هر ساله توفان هاى موسمى بسيار بزرگ كه تندبادهايى با سرعت بيش از 120 كيلومتر بر ساعت را ايجاد مى كنند، سراسر درياهاى گرمسيرى را درنورديده و به سوى خطوط ساحلى حركت مى كنند.
اين امر غالباً باعث مى شود كه بخش هاى وسيعى از نوارهاى ساحلى در نقاط مختلف جهان دچار آسيب هاى جدى و فراوانى شوند. وقتى اين توفان هاى پى در پى كه در ميان ساكنين سواحل اقيانوس اطلس و سواحل شرقى اقيانوس آرام به نام Hurricane، در سواحل غربى اقيانوس آرام به نام Typhoon و در سواحل حاشيه اى اقيانوس هند به نام Cyclone معروف اند به نواحى پرجمعيت هجوم مى برند، ممكن است هزاران نفر كشته و ميلياردها دلار خسارت بر جاى گذارند. و هيچ چيز، مطلقاً هيچ چيز، در برابر آنها توان ايستادگى و مقاومت ندارد.
اما آيا اين نيروهاى مهيب طبيعت بايد براى هميشه از حيطه كنترل ما خارج باشند؟ من و همكاران محقق ام هرگز اينگونه نمى انديشيم. تيم تحقيقاتى ما از مدت ها پيش در پى يافتن پاسخ اين سئوال است كه چطور مى توان توفان ها را به مسيرهاى كم خطرتر هدايت كرد يا در غير اين صورت لااقل آنها را به جهات مختلف پراكنده ساخت. گرچه تحقق اين هدف بزرگ شايد براى دهه ها بعد قابل تصور باشد، اما نتايج تحقيقات ما نشان مى دهند كه مطالعه احتمالات متعدد در اين زمينه چندان آسان نخواهد بود.
براى برداشتن نخستين گام ها در مسير كنترل توفان ها، محققان بايد قادر باشند كه اولاً مسير جارى شدن يك توفان را با دقت فوق العاده زيادى پيش بينى كنند، ثانياً هويت تغييرات فيزيكى (از قبيل تغييرات دماى هوا) را كه بر رفتار توفان اثرگذار خواهند بود تشخيص دهند و ثالثاً راه هايى را براى تأثيرگذارى بر آن تغييرات پيدا كنند. اين كار اكنون در مراحل آغازين خود قرار دارد، اما شبيه سازى هاى كامپيوترى توفان ها كه طى چند سال گذشته با موفقيت قابل وصفى انجام شده اند به وضوح نشان مى دهند كه تعديل رفتار توفان ها بالاخره روزى ميسر خواهد بود. در اين ميان، چيزى كه بيش از هر چيز ديگر پيش بينى آب و هوا را مشكل مى سازد، حساسيت فوق العاده اتمسفر (جو زمين) به تحريكات كوچك است، اما همين امر مى تواند كليد واقعى دستيابى بشر به كنترلى باشد كه دائماً در جست وجوى آن است. نخستين تلاش تيم
تحقيقاتى ما براى اثرگذارى بر مسير يك توفان شبيه سازى شده، به عنوان مثال، از طريق ايجاد تغييرات كوچك در كيفيت اوليه توفان، به طور قابل ملاحظه اى موفقيت آميز از كار درآمد و نتايج بعدى نيز همچنان روند مطلوب قبلى را تداوم بخشيده اند.
ماهيت توفان ها
براى اينكه ببينيم اساساً چرا توفان ها (Hurricanes) و ساير تندبادهاى گرمسيرى مى توانند مستعد پذيرش مداخله انسان باشند، بايد ماهيت و منشاء اصلى وقوع توفان ها را دريافت. توفان ها، به شكل دسته هايى از تندبادهاى همراه با آذرخش و صاعقه بر فراز اقيانوس هاى گرمسيرى ظاهر مى شوند. درياهاى واقع در عرض هاى جغرافيايى پايين دائماً حرارت و رطوبت زيادى را براى اتمسفر به ارمغان مى آورند و اين امر باعث مى شود تا هواى گرم و مرطوب فراوانى بر فراز سطح دريا تشكيل شود. وقتى اين هوا به سمت سطوح فوقانى جو حركت مى كند، بخار آب موجود در آن تقطير مى شود و بدان وسيله موجبات تشكيل ابرها و فرو ريختن انواع نزولات را فراهم مى سازد. تقطير بخار آب موجود در هوا باعث آزاد شدن حرارت در سطوح فوقانى جو مى شود و اين حرارت كه اصطلاحاً از آن به عنوان «گرماى نهان تقطير» نام برده مى شود، به همراه حرارت تابشى خورشيد كه اصلى ترين عامل تبخير آب در سطح اقيانوس محسوب مى شود، سبكى بيشترى را براى هوا به ارمغان آورده و باعث مى شوند تا هوا طى يك فرايند بازخوردى تقويتى (Feedback) آمادگى صعود به ارتفاعات بالاتر را پيدا كند. نهايتاً، فرود اين هواى گرمسيرى باعث سازماندهى تدريجى و تقويت سامانه اى مى شود كه به نوبه خود موجبات تشكيل «قطب مركزى سكون»اى را فراهم مى سازد كه يك توفان دريايى به دور آن مى چرخد. با رسيدن اين سامانه به زمين، منبع پايدار آب گرم توفان از آن جدا مى شود كه همين امر به تضعيف سريع توفان مى انجامد.
