Планета бурь - Олег Орестович Фейгин

Высокая восприимчивость атмосферы к незначительным воздействиям и ошибки, накапливающиеся при моделировании погоды, затрудняют долгосрочное прогнозирование. Возникает вопрос: если атмосфера столь чувствительна, то нельзя ли как-то повлиять на циклон, чтобы он не достиг населенных районов или хотя бы ослаб?

При построении моделей состояние атмосферы определяют по полному перечню переменных, характеризующих давление, температуру, относительную влажность, скорость и направление ветра. Конкретный набор значений всех параметров во всех точках сетки называется состоянием модели, которое вычисляется для последовательных моментов времени, разделенных небольшими промежутками – от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от разрешающей способности модели. Учитывается движение ветра, процессы испарения, выпадения осадков, влияние поверхностного трения, инфракрасного охлаждения и нагревания солнечными лучами.

К сожалению, всем хорошо известно, насколько неточными бывают метеорологические прогнозы. Наверное, основная причина в том, что начальное состояние модели атмосферы всегда неполно. Даже в ясный день направление ветра на открытом месте может неоднократно менять направление, а определить ту же «розу ветров» для нарождающегося урагана вообще крайне сложно, поскольку проведение непосредственных наблюдений в этом случае всегда вызывает большие затруднения. Тут даже космические снимки, хорошо отображающие сложную структуру урагана, являются недостаточно информативными. Дело в том, что атмосфера моделируется только по узлам координатной сетки, а располагающиеся между ними мелкие детали не включаются в рассмотрение. Без высокой разрешающей способности смоделированная структура самой важной части урагана – стены глаза бури и прилегающих к ней областей – получается неоправданно сглаженной. Кроме того, в математических моделях таких хаотических явлений, как атмосфера, быстро накапливаются вычислительные ошибки.

Над сушей смерчи имеют диаметр от 100 метров до километра, а над морем – в несколько раз меньше. Как правило, смерч проходит путь до 100 километров со скоростью около сотни километров в час. Иногда можно наблюдать группу смерчей, которые при сближении разрушают друг друга.

Даже самые точные современные компьютерные модели для предсказания погоды несовершенны, однако они могут оказаться весьма полезными при изучении циклонов. Для составления прогнозов применяются числовые методы моделирования развития циклона. Компьютер последовательно рассчитывает показатели атмосферных условий, соответствующих дискретным моментам времени. Предполагается, что общее количество энергии, импульса и влаги в рассматриваемом атмосферном образовании остается неизменным. Правда, на границе системы ситуация несколько сложнее, т. к. приходится учитывать влияние внешней среды.

Построив модель уже прошедшего урагана, мы можем изменять его характеристики в любой момент времени и наблюдать за последствиями внесенных возмущений. Оказалось, что на формирование бури влияют только самоусиливающиеся внешние воздействия.

Представьте пару камертонов, один из которых вибрирует, а второй находится в спокойном состоянии. Если они настроены на разные частоты, то второй камертон не шелохнется, несмотря на воздействие звуковых волн, испускаемых первым. Но если оба камертона настроены в унисон, второй войдет в резонанс и начнет колебаться с большой амплитудой. Таким образом метеорологи и строят модельные схемы непогоды, вводя в них параметры «настройки» на ураган. Главным здесь является подходящее стимулирующее воздействие, которое привело бы к желаемому результату.

Если результаты подобных исследований состоятельны и небольшие изменения температуры воздуха в ураганном вихре действительно могут повлиять на его курс или ослабить силу ветра, встает вопрос: как этого достичь?

Невозможно сразу нагреть или остудить такое обширное атмосферное образование, как ураган. Однако можно подогревать воздух вокруг него и таким образом регулировать температурный режим.

И здесь необходимо провести вычисление точной структуры и силы подогрева атмосферы, необходимого для снижения интенсивности урагана и изменения его курса. Несомненно, практическая реализация такого проекта потребует огромного количества энергии, но ее можно получить с помощью орбитальных солнечных электростанций. Вырабатывающие энергию спутники следует оснастить гигантскими зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на элементах солнечной батареи. Собранную энергию затем можно будет переправить на микроволновые приемники на Земле.

Современные конструкции космических солнечных станций способны распространять микроволны, не нагревающие атмосферу и поэтому не теряющие энергию. Для управления погодой важно направить из космоса микроволны тех частот, при которых они лучше поглощаются водяным паром. Различные слои атмосферы можно будет нагреть согласно заранее продуманному плану, а области внутри урагана и ниже дождевых облаков будут защищены от нагрева, так как дождевые капли хорошо поглощают СВЧ-излучение.

Другой способ подавления сильных тропических циклонов – непосредственное ограничение поступающей в них энергии. Например, поверхность океана можно было бы покрыть тонкой, биологически разлагающейся масляной пленкой, которая способна приостанавливать испарение. Кроме того, можно оказывать влияние на циклоны за несколько дней до их подхода к берегу.

Крупномасштабную перестройку структуры ветров следует предпринимать на высоте полета реактивных самолетов, где изменение атмосферного давления сильно влияет на мощность и траекторию ураганов. Например, образование инверсионных следов самолетов наверняка может вызвать требуемые возмущения начального состояния циклонов.

Впрочем, методы управления погодой еще предстоит опробовать на безобидных по сравнению с ураганами атмосферных явлениях. Прежде всего следует опробовать экспериментальные возмущения для усиления осадков на сравнительно небольшой территории, контролируемой измерительными приборами. Если понимание физики облаков, их цифровое моделирование, методика сравнительного анализа и компьютерные технологии будут развиваться нынешними темпами, то наш скромный опыт может быть претворен в жизнь. Кто знает, быть может, уже через пару десятков лет многие страны займутся крупномасштабным управлением погодой с использованием подогрева атмосферы из космоса?

Вот, к примеру, взвесь мельчайших капелек воды, известная нам как густой туман, иногда оказывает важную услугу сельскохозяйственным культурам, уберегая их от заморозков. Для защиты садов во время цветения от заморозков иногда создают искусственные туманы (хлорид кальция обладает большой способностью притягивать влагу – его распылением в воздухе и создают искусственные туманы).

На данном принципе основаны процессы образования искусственного дождя. Для этого в тучи вводят затравки, на которых происходит конденсация воды или кристаллизация льда. Крупные градины получаются в том случае, если кристаллизация происходит на малом количестве центров. Если в тучу будет введено много затравок, то получатся мелкие кристаллы льда (они не могут вырасти, так как вся вода закристаллизована), которые при падении на землю часто успевают расплавиться и превратиться в дождь. В качестве широко распространенных затравок служат иодид серебра, иодид свинца и другие вещества. Для широкого применения эти соли довольно дороги, однако иногда град может привести к гораздо большим экономическим потерям.

Если в будущем метеорологи и научатся управлять ураганами, то скорее всего тут же возникнут серьезные политические проблемы. Несмотря на то что с семидесятых годов прошлого века принято несколько международных конвенций, запрещающих использовать погоду в качестве оружия, некоторые страны вряд ли смогут устоять перед искушением так, практически безнаказанно, «насолить» своим соседям.

Снежные лавины

В жизни нашей планеты снег играет роль своеобразного зеркала. Он отражает до 95 %