییرات پیدا کنند. این کار اکنون در مراحل آغازین خود قرار دارد، اما شبیه سازىهاى کامپیوترى توفانها که طى چند سال گذشته با موفقیت قابل وصفى انجام شده‌اند به وضوح نشان مى‌دهند که تعدیل رفتار توفانها بالاخره روزى میسر خواهد بود. در این میان ، چیزى که بیش از هر چیز دیگر پیش بینى آب و هوا را مشکل مى‌سازد، حساسیت فوق العاده اتمسفر (جو زمین) به تحریکات کوچک است، اما همین امر می‌تواند کلید واقعى دستیابى بشر به کنترلى باشد که دائما در جست و جوى آن است. تلاشهایی براى اثر گذارى بر مسیر یک توفان شبیه سازى شده ، به عنوان مثال ، از طریق ایجاد تغییرات کوچک در کیفیت اولیه توفان ، بطور قابل ملاحظه‌اى موفقیت آمیز از کار درآمد و نتایج بعدى نیز همچنان روند مطلوب قبلى را تداوم بخشیده‌اند.
ماهیت توفانها
براى اینکه ببینیم اساسا چرا توفانها (Hurricanes) و سایر تندبادهاى گرمسیرى مى‌توانند مستعد پذیرش مداخله انسان باشند، باید ماهیت و منشاء اصلى وقوع توفانها را دریافت. توفانها ، به شکل دسته‌هایى از تندبادهاى همراه با آذرخش و صاعقه بر فراز اقیانوسهاى گرمسیرى ظاهر مى‌شوند. دریاهاى واقع در عرضهاى جغرافیایى پایین دائما حرارت و رطوبت زیادى را براى اتمسفر به ارمغان مى‌آورند و این امر باعث مى‌شود تا هواى گرم و مرطوب فراوانى بر فراز سطح دریا تشکیل شود. وقتى این هوا به سمت سطوح فوقانى جو حرکت مى‌کند، بخار آب موجود در آن تقطیر مى‌شود و بدان وسیله موجبات تشکیل ابرها و فرو ریختن انواع نزولات را فراهم مى‌سازد.تقطیر بخار آب موجود در هوا باعث آزاد شدن حرارت در سطوح فوقانى جو مى‌شود و این حرارت که اصطلاحا از آن به عنوان «گرماى نهان تقطیر» نام برده مى‌شود، به همراه حرارت تابشى خورشید که اصلى‌ترین عامل تبخیر آب در سطح اقیانوس محسوب مى‌شود، سبکى بیشترى را براى هوا به ارمغان آورده و باعث مى‌شوند تا هوا طى یک فرآیند بازخوردى تقویتى (Feedback) آمادگى صعود به ارتفاعات بالاتر را پیدا کند. نهایتا ، فرود این هواى گرمسیرى باعث سازماندهى تدریجى و تقویت سامانه‌اى مى‌شود که به نوبه خود موجبات تشکیلقطب مرکزى سکواى را فراهم مى‌سازد که یک توفان دریایى به دور آن مى‌چرخد. با رسیدن این سامانه به زمین ، منبع پایدار آب گرم توفان از آن جدا مى‌شود که همین امر به تضعیف سریع توفان مى‌انجامد.
رویاى کنترل توفان از آنجایى که توفان بیشتر انرژى‌اش را از حرارت آزاد شده در نتیجه تقطیر بخار آب بر فراز اقیانوس (که بعدها به تشکیل ابر و فرود نزولات جوى مى‌انجامد) بدست مى‌آورد، لذا نخستین چیزى که محققان در رویاهاى خویش براى پیش بینى زمان وقوع این پدیده‌هاى وهم آسا مجسم ساخته بودند، تلاش همه جانبه براى ایجاد تغییر در فرآیند تقطیر با استفاده از تکنیکهاى بارور سازى ابرها بود که در دهه‌هاى دورتر به عنوان تنها راه عملى براى تأثیر گذارى بر شرایط آب و هوایى مناطق مطرح بود. در اوایل دهه ، 1960 یک هیأت مشاوره‌اى علمى به نام Project Stormfury که از سوى دولت آمریکا مأموریت یافته بود، اقدام به انجام یک سرى آزمایشهاى دلیرانه یا شاید متهورانه با هدف تعیین چگونگى امکان اجرایى کردن آن راهکار نمود. هدف Project Stormfury کاستن از سرعت گسترش یک توفان از طریق تشدید یا تقویت سرعت نزول باران در نخستین باند یا حوزه بارانى در خارج از Eye Wall یا حلقه ابرها و بادهاى شدیدى بود که در حوزه دید قرار داشتند.
