پیش بینی و کنترل توفان

هر ساله توفان های موسمی بسیار بزرگ که تندبادهایی با سرعت بیش از ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت را ایجاد می کنند, سراسر دریاهای گرمسیری را درنوردیده و به سوی خطوط ساحلی حرکت می کنند

هر ساله توفان های موسمی بسیار بزرگ که تندبادهایی با سرعت بیش از ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت را ایجاد می کنند، سراسر دریاهای گرمسیری را درنوردیده و به سوی خطوط ساحلی حرکت می کنند. این امر غالباً باعث می شود که بخش های وسیعی از نوارهای ساحلی در نقاط مختلف جهان دچار آسیب های جدی و فراوانی شوند. وقتی این توفان های پی در پی که در میان ساکنین سواحل اقیانوس اطلس و سواحل شرقی اقیانوس آرام به نام Hurricane، در سواحل غربی اقیانوس آرام به نام Typhoon و در سواحل حاشیه ای اقیانوس هند به نام Cyclone معروف اند به نواحی پرجمعیت هجوم می برند، ممکن است هزاران نفر کشته و میلیاردها دلار خسارت بر جای گذارند. و هیچ چیز، مطلقاً هیچ چیز، در برابر آنها توان ایستادگی و مقاومت ندارد.

اما آیا این نیروهای مهیب طبیعت باید برای همیشه از حیطه کنترل ما خارج باشند؟ من و همکاران محقق ام هرگز اینگونه نمی اندیشیم. تیم تحقیقاتی ما از مدت ها پیش در پی یافتن پاسخ این سئوال است که چطور می توان توفان ها را به مسیرهای کم خطرتر هدایت کرد یا در غیر این صورت لااقل آنها را به جهات مختلف پراکنده ساخت. گرچه تحقق این هدف بزرگ شاید برای دهه ها بعد قابل تصور باشد، اما نتایج تحقیقات ما نشان می دهند که مطالعه احتمالات متعدد در این زمینه چندان آسان نخواهد بود.

برای برداشتن نخستین گام ها در مسیر کنترل توفان ها، محققان باید قادر باشند که اولاً مسیر جاری شدن یک توفان را با دقت فوق العاده زیادی پیش بینی کنند، ثانیاً هویت تغییرات فیزیکی (از قبیل تغییرات دمای هوا) را که بر رفتار توفان اثرگذار خواهند بود تشخیص دهند و ثالثاً راه هایی را برای تأثیرگذاری بر آن تغییرات پیدا کنند. این کار اکنون در مراحل آغازین خود قرار دارد، اما شبیه سازی های کامپیوتری توفان ها که طی چند سال گذشته با موفقیت قابل وصفی انجام شده اند به وضوح نشان می دهند که تعدیل رفتار توفان ها بالاخره روزی میسر خواهد بود. در این میان، چیزی که بیش از هر چیز دیگر پیش بینی آب و هوا را مشکل می سازد، حساسیت فوق العاده اتمسفر (جو زمین) به تحریکات کوچک است، اما همین امر می تواند کلید واقعی دستیابی بشر به کنترلی باشد که دائماً در جست وجوی آن است. نخستین تلاش تیم تحقیقاتی ما برای اثرگذاری بر مسیر یک توفان شبیه سازی شده، به عنوان مثال، از طریق ایجاد تغییرات کوچک در کیفیت اولیه توفان، به طور قابل ملاحظه ای موفقیت آمیز از کار درآمد و نتایج بعدی نیز همچنان روند مطلوب قبلی را تداوم بخشیده اند.

● ماهیت توفان ها

برای اینکه ببینیم اساساً چرا توفان ها (Hurricanes) و سایر تندبادهای گرمسیری می توانند مستعد پذیرش مداخله انسان باشند، باید ماهیت و منشاء اصلی وقوع توفان ها را دریافت. توفان ها، به شکل دسته هایی از تندبادهای همراه با آذرخش و صاعقه بر فراز اقیانوس های گرمسیری ظاهر می شوند. دریاهای واقع در عرض های جغرافیایی پایین دائماً حرارت و رطوبت زیادی را برای اتمسفر به ارمغان می آورند و این امر باعث می شود تا هوای گرم و مرطوب فراوانی بر فراز سطح دریا تشکیل شود. وقتی این هوا به سمت سطوح فوقانی جو حرکت می کند، بخار آب موجود در آن تقطیر می شود و بدان وسیله موجبات تشکیل ابرها و فرو ریختن انواع نزولات را فراهم می سازد. تقطیر بخار آب موجود در هوا باعث آزاد شدن حرارت در سطوح فوقانی جو می شود و این حرارت که اصطلاحاً از آن به عنوان «گرمای نهان تقطیر» نام برده می شود، به همراه حرارت تابشی خورشید که اصلی ترین عامل تبخیر آب در سطح اقیانوس محسوب می شود، سبکی بیشتری را برای هوا به ارمغان آورده و باعث می شوند تا هوا طی یک فرایند بازخوردی تقویتی (Feedback) آمادگی صعود به ارتفاعات بالاتر را پیدا کند. نهایتاً، فرود این هوای گرمسیری باعث سازماندهی تدریجی و تقویت سامانه ای می شود که به نوبه خود موجبات تشکیل «قطب مرکزی سکون»ای را فراهم می سازد که یک توفان دریایی به دور آن می چرخد. با رسیدن این سامانه به زمین، منبع پایدار آب گرم توفان از آن جدا می شود که همین امر به تضعیف سریع توفان می انجامد.

