Возможные воздействия на ураганы

Возможные воздействия на ураганы

"Возможные воздействия на ураганы"

Введение

На Земле - самой спокойной и, скорее всего, единственной приспособленной к жизни планете Солнечной системы - все же случаются природные катастрофы. Одни из самых опасных - штормы и ураганы, вызывающие огромные разрушения, экологические бедствия, неизмеримость (вопреки цифрам) человеческих жертв. Наука давно ищет способы устранения этих катаклизмов, но способна пока лишь на долговременный прогноз мест их появления и степени опасности.

Поиски "рычагов воздействия" на непокорную природу продолжаются. С появлением более мощных технических средств, в первую очередь связанных со спутниками и исследованием космоса, возобновляются попытки "обуздания" катастроф. И в последнее время получены определенные результаты по выявлению причин возникновения ураганов и возможности укрощения их силы.

1.Описание урагана, причины и география возникновения

ураган атмосферный география электрический

Тропический циклон (тайфун, ураган) - атмосферный вихрь с пониженным атмосферным давлением в центре. В отличие от внетропических циклонов, тропический циклон часто сопряжён со штормовыми скоростями ветра. В мире ежегодно наблюдается около 80 тропических циклонов. Для формирования тропического циклона необходима высокая температура воды, сила тропических циклонов намного больше, чем внетропических.

На Дальнем Востоке и в Юго-Восточной Азии тропические циклоны называются тайфунами, а вСеверной и Южной Америке - ураганами (исп. huracán, англ. hurricane), по имени индейского бога ветра Hu racan. Принято считать, что шторм переходит в ураган при скорости ветра более 117 км/час согласно Шкале Бофорта.

Обычно тропические циклоны имеют небольшой (по сравнению с другими циклонами) размер, составляющий около 200-300 километров в диаметре, в то же время давление в центре циклона опускается до 0,95 (а иногда и до 0,9) атмосфер. Оба эти фактора обеспечивают очень большие барические градиенты. Ветры достигают силы шторма и урагана. Сила Кориолиса (отклоняющая сила вращения Земли) является причиной возникновения вращения циклона, следовательно, ветры в тропических циклонах северного полушария дуют против часовой стрелки, а южного полушария - по часовой стрелке.

Скорость ветра в спиральных завихрениях воздуха достигает 240-320 км/ч. В штилевом центре, «глазе» циклона находится тёплый воздух, который опускается к поверхности земли (или воды). Размеры такого глаза в поперечнике могут быть от 6,5 до 48 км. Наличие в центре тёплого воздуха способствует понижению атмосферного давления у поверхности. Тёплый влажный воздух закручивается спиралью вокруг «глаза». Конденсация вызывает образование кучево-дождевых облаков, сопровождаемое выделением тепла, что в свою очередь усиливает спиральное восхождение воздуха вокруг центра циклона.

В нижних слоях воздушные массы втекают внутрь циклона, в высоких слоях эта конвергенция (сходимость) поля ветра перекрывается ещё более сильной дивергенцией (расходимостью). Это приводит к сильному восходящему движению воздуха во всей области циклона и к развитию мощной облачной системы с обильными ливневыми осадками и грозами.

От мощных облаков свободна только небольшая (диаметром от 8 километров) внутренняя часть циклона, называемая глаз бури или глаз тайфуна.

Тропические циклоны возникают во внутритропической зоне конвергенции над перегретыми океаническими площадями. При этом такая зона конвергенции должна находиться не менее чем в 5° от экватора (в подавляющем большинстве случаев не менее чем в 10° от экватора), чтобы отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) была достаточно велика. Сформировавшиеся тропические циклоны движутся вместе с воздушными массами с востока на запад, при этом постепенно отклоняясь к высоким широтам.

Основной источник энергии тропических циклонов - выделение тепла при конденсации водяного пара в восходящем воздушном потоке, этим так же объясняется то, что попадая на сушу, они быстро затухают. Также известно, что для зарождения циклона температура у поверхности воды должна подняться минимум до 27 °C.

Почти все тайфуны формируются в области до 30° от экватора (но могут формироваться и в средних широтах, для этого требуется высокая температура воды, обычно недостижимая в этих широтах), причем 87 % всех тайфунов формируются в области до 20° от него. Так как вращение тропических циклонов инициируется и поддерживается за счет силы Кориолиса, то циклоны почти никогда не возникают и не перемещаются в области 10° от экватора, где сила Кориолиса слаба. Возникновение тропических циклонов в этой области возможно, только если имеются другие факторы вызывающие вращение, однако такие условия очень редки и вероятность возникновения тропического циклона в этих широтах оценивается как менее чем один циклон в течение века.

Тропические циклоны возникают обычно в следующих районах:

·              северное полушарие: Тихий океан к востоку от Филиппин и Южно-Китайское море, Тихий океан к западу от Калифорнии и Мексики, Атлантический океан к востоку от Больших Антильских островов, Бенгальский залив и Аравийское море.

·              южное полушарие: Тихий океан к востоку от Новой Гвинеи, Индийский океан к востоку от Мадагаскара и к северо-западу от Австралии.

Ураганная активность в Атлантике обычно наблюдается с начала июня по конец ноября, время существования тропических циклонов может достигать трех недель. По подсчётам метеорологов, в районе Атлантики в среднем за сезон образуется 10 тропических штормов, из них 6 превращаются в ураганы, а два - в сильные ураганы.

Атмосферные циклонические вихри меньшего масштаба - торнадо, смерчи, - временами стремительно проходящие над континентами, появляются внезапно; как правило, их обнаруживают, когда они уже успевают нанести значительный ущерб. Методы их обнаружения на ранней стадии развития не разработаны. Основные надежды в этом отношении связывают с изучением присущего подобным вихрям специфического импульсного радиоизлучения.

Энергетические оценки показывают, что попытки управления ураганами «лобовой атакой» на них не приведут к успеху. Но, основываясь на них, можно найти доступный путь управления.

2.Возможности управления ураганами

Судьба крупномасштабного урагана определяется как эволюцией термобарического поля, в котором движется ураган, так и его взаимодействием с подстилающей поверхностью. Законы трансформации ураганов изучены в значительно меньшей мере, чем законы их перемещения. Тем не менее, основные причины, которые приводят к разрушению ураганных вихрей, известны, хотя и не всегда поддаются достаточно полному расчету. Эволюция ураганов и их разрушительное действие непосредственно связаны с вихревыми движениями.

Запишем полное уравнение вихря скорости:

где  - вектор скорости воздушной частицы;  - суммарная сила, действующая на единицу массы воздушной частицы;  - статическое давление;  - плотность воздуха; D - коэффициент кинематической вязкости воздуха, который для атмосферных условий зависит от степени турбулентности. Его обычно называют коэффициентом турбулентности. Вихрь скорости  часто называют также завихренностью.

Уравнение (2.1) упрощается в следующих случаях: а) если сила  потенциальна (обозначим потенциал через U), тогда  и, следовательно,

,

б) если силы кинематической вязкости пренебрежимо малы, т. е.

, (2.3)

в) если атмосферу можно считать баротропной, тогда векторы  и  коллинеарны и, следовательно,

г) если воздух можно считать несжимаемым, тогда

,

Даже при ураганном ветре это условие можно считать выполняющимся.

Изменение интенсивности вихревых движений (их усиление или ослабление) возможно, когда имеет место бароклинность атмосферы, т. е. приток или сток тепла происходит с различной интенсивностью в различных частях термодинамического поля, где сформированы вихревые движения. Если условия (5.2), (5.4) и (5.5) выполняются, а условие (5.3) - нет, то фактором, определяющим нестационарность вихря, оказывается сила трения, под влиянием которой происходит диссипация вихря. Если в исходный момент вихревые движения сосредоточены в ограниченной области, то, как показывает решение, под влиянием сил трения область, охваченная такого рода движениями, расширяется, и соответственно интенсивность вихря в исходной области ослабевает.