آنها تلاش کردند تا این هدف را با پاشیدن ذرات یدید نقره بر روى ابرها بوسیله هواپیما محقق سازند: در این روش ، از ذرات یدید نقره به عنوان هسته‌هایى لازم براى تشکیل یخ از بخار آبى استفاده شد که پس از صعود به بالاترین و سردترین محدوده‌هاى ارتفاعى توفان عملاً مادون سرد (Supercooled) شده بود. اگر همه چیز طبق پیش بینی‌هاى رویا پردازانه مبتکران آن طرح پیش رفته بود، ابرها سریعتر رشد مى‌کردند و موجودى هواى گرم و مرطوب نزدیک سطح اقیانوس را به مصرف مى‌رساندند و در نتیجه جایگزین EyeWall قبلى مى‌شدند. این فرآیند در ادامه باعث افزایش شعاع عملکرد توفان و در نتیجه کاهش شدت آن مى‌شد، درست همان طورى که یک اسکیت باز خبره براى کاستن از سرعت دوران خود دستانش را به طرفین باز مى‌کند. نتایج تحقیقات Project Stormfury در بهترین حالت مبهم و دو پهلو بودند. هواشناسان امروزى انتظار ندارند که این کاربرد ویژه بارورسازى ابرها در مورد توفانها مؤثر باشد، زیرا برخلاف تصورات اولیه ، توفانها حاوى بخار آب مادون سرد نیستند.
آب و هواى مغشوش
یک سیستم بى نظم (Chaotic System) سیستمى است که در نگاه اول به نظر مى‌رسد که رفتارى تصادفى داشته باشد، اما در واقع ، همین سیستم تحت حاکمیت قوانینى قرار دارد. چنین سیستمى به شرایط اولیه نیز بسیار حساس است، به گونه‌اى که ورودیهاى ظاهرا ناچیز و دلخواه قادرند تأثیرات شگرفى را بر روى آن داشته باشند که این امر نیز به نوبه خود نتایج پیش بینى ناپذیرى را در سریعترین زمان ممکن در پى خواهد داشت. در مورد توفانها ، بروز تغییرات کوچک در جنبه‌هایى از قبیل دماى اقیانوس ، موقعیت مکانى جریانهاى شدید باد (که تنظیم کننده سرعت و جهت حرکت توفانها هستند)، یا حتى شکل ابرهاى بارانى حاضر در سراسر حوزه دید مى‌تواند تأثیر عمیقى را بر مسیر حرکت و توان بالقوه یک توفان بر جاى نهد.حساسیت شدید جو زمین به تغییرات کوچک و آمیختگى سریع خطاهاى کوچک با مدلهاى پیش بینى آب و هوا چیزى است که پیش بینى طولانى مدت (بیش از پنج روز پیش از وقوع توفان) را تا این حد مشکل ساخته است. اما این حساسیت چطور ممکن است ورودىها یا تحریکات جزیى چنان تأثیرات عمیقى را بر توفانها بر جاى نهند که بتوانند آنها را از مراکز جمعیتى ساحلى دور کرده یا لااقل از سرعت بادهاى همراه آنها بکاهند.
 
قبل از طوفان ---------------- بعد از طوفان
|
مدل سازى آب و هواى مغشوش
حتى بهترین مدلهاى کامپیوترى پیش بینى وضعیت آب و هوا در روزگار فعلى وقتى پاى پیش بینى به میان مى‌آید بسیارى چیزها را در حد رویا باقى مى‌گذارند، اما با توسل جستن به آنها مى‌توان مدل سازى توفانها را ساده‌تر کرد. مدلهاى کامپیوترى یاد شده به روشهاى عددى بستگى دارند که فرآیند پیچیده گسترش یک توفان را با به محاسبه در آوردن شرایط برآورده شده جوى در فواصل زمانى کوتاه و پى در پى شبیه سازى مى‌کنند. محاسبات عددى پیش بینى وضعیت آب و هوا بر این فرض اولیه استوارند که در جو زمین هیچ آفرینش یا انهدام جرم ، انرژى ، مومنتوم (اندازه حرکت) و رطوبتى میسر نخواهد بود (اصول بقا). در یک سیستم سیال ، نظیر یک توفان ، این کمیتهاى تغییر ناپذیر دوشادوش جریان توفان جابجا مى‌شوند. با این حال ، نزدیک مرزها یا حواشى سیستم ، بر پیچیدگى مسائل افزوده مى‌شود. به عنوان مثال ، در سطح دریا ، شبیه سازىهاى ما باید بتوانند پاسخگوى بدست آوردن یا از دست دادن چهار کمیت تغییر ناپذیر اصلى باشند.مدل سازان وضعیت جوى را به عنوان یک ویژگى کامل متغیرهاى فیزیکى قابل اندازه گیرى ، از جمله فشار ، دما ، رطوبت نسبى و سرعت و جهت باد ، تعریف مى‌کنند. این کمیتها معادل خواص فیزیکى تغییر ناپذیرى هستند که شبیه سازیهاى کامپیوترى بر آنها استوارند. در بیشتر مدلهاى آب و هوایى ، این متغیرهاى رؤیت پذیر بر روى یک نمودار میله‌اى سه بعدى از اتمسفر به تصویر کشیده مى‌شوند، بنابراین مى‌توان نقشه‌اى از هر ویژگى را براى هر ارتفاع معینى رسم کرد.