رویای کنترل توفاناز آنجایی که توفان بیشتر انرژی اش را از حرارت آزاد شده در نتیجه تقطیر بخار آب بر فراز اقیانوس (که بعدها به تشکیل ابر و فرود نزولات جوی می انجامد) به دست می آورد، لذا نخستین چیزی که محققان در رویاهای خویش برای پیش بینی زمان وقوع این پدیده های وهم آسا مجسم ساخته بودند، تلاش همه جانبه برای ایجاد تغییر در فرایند تقطیر با استفاده از تکنیک های بارورسازی ابرها بود که در دهه های دورتر به عنوان تنها راه عملی برای تأثیرگذاری بر شرایط آب و هوایی مناطق مطرح بود. در اوایل دهه ،۱۹۶۰ یک هیات مشاوره ای علمی به نام Project Stormfury که از سوی دولت آمریکا مأموریت یافته بود، اقدام به انجام یک سری آزمایش های دلیرانه یا شاید متهورانه با هدف تعیین چگونگی امکان اجرایی 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 بارانی در خارج از Eye Wall یا حلقه ابرها و بادهای شدیدی بود که در حوزه دید قرار داشتند [برای آگاهی بیشتر در این زمینه به مقاله «تجربیات ملایم سازی توفان» اثر«آر اچ سیمپسون» و «جوآنه اس مالکوس» در نسخه دسامبر ۱۹۶۴ نشریه ساینتیفیک آمریکن مراجعه کنید].

آنها تلاش کردند تا این هدف را با پاشیدن ذرات یدید نقره بر روی ابرها به وسیله طیاره محقق سازند: در این روش، از ذرات یدید نقره به عنوان هسته هایی لازم برای تشکیل یخ از بخار آبی استفاده شد که پس از صعود به بالاترین و سردترین محدوده های ارتفاعی توفان عملاً مادون سرد (Supercooled) شده بود. اگر همه چیز طبق پیش بینی های رویاپردازانه مبتکران آن طرح پیش رفته بود، ابرها سریع تر رشد می کردند و موجودی هوای گرم و مرطوب نزدیک سطح اقیانوس را به مصرف می رساندند و در نتیجه جایگزین EyeWall قبلی می شدند. این فرایند در ادامه باعث افزایش شعاع عملکرد توفان و در نتیجه کاهش شدت آن می شد، درست همان طوری که یک اسکیت باز خبره برای کاستن از سرعت دوران خود دستانش را به طرفین باز می کند.نتایج تحقیقات Project Stormfury در بهترین حالت مبهم و دو پهلو بودند. هواشناسان امروزی انتظار ندارند که این کاربرد ویژه بارورسازی ابرها در مورد توفان ها مؤثر باشد، زیرا برخلاف تصورات اولیه، توفان ها حاوی بخار آب مادون سرد نیستند.

● آب و هوای مغشوش

مطالعات جاری ما از دل یک کشف قدیمی بیرون آمد که من ۳۰ سال پیش، زمانی که تازه از دانشگاه فارغ التحصیل شده بودم و به تحقیق پیرامون ابعاد مختلف وجودی تئوری آشوب (Chaos Theory) مشغول بودم، به آن پی برده بودم. یک سیستم بی نظم (Chaotic System) سیستمی است که در نگاه اول به نظر می رسد که رفتاری تصادفی داشته باشد، اما در واقع، همین سیستم تحت حاکمیت قوانینی قرار دارد. چنین سیستمی به شرایط اولیه نیز بسیار حساس است، به گونه ای که ورودی های ظاهراً ناچیز و دلخواه قادرند تأثیرات شگرفی را بر روی آن داشته باشند که این امر نیز به نوبه خود نتایج پیش بینی ناپذیری را در سریع ترین زمان ممکن در پی خواهد داشت. در مورد توفان ها، بروز تغییرات کوچک در جنبه هایی از قبیل دمای اقیانوس، موقعیت مکانی جریان های شدید باد (که تنظیم کننده سرعت و جهت حرکت توفان ها هستند)، یا حتی شکل ابرهای بارانی حاضر در سراسر حوزه دید می تواند تأثیر عمیقی را بر مسیر حرکت و توان بالقوه یک توفان بر جای نهد.

حساسیت شدید جو زمین به تغییرات کوچک و آمیختگی سریع خطاهای کوچک با مدل های پیش بینی آب و هوا چیزی است که پیش بینی طولانی مدت (بیش از پنج روز پیش از وقوع توفان) را تا این حد مشکل ساخته است. اما این حساسیت همچنین من را به تعجب وا می دارد که چطور ممکن است ورودی ها یا تحریکات جزیی چنان تأثیرات عمیقی را بر توفان ها بر جای نهند که بتوانند آنها را از مراکز جمعیتی ساحلی دور کرده یا لااقل از سرعت بادهای همراه آنها بکاهند.

من در زمان های دور قادر به پیگیری آن ایده ها نبودم، اما طی دهه گذشته، شبیه سازی کامپیوتری و فناوری های حساس به تغییرات بسیار جزیی به قدری رشد کرده اند که ظاهراً قادر به تحقق بخشیدن رویاهای دوره جوانی من در کنترل پدیده های آب و هوایی در مقیاس بزرگ خواهند بود. هم اینک، من و همکارانم در مؤسسه «تحقیقات جوی و زیست محیطی» (AER) که یک شرکت مشاوره ای در زمینه تحقیقات و توسعه محسوب می شود، با حمایت مالی «مؤسسه مفاهیم پیشرفته ناسا» (سازمان فضانوردی آمریکا) مشغول بهره برداری از مدل های کامپیوتری توفان ها با هدف تشخیص انواع عملیاتی هستیم که ممکن است نهایتاً در جهان واقعی به مورد اجرا گذاشته شوند. به ویژه، ما از فناوری پیش بینی وضعیت آب و هوا برای شبیه سازی رفتار توفان های قبلی و سپس آزمایش نتایج مداخلات متعدد از طریق مورد ملاحظه قرار دادن تغییرات در توفان های مدل سازی شده استفاده می کنیم.

● مدل سازی آب و هوای مغشوش

حتی بهترین مدل های کامپیوتری پیش بینی وضعیت آب و هوا در روزگار فعلی وقتی پای پیش بینی به میان می آید بسیاری چیزها را در حد رویا باقی می گذارند، اما با توسل جستن به آنها می توان مدل سازی توفان ها را ساده تر کرد. مدل های کامپیوتری یاد شده به روش های عددی ای بستگی دارند که فرایند پیچیده گسترش یک توفان را با به محاسبه درآوردن شرایط برآورده شده جوی در فواصل زمانی کوتاه و پی در پی شبیه سازی می کنند. محاسبات عددی پیش بینی وضعیت آب و هوا بر این فرض اولیه استوارند که در جو زمین هیچ آفرینش یا انهدام جرم، انرژی، مومنتوم (اندازه حرکت) و رطوبتی میسر نخواهد بود [اصل بقای جرم، انرژی و . . . ]. در یک سیستم سیال، نظیر یک توفان، این کمیت های تغییرناپذیر دوشادوش جریان توفان جابه جا می شوند. با این حال، نزدیک مرزها یا حواشی سیستم، بر پیچیدگی مسائل افزوده می شود. به عنوان مثال، در سطح دریا، شبیه سازی های ما باید بتوانند پاسخگوی به دست آوردن یا از دست دادن چهار کمیت تغییرناپذیر اصلی باشند.

مدل سازان وضعیت جوی را به عنوان یک ویژگی کامل متغیرهای فیزیکی قابل اندازه گیری، از جمله فشار، دما، رطوبت نسبی، و سرعت و جهت باد، تعریف می کنند. این کمیت ها معادل خواص فیزیکی تغییرناپذیری هستند که شبیه سازی های کامپیوتری بر آنها استوارند. در بیشتر مدل های آب و هوایی، این متغیرهای رویت پذیر بر روی یک نمودار میله ای سه بعدی از اتمسفر به تصویر کشیده می شوند، بنابراین می توان نقشه ای از هر ویژگی را برای هر ارتفاع معینی رسم کرد. مدل سازان به هیچ وجه مجموعه مقادیر همه این متغیرها را نقاط میله ای کیفیت مدل نمی نامند.برای انجام یک پیش بینی مناسب، یک مدل عددی پیش بینی وضعیت آب و هوا پی درپی کیفیت مدل را لحظه به لحظه در فواصل زمانی کوتاه (از چند ثانیه تا چند دقیقه بسته به مقیاس طرح مورد بررسی توسط مدل) بهبود می بخشد. مدل عددی یاد شده میزان تأثیرات به وجود آمده را که حین هر فاصله زمانی معین در مقادیر خواص متعدد جوی و نیز فرایندهای تبخیر، بارش، سایش سطحی، سرمایش مادون قرمز و گرمایش خورشیدی که در ناحیه مورد نظر اتفاق می افتد، محاسبه می کند.

تیموری