Управлять бароклинностью атмосферы путем непосредственного введения тепла или холода внутрь вихря или в его окрестности в настоящее время нереально, для этого необходимы слишком большие количества энергии.

Можно, однако, использовать метастабильность системы переохлажденных облаков, являющихся составной частью урагана, и, изменяя ее с использованием сравнительно энергетически скромных средств, вызывать выделение тепла кристаллизации, соизмеримого по величине со всей энергией урагана. Этой возможностью исчерпываются более или менее изученные пути вмешательства в судьбу сформировавшегося урагана, так как пытаться изменить силы вязкости в нем, в частности путем изменения шероховатости подстилающей поверхности, по-видимому, нереально.

Более реальными представляются пути предотвращения образования тропических ураганов, основанные на управлении тепловым режимом морской поверхности. По-видимому, можно считать установленным, что необходимым условием образования урагана является локальный перегрев поверхностного слоя морской воды, вследствие чего создается бароклинность атмосферы. Препятствуя этому, мы препятствовали бы и зарождению ураганов. В этой связи рассматривают проекты изменения теплового баланса поверхности океана путем покрытия его поверхности плёнками с большим альбедо или создания в приводном слое аэрозольных завес в наиболее вероятных местах зарождения ураганов или на пути их движения. В других проектах рассматривают возможности и последствия уменьшения испарения с поверхности океана. Дело в том, что существенная часть притока тепла в развивающийся ураган обусловлена вертикальным потоком океанической влаги. Резкое уменьшение ее поступления в ураган при переходе с моря на сушу является одной из причин разрушения ураганов. Дело здесь не только в уменьшении влажности воздуха вблизи подстилающей поверхности, а еще и в том, что вследствие наличия волн и брызг океан поставляет в ураган воду значительно более энергично, чем поставляла бы обильно смоченная поверхность суши.

Поступление океанической влаги в ураган усиливается по мере его развития, соответственно усиливаются конденсационные процессы в нем, что влечет за собой увеличение энергии неустойчивости. Как правило, все это способствует развитию урагана. В этом смысле в урагане, пока он движется над океаном, осуществляется как бы цепная реакция - ураган сам себя развивает. Если бы удалось впереди урагана на пути его движения резко сократить направленный вертикально поток влаги, то, по-видимому, тем самым ураган мог бы быть ослаблен еще до выхода его на сушу. На этом основан один из проектов борьбы с ураганами. Интенсивность поступления воды в ураган предполагается ослабить, покрывая поверхность океана перед движущимся ураганом пленкой нерастворимых в воде ПАВ.

С другой стороны, изменение влажности в воздухе, втекающем в струю, при соответствующих условиях может существенно изменить скорость конденсации в ней, а тем самым и интенсивность конвекции. Таким образом, уменьшая испарение на пути следования урагана, можно тем самым, в принципе, ослабить ураган. Однако пока что расчеты таких процессов не выходят за пределы приближенных энергетических оценок возможной трансформации урагана.

Что касается самих методов противодействия развитию ураганов, то в этом плане основные надежды возлагаются на аэрозольные завесы. Их главное назначение заключается в том, чтобы способствовать уменьшению притока тепла к поверхности океанов в местах «созревания» ураганов, и на поверхностно-активные вещества для покрытия поверхности океана на пути движения урагана или непосредственно в его активной области. В одном из вариантов проекта использования аэрозольных завес для ослабления уже существующих ураганов завеса создается на периферии развитого урагана там, где формируется питающий его воздушный поток. Аэрозольные частицы, поглощая солнечную радиацию, должны способствовать усилению конвекции и испарения в воздушном потоке на пути к урагану и тем самым частичному ослаблению потока влаги до подхода к урагану, который они питают.