مدل سازان به هیچ وجه مجموعه مقادیر همه این متغیرها را نقاط میله‌اى کیفیت مدل نمى‌نامند. براى انجام یک پیش بینى مناسب ، یک مدل عددى پیش بینى وضعیت آب و هوا پى در پى کیفیت مدل را لحظه به لحظه در فواصل زمانى کوتاه (از چند ثانیه تا چند دقیقه بسته به مقیاس طرح مورد بررسى توسط مدل) بهبود مى‌بخشد. مدل عددى یاد شده میزان تأثیرات بوجود آمده را که حین هر فاصله زمانى معین در مقادیر خواص متعدد جوى و نیز فرآیندهاى تبخیر ، بارش ، سایش سطحى ، سرمایش مادون قرمز و گرمایش خورشیدى که در ناحیه مورد نظر اتفاق مى‌افتد، محاسبه مى‌کند.
خاصیت پیش بینى
متأسفانه پیش بینی‌هاى هواشناسانه ناقص و اعتماد ناپذیر هستند. در وهله اول ، کیفیت آغازین مدلها همواره ناقص و غیردقیق است. کیفیت اولیه مدلها براى توفانها نیز داراى نواقصى بوده و خصوصا تعریفشان مشکل است، زیرا مشاهدات مستقیم بسیار معدود بوده و انجامشان نیز مشکل است. با این حال از مشاهده تصاویر ماهواره‌اى ابرها می‌توان که توفان ها داراى ساختارهاى پیچیده و تو در تویى هستند. اگر چه این تصاویر بالقوه بسیار سودمند خواهند بود، اما ما نیازمند آگاهى یافتن از مسائلى بسیار بیشتر و پیچیده‌تر از این هستیم. ثانیا حتى با کیفیت کامل اولیه ، مدلهاى کامپیوترى توفانهاى گرمسیرى بزرگ به خودى خود مستعد بروز اشتباه هستند.به عنوان مثال اتمسفر فقط در یک میله از نقاط مدل سازى مى‌شود. وجوهى کوچکتر از طول میله که همانا مسافت بین دو نقطه میله‌اى مجاور را تشکیل مى‌دهد، بطور دقیق قابل لمس نخواهند بود. بدون یک عزم بسیار جدى ، ساختار یک توفان در مجاورت Eye Wall مهمترین وجه آن پوشیده باقى مانده و جزئیات آن نیز نامعلوم باقى خواهد ماند. به علاوه ، این مدلها ، درست شبیه اتمسفرى که شبیه سازى می‌کنند، طبق یک الگوى بى نظم رفتار مى‌کنند و اشتباهات بر آمده از هر دوى این منابع خطا به موازات اقدام براى انجام محاسبات پیش بینى وضع هوا سریعا فزونى می‌یابند. به رغم محدودیتهایش ، این فناورى هنوز براى اهداف ما اجتناب ناپذیر جلوه مى‌کند. در این زمینه اقدام به طرح ریزى یک سیستم بسیار کار آمد اولیه پیش بینى آب و هوا به نام «شبیه سازى چهار بعدى داده هاى تغییرپذیر» 4 DVAR کرده‌اند.
بعد چهارمى که در این روش به آن استناد شده «زمان» است. محققان «مرکز پیش بینى‌هاى آب و هوایى متوسط اروپا» یکى از مهمترین مراکز هواشناسى جهان از این تکنیک پیشرفته براى پیش بینى وضع آب و هواى هر روز اروپا استفاده مى‌کنند. براى تحقق بخشیدن به هدف متعالى استفاده بهینه از همه مشاهدات جمع آورى شده توسط ماهواره‌ها ، کشتى‌ها ، راهنماهاى شناور و حسگرهاى هوابرد پیش از آنکه عملیات پیش بینى آغاز شود، 4 DVAR این اندازه گیریها را با یک حدس اولیه قابل قبول از کیفیت اولیه اتمسفر طى فرآیندى به نام یکسان سازى داده‌ها ترکیب مى‌کند. این حدس اولیه معمولا یک پیش بینى 6 ساعته است که در هنگام مشاهدات اصلى معتبر خواهد بود. توجه داشته باشید که 4 DVAR براى هر مشاهده‌اى دلیل موجهى اقامه مى‌کند، درست زمانى که از آن به جاى گروه بندى آن مشاهدات در طول یک بازه زمانى چند ساعته استفاده مى‌شود. نتیجه ترکیب کردن داده‌هاى حاصل از مشاهده و حدس اولیه سپس براى گام برداشتن در مسیر پیش بینى 6 ساعته بعدى مورد استفاده قرار مى‌گیرد.