روياى كنترل توفاناز آنجايى كه توفان بيشتر انرژى اش را از حرارت آزاد شده در نتيجه تقطير بخار آب بر فراز اقيانوس (كه بعدها به تشكيل ابر و فرود نزولات جوى مى انجامد) به دست مى آورد، لذا نخستين چيزى كه محققان در روياهاى خويش براى پيش بينى زمان وقوع اين پديده هاى وهم آسا مجسم ساخته بودند، تلاش همه جانبه براى ايجاد تغيير در فرايند تقطير با استفاده از تكنيك هاى بارورسازى ابرها بود كه در دهه هاى دورتر به عنوان تنها راه عملى براى تأثيرگذارى بر شرايط آب و هوايى مناطق مطرح بود. در اوايل دهه ،1960 يك هيات مشاوره اى علمى به نام Project Stormfury كه از سوى دولت آمريكا مأموريت يافته بود، اقدام به انجام يك سرى آزمايش هاى دليرانه يا شايد متهورانه با هدف تعيين چگونگى امكان اجرايى كردن آن راهكار نمود.
هدف Project Stormfury كاستن از سرعت گسترش يك توفان از طريق تشديد يا تقويت سرعت نزول باران در نخستين باند يا حوزه بارانى در خارج از Eye Wall يا حلقه ابرها و بادهاى شديدى بود كه در حوزه ديد قرار داشتند [براى آگاهى بيشتر در اين زمينه به مقاله «تجربيات ملايم سازى توفان» اثر«آر اچ سيمپسون» و «جوآنه اس مالكوس» در نسخه دسامبر 1964 نشريه ساينتيفيك آمريكن مراجعه كنيد].
آنها تلاش كردند تا اين هدف را با پاشيدن ذرات يديد نقره بر روى ابرها به وسيله طياره محقق سازند: در اين روش، از ذرات يديد نقره به عنوان هسته هايى لازم براى تشكيل يخ از بخار آبى استفاده شد كه پس از صعود به بالاترين و سردترين محدوده هاى ارتفاعى توفان عملاً مادون سرد (Supercooled) شده بود. اگر همه چيز طبق پيش بينى هاى روياپردازانه مبتكران آن طرح پيش رفته بود، ابرها سريع تر رشد مى كردند و موجودى هواى گرم و مرطوب نزديك سطح اقيانوس را به مصرف مى رساندند و در نتيجه جايگزين
EyeWall قبلى مى شدند. اين فرايند در ادامه باعث افزايش شعاع عملكرد توفان و در نتيجه كاهش شدت آن مى شد، درست همان طورى كه يك اسكيت باز خبره براى كاستن از سرعت دوران خود دستانش را به طرفين باز مى كند.نتايج تحقيقات Project Stormfury در بهترين حالت مبهم و دو پهلو بودند. هواشناسان امروزى انتظار ندارند كه اين كاربرد ويژه بارورسازى ابرها در مورد توفان ها مؤثر باشد، زيرا برخلاف تصورات اوليه، توفان ها حاوى بخار آب مادون سرد نيستند.
آب و هواى مغشوش
مطالعات جارى ما از دل يك كشف قديمى بيرون آمد كه من 30 سال پيش، زمانى كه تازه از دانشگاه فارغ التحصيل شده بودم و به تحقيق پيرامون ابعاد مختلف وجودى تئورى آشوب (Chaos Theory) مشغول بودم، به آن پى برده بودم. يكسيستم بى نظم (Chaotic System) سيستمى است كه در نگاه اول به نظر مى رسد كه رفتارى تصادفى داشته باشد، اما در واقع، همين سيستم تحت حاكميت قوانينى قرار دارد. چنين سيستمى به شرايط اوليه نيز بسيار حساس است، به گونه اى كه ورودى هاى ظاهراً ناچيز و دلخواه قادرند تأثيرات شگرفى را بر روى آن داشته باشند كه اين امر نيز به نوبه خود نتايج پيش بينى ناپذيرى را در سريع ترين زمان ممكن در پى خواهد داشت. در مورد توفان ها، بروز تغييرات كوچك در جنبه هايى از قبيل دماى اقيانوس، موقعيت مكانى جريان هاى شديد باد (كه تنظيم كننده سرعت و جهت حركت توفان ها هستند)، يا حتى شكل ابرهاى بارانى حاضر در سراسر حوزه ديد مى تواند تأثير عميقى را بر مسير حركت و توان بالقوه يكتوفان بر جاى نهد.
حساسيت شديد جو زمين به تغييرات كوچك و آميختگى سريع خطