السيطرة على الأعاصير؟ هل من الممكن تخفيف قوة الأعاصير أو تغيير مسارها؟ تشير المحاكاة العددية إلى كيفية تحقيق ذلك.
في الأيام الأخيرة من أكتوبر 2012 ، دمر إعصار ساندي شمال شرق أمريكا الشمالية بعد أن اجتاح جزر الهند الغربية. وكانت هاييتي والولايات المتحدة الأكثر تضررا حيث بلغت 60 و 131 ضحية على التوالي. بالإضافة إلى ذلك ، يُقال إن ساندي تسببت في أضرار في الممتلكات بأكثر من 52 مليار دولار (حوالي 41 مليار يورو). يكاد هذا السجل المحزن أن ينسى أن هذا الإعصار هو العاصفة الاستوائية الثامنة عشرة لموسم الأعاصير في عام 2012 في شمال المحيط الأطلسي والعاشرة التي وصلت إلى مستوى الإعصار. تذكر أن نفس الظاهرة تسمى إعصار في شمال غرب المحيط الهادئ ، وإعصار في المحيط الهندي.
هل محكوم علينا أن نظل عاجزين في مواجهة قوى الطبيعة المروعة هذه؟ لا نعتقد ذلك: نحن ندرس الاحتمالات النظرية لصرف الأعاصير أو تقليل قوتها التدميرية. من حيث المبدأ ، للسيطرة على الإعصار ، فإن المكونات الضرورية هي كما يلي: التنبؤ بدقة بمسار الإعصار ، وتحديد المعلمات الفيزيائية (مثل درجة حرارة الهواء أو الضغط) التي سيؤثر تعديلها على سلوك الأعاصير ، وإيجاد طرق “لإجراء هذه التغييرات. على الرغم من أن هذا المجال من البحث لا يزال في مهده ، إلا أن المحاكاة العددية للأعاصير تظهر أن مثل هذه التعديلات قد تكون ممكنة في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العامل الذي يجعل التنبؤ بالطقس أمرًا صعبًا للغاية ، وهو إن الحساسية الشديدة للغلاف الجوي ، ولا سيما الأعاصير ، للتغيرات الدقيقة في البارامترات ، ستكون مفتاح السيطرة على الأعاصير المدارية المدمرة. حاولنا ثني مسار محاكاة الإعصار ، مما أدى إلى تغيير طفيف في حالة العاصفة الأولية ، وكانت النتائج واعدة.
إقرأ أيضا:النفخة الوهميةجدول المحتويات
إشعار العاصفة
يبدأ الإعصار بتراكم العواصف الرعدية فوق محيط استوائي. تنقل المياه الاستوائية باستمرار الحرارة والرطوبة إلى الغلاف الجوي ، مما يخلق هواءًا دافئًا ورطبًا فوق هذه المناطق. ومع ارتفاع هذا الهواء ، يتكثف بخار الماء الذي يحتويه ويشكل السحب وهطول الأمطار. يطلق التكثيف الحرارة ، وهي الحرارة التي كانت تستخدم لتبخير المياه من المحيط. هذه الحرارة ، المعروفة باسم الحرارة الكامنة للتكثيف ، تعمل على تفتيح الهواء ، والذي يرتفع بدرجة أعلى في عملية تضخيم ذاتي. عندما يشتد الإعصار ، تتشكل عين (المركز الهادئ بضغط منخفض والذي يدور حوله الإعصار).
يحصل الإعصار على معظم طاقته من الحرارة المنبعثة من بخار الماء أثناء تكثيفه في السحب والمطر فوق المحيط. لهذا السبب ، أصبح علماء الأرصاد الجوية الأوائل الذين حلموا بالسيطرة على الأعاصير مهتمين بهذا الجانب من تكوين الإعصار. لقد أرادوا إحداث التكثيف من خلال تقنيات البذر السحابي.
السيطرة على الأعاصير : في أوائل الستينيات
في أوائل الستينيات ، مشروع Stormfuryيتألف من سلسلة من التجارب الجريئة والمتهورة من أجل تحديد فرص نجاح مثل هذا المشروع. يهدف المشروع إلى إبطاء تطور الإعصار عن طريق زيادة هطول الأمطار في حلقة السحب والرياح العاتية التي تحيط بالعين. كانت الفكرة هي زرع الغيوم في هذه المنطقة بجزيئات يوديد الفضة المشتتة بواسطة الطائرات بحيث تكون بمثابة جراثيم لتكوين بلورات الجليد من الماء الذي لا يزال في حالة بخار (بينما تكون درجة الحرارة أقل من 0 درجة مئوية) من أعلى طبقات الإعصار ، وبالتالي ، أبردها. نظريًا ، كان من المفترض أن تتشكل السحب بشكل أسرع ، فتستهلك احتياطيات الهواء الساخن والرطب بالقرب من سطح المحيط وبالتالي استبدال الجدار العاصف والمضطرب حول العين. كان من المقرر أن يزداد نصف قطر العين وتقل شدة الإعصار. ومع ذلك ، فإن نتائجلم تكن العاصفة حاسمة. علاوة على ذلك ، لن يكون يوديد الفضة عاملًا فعالًا في بذر السحب لأنه ، على عكس الاعتقاد السائد ، تحتوي العواصف على القليل من بخار الماء فائق التبريد.
إقرأ أيضا:الأطعمة المعلبةتستند دراساتنا على نظرية الأنظمة الفوضوية.
تستند دراساتنا على نظرية الأنظمة الفوضوية. على الرغم من أن هذه الأنظمة يبدو أن لها سلوكًا عشوائيًا ، إلا أن ديناميكياتها تخضع للقوانين: في الواقع ، النظام الفوضوي حساس للغاية للظروف الأولية ، بحيث يكون للاضطرابات الصغيرة أحيانًا تأثير ملحوظ وعواقب غير متوقعة.
في حالة الأعاصير ، فإن الاختلافات الطفيفة في معايير معينة ، مثل درجة حرارة المحيط ، وموقع التيارات التي تحدد حركات العواصف ، وحتى شكل سحب المطر التي تدور حول العين ، تؤثر على المسار. من الإعصار وقوتها. جعلتني حساسية الغلاف الجوي للتغيرات الصغيرة أعتقد أن الاضطرابات الطفيفة المطبقة على الأعاصير سيكون لها تأثيرات قوية يمكن أن تدفع الإعصار بعيدًا عن منطقة مأهولة أو تقلل من سرعات الرياح.
في السنوات الأخيرة ، حققت تقنيات المحاكاة الحاسوبية ووسائل الكشف عن بُعد تقدمًا كافيًا لاختبار هذه الفرضية. بالتعاون مع المركز الأمريكي لأبحاث الغلاف الجوي والبيئية ومعهد ناسا للمفاهيم المتقدمة ، نحاول تحديد الإجراءات الملموسة الممكنة. على وجه الخصوص ، نقوم بمحاكاة سلوك الأعاصير الماضية ونختبر تأثيرات التدخلات المختلفة التي قد تكون ممكنة في المستقبل على الأعاصير الفعلية.
السيطرة على الأعاصير : وقت فوضوي
لإنشاء نماذجنا ، قمنا بتكييف برامج الكمبيوتر المستخدمة حاليًا للتنبؤ بالطقس. تعتمد هذه التقنيات على طرق عددية تحاكي عملية تطور العاصفة عن طريق حساب المعلمات وفقًا لتسلسل زمني. تستغل حسابات توقعات الطقس ثبات بعض المعلمات مثل الكتلة والطاقة والزخم والمحتوى المائي في الغلاف الجوي. في نظام السوائل ، مثل الإعصار ، يتم نقل هذه الكميات مع التدفق.
إقرأ أيضا:أكبر 3 غابات في العالمومع ذلك ، بالقرب من الحدود والمناطق الانتقالية للنظام ، فإن الظواهر أكثر تعقيدًا. على سطح المحيط ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكتسب الغلاف الجوي أو يفقد جزءًا صغيرًا من الكميات المفترض أنها ثابتة ، وبالتالي يجب أن تأخذ عمليات المحاكاة هذه الاختلافات في الاعتبار.
في المحاكاة
يتم تحديد حالة الغلاف الجوي من خلال متغيرات فيزيائية قابلة للقياس ، مثل الضغط أو درجة الحرارة أو الرطوبة النسبية أو سرعة الرياح أو اتجاه الرياح. في معظم نماذج الطقس ، يتم تحديد هذه المتغيرات على شبكة ثلاثية الأبعاد ، بحيث يمكن تعيين كل متغير كدالة لموضعه. تشكل مجموعة القيم لجميع المتغيرات في جميع نقاط الشبكة “حالة النموذج”. لعمل توقع ، يتقدم نموذج الطقس الرقمي خطوة بخطوة ، مما يؤدي إلى تقدم حالة النموذج بزيادات صغيرة في الوقت في كل خطوة حسابية (تمثل من بضع ثوانٍ إلى بضع دقائق اعتمادًا على دقة النموذج). يحسب النموذج ، لكل فترة زمنية أولية ، ملف
ومع ذلك ، فإن نماذج التنبؤ بالطقس غير كاملة. أولاً ، الحالة الأولية التي أدخلت في نموذج رقمي ، والتي تتوافق مع الحالة الحقيقية للغلاف الجوي في لحظة معينة ، معروفة جزئيًا فقط. في حالة حدوث إعصار ، يصعب تحديد الحالة الأولية بشكل خاص ، لأن الملاحظات المباشرة التي يصعب تحقيقها قليلة. ومع ذلك ، بفضل صور الأقمار الصناعية ، نعلم أن الأعاصير لها هياكل معقدة ، ولكنها قابلة للتكرار.
ثانياً ، النماذج الحاسوبية للعواصف الاستوائية الكبيرة معيبة. على وجه الخصوص ، يفرض استخدام شبكة شبكة ثابتة حدًا أدنى للطول لا يتم مراعاة تفاصيل الكائن المحاكى تحته. يمكن أن يشكل هذا القيد صعوبات ، خاصة بالقرب من جدار العين الذي يعد أهم منطقة في الإعصار وأكثرها تقدمًا. أخيرًا ، النماذج ، مثل الغلاف الجوي الذي تتكاثر فيه ، تتصرف بطريقة فوضوية ، بحيث يتضخم خطأ صغير في نمذجة المعلمة بسرعة أثناء حدوث المحاكاة.
السيطرة على الأعاصير : تحسينات الحلقة
على الرغم من هذه القيود ، فإن هذه الطريقة مثيرة للاهتمام لغرضنا. بالنسبة لتجربتنا ، قمنا بتعديل طريقة تُعرف باسم استيعاب البيانات المتغيرة رباعي الأبعاد ( 4DVAR ) ، والبعد الرابع هو الوقت. يستخدم المتخصصون في المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى ( ECMWF ) في ريدينغ ، بريطانيا العظمى ، أحد أكبر مراكز الأرصاد الجوية في العالم ، هذه التقنية المتطورة للتنبؤات اليومية.
لتحقيق أفضل استخدام ممكن للبيانات المرسلة عن طريق الأقمار الصناعية والسفن وأجهزة الاستشعار المحمولة جواً ، يجمع نموذج 4DVAR هذه البيانات مع التقدير الأول للحالة الأولية للغلاف الجوي. الافتراض الأول عادة ما يكون توقع الساعة السادسة.
من الناحية النظرية
من الناحية النظرية ، ينتج عن استيعاب البيانات تقريب أمثل للظروف الجوية مع مراعاة الملاحظات والتقدير الأول. على الرغم من أن الأسس الإحصائية لهذه التقنية معروفة ، إلا أن الافتراضات والمعلومات اللازمة للتطبيق الصحيح للنظرية غير كاملة. في الممارسة العملية ، فإن طريقة استيعاب البيانات هي فن بقدر ما هي علم.
وبالتالي فإن نموذج 4 DVAR يكتشف حالة الغلاف الجوي التي ترضي معادلات النموذج بينما تكون قريبة من كل من التقدير الأول والملاحظات. يؤدي هذه المهمة المعقدة عن طريق إعادة ضبط حالة النموذج الأصلي في بداية أول فترة زمنية مدتها ست ساعات بناءً على الفرق بين الملاحظات والمحاكاة التي تم إجراؤها خلال تلك الفترة. يستخدم نموذج 4DVAR هذه الانحرافات لحساب الحساسية ، أي أصغر التغييرات في كل من المعلمات التي من شأنها تعطيل المطابقة بين الملاحظات والمحاكاة. هذه الحسابات ، باستخدام ما نسميه نموذجًا مساعدًا ، يتم إجراؤها لاحقًاعلى البيانات المسجلة خلال الساعات الست السابقة. ثم يختار برنامج التحسين التعديلات التي سيتم تقديمها في حالة النموذج الأصلي بحيث تكون المحاكاة أقرب ما يمكن إلى .ما لوحظ بالفعل خلال هذه الساعات الست.
نظرًا لأن هذه التعديلات تتم باستخدام تقريب معادلات النموذج ، يجب تكرار الإجراء بأكمله . المحاكاة ، والمقارنات ، والمساعد ، والتحسين – مرارًا وتكرارًا لتحسين النتائج. أخيرًا ، بعد العديد من التكرارات ، توفر ظروف المحاكاة في نهاية فترة الست ساعات التقدير الأولي لفترة الست ساعات التالية.
بعد محاكاة الإعصار الذي حدث في الماضي . والذي تم تسجيل تطوره لمختلف العوامل . يمكننا تعديل واحدة أو أكثر من خصائصه في أي لحظة ودراسة آثار هذه الاضطرابات على ديناميكيات “الإعصار”. يتم امتصاص معظم هذه التغييرات دون ترك أثر. فقط التدخلات ذات الخصائص الخاصة (نمط أو هيكل معين ينتج عنه تضخيم ذاتي) لها عواقب كبيرة بما يكفي لتغيير مسار العاصفة.
السيطرة على الأعاصير : نموذجان من الأعاصير
لاختبار فكرتنا عن استخدام حساسية نظام الغلاف الجوي لتعديل ظواهر الغلاف الجوي .بقوة الأعاصير ، أجرى فريقنا تجارب محاكاة على إعصارين مدمرين تم تسجيلهما في عام 1992: إعصار إنيكي الذي مر بالضبط .فوق جزيرة كاواي ، هاواي في سبتمبر والإعصار أندرو الذي ضرب جنوب فلوريدا قبل شهرين.
على الرغم من عيوب طرق التنبؤ ، كانت تجربة المحاكاة الأولى لدينا ناجحة. اخترنا أولاً المكان الذي أردنا أن تنتهي فيه العاصفة بعد ست ساعات: 90 كيلومترًا إلى الغرب من حيث كانت ستنتهي دون تدخل. ثم استخدمنا هذا الهدف لإنشاء ملاحظات زائفة وقمنا بدمجها في نموذج 4 DVAR . لقد كلفنا الكمبيوتر بمهمة حساب أصغر تغي.ير في المجموعة الأولية للإعصار من المعلمات الرئيسية التي من شأنها أن تؤثر على مساره نحو الهدف. في هذه المرحلة الأولية ، صرنا بجميع التعديلات الممكنة على النظام.
كانت أكثر العوامل حساسية هي درجة الحرارة وسرعة الرياح. كانت التعديلات .النموذجية في درجة الحرارة مجرد بضعة أعشار من الدرجة ، ولكن لوحظ التغيير الأكثر وضوحًا (زيادة ما يقرب من 2 درجة مئوية). في الطبقة السفلية من النموذج ، غرب مركز العاصفة. اقترحت الحسابات تغييرات في سرعة الرياح من ثلاثة إلى خمسة كيلومترات في الساعة. في بعض الأماكن ، كانت السرعات تتغير بمقدار 30 كيلومترًا في الساعة استجابة لانحرافات الرياح الطفيفة بالقرب من مركز العاصفة.