Какие параметры должны иметь пленки и завесы, чтобы обеспечить действенное ослабление урагана или его предупреждение, пока невозможно сказать. Необходимы модельные расчеты ураганов, их развития и трансформации в результате воздействия на них с учетом конкретных свойств пленок и аэрозолей.

3.Засев кристаллизующими реагентами ураганов с целью их ослабления

Конечно, более радикальным средством было бы искусственное повышение давления непосредственно в центре урагана, т. е. его заполнение. Однако осуществить это пока не представляется возможным.

Что же касается понижения давления на периферии урагана с целью уменьшения максимума радиального градиента давления в нем, то это может быть выполнено, например, путем засева переохлажденных облаков кристаллизующими реагентами. Выделившееся в результате этого тепло будет способствовать при соответствующих условиях усилению конвекции ив соответствии с законом Бернулли - падению статического давления.

Рассмотрим эксперимент с ураганами, выполненных по проекту «Ярость шторма». За ураганом Беула в августе 1963 г. велись наблюдения в течение нескольких дней. Ураган смещался в южном направлении. Первый засев облачности урагана кристаллизующим реагентом AgI был выполнен 23 августа. Однако он оказался малоэффективным, так как в это время облака быстро менялись, йодистое серебро оказалось введенным в почти безоблачную зону, и вызванный им эффект, если и имел место, то с большим опозданием и не был зафиксирован в наблюдениях с самолетов, осуществляющих контроль.

На следующий день, 24 августа, опыт был значительно более удачным. В опыте участвовало 10 самолетов, выполнявших засев и измерения ветра, атмосферного давления, температуры, влажности воздуха, характеристик облачности на высотах 2.1, 5.4, 12 км. На парашютах сбрасывались радиозонды вблизи «глаза» урагана. Радиолокационные и фотограмметрические измерения выполнялись самолетами сверху, а также сбоку, с периферии урагана. Засев облачности был осуществлен по прямолинейной трассе, пересекающей облачную стену урагана по перпендикуляру к траектории его движения. Высказанная выше идея воздействия в опыте 24 августа подтверждается: градиент давления уменьшился, притом не только за счет падения давления, но также и за счет вторичного эффекта повышения давления в центральной части циклона, т. е. его заполнения. Максимальная скорость ветра в урагане уменьшилась, давление в центре выросло. Однако если до воздействия скорость ветрастоль же стремительно росла, а давление падало, то не иллюстрирует ли это естественную флуктуацию развития урагана? Эти сомнения должны быть разрешены последующими экспериментами в природе.

Если до засева кучево-дождевые облака возле глаза урагана образовывали сплошную стену, то после засева наблюдалось частичное рассеяние ее и смещение от центра к периферии примерно на 20 км.

Рисунок 3.1 позволяет заглянуть внутрь облачности в подобных опытах. Но, к сожалению, он относится не к тому опыту к другому, аналогичному ему, но выполненному раньше. Примерно в течение часа ураган просматривался сверху самолетным радиолокатором, а на экране ИКО радиолокатора видно усиление облачности после воздействия и восстановление исходной ситуации примерно через 1 ч после воздействия. Это свидетельствует, по-видимому, о том, что опыт воздействия оказался удачным. Однако такая расшифровка рис. 3.1 не является единственно возможной.

Детальные наблюдения за искусственно вызванной трансформацией ветра в урагане Дебби велись 18 августа 1969 г. В результате засева урагана кристаллизующими реагентами ослабевал ветер.

Выше были рассмотрены опыты управления ураганами, которые показали, какими могут быть последствия искусственной кристаллизации облачности урагана. Они подтвердили, что управление ураганами возможно, хотя и остаются некоторые сомнения в этом отношении, основанные на том, что до сих пор имеются лишь единичные достаточно масштабные опыты.

Следует отметить, что в результате воздействия ураганы не разрушились полностью и не изменили своего обычного пути. Означает ли это, что подобный путь управления ураганами с целью радикального изменения его параметров безнадежен? Безусловно, нет. Выше речь шла о совершенно конкретной методике воздействия и его последствиях. Предположим, например, что удалось закристаллизовать лишь один какой-то сектор облачности, окружающей глаз урагана, и круговая симметрия урагана была резко нарушена. Это, по-видимому, вызвало бы, прежде всего изменение направления движения урагана, возможно достаточное для того, чтобы в определенном месте предотвратить разрушения. Используя аналогию, вспомним, что незначительный поворот ракеты на пассивном участке полета, вызванный ветровым давлением, гораздо меньшим, чем силы, которые двигают ракету, может вызвать значительные отклонения ракеты от цели, к которой она направлена. Выше говорилось об искусственной кристаллизации. Но принципиально возможно и предотвращение естественной кристаллизации на тех уровнях, где она существенно влияет на процесс развития урагана. Управление конденсационными процессами в «теплой» части урагана также должно быть предметом исследования.

Наконец, электрические методы управления ураганами тоже заслуживают внимания. Но все же наиболее перспективным представляется воздействие на ураган в стадии его зарождения, пока энергия неустойчивости атмосферы не вовлечена в вихревой процесс.

При анализе мезомасштабных вихревых движений в атмосфере предпринимаются попытки учитывать их электрические и магнитные свойства. В вихрях, связанных грозовыми облаками, воздух сильно ионизирован, в результате чего электрическая и магнитная составляющие сил, действующих на них, могут оказаться соизмеримыми с гидродинамическими силами. Электромагнитные силы движущейся среды по своей природе не потенциальны, поэтому в таких случаях в уравнении вихря скорости упрощение неприемлемо. Под действием магнитного поля атмосферные вихри могут развиваться или разрушаться. В свою очередь вихревой поток ионизированного воздуха может существенно трансформировать электромагнитное поле внутри себя и в окружающей атмосфере. По поводу того, насколько эти обстоятельства существенны при анализе тропосферных вихрей, мнения специалистов расходятся. Пока нет ни надежных экспериментальных данных, ни достаточно убедительной магнитогидродинамической теории атмосферных вихрей.

Заключение

Еще в 70-е годы 20-го века было предложено воздействовать на ураганы с помощью авиации. Предлагалось распылять состав из йодистого серебра в облака для стимулирования осадков, что, как предполагалось, успокоит стихию. Однако этот метод помог снизить мощь ураганов лишь на 30 процентов, что посчитали малоэффективным.

Сегодня после долгих исследований ученые пришли к выводу, что бороться с ураганами, когда они набрали свою мощь, невозможно. Предлагается в районах, наиболее подверженных нападению ураганов, строить невысокие укрепленные здания, возводить укрепления и дамбы.

В последнее время ураганы по своей мощи становятся более разрушительными. Для примера, большой тропический циклон составляет приблизительно 10 процентов от всей кинетической энергии Северного полушария.

Если с разбушевавшимся ураганом невозможно бороться, было предложено научиться управлять ими на начальных стадиях. Есть наработки, чтобы искусственно зарождать ураганы вдали от населенных областей, чтобы снизить возможные разрушительные последствия. Или тем же искусственным способом зарождать более частые ураганы, тогда по мощи они будут меньше.

Список литературы

.        Качурин, Л. Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы[Текст] /Л. Г. Качурин // Л.: «Гидрометеоиздат». -1990. - 466с.

.        Будыко, М. И., Глобальные климатические катастрофы[Текст] / М. И. Будыко, Г. С. Голицын, Ю. А. Израэль // М.: Изд-во «Гидрометеоиздат». - 1986. - 158 с.

.        3верев, А. С. Синоптическая метеорология[Текст] / А. С. Зверев // Л.: «Гидрометеоиздат». - 1977.- 711 с.

.        Искусственное воздействие на облака и осадки[Текст] / Пер. с англ. под ред. В. Я. Никандрова, А. П. Чуваева // Л.: «Гидрометеоиздат». - 1967.- 87 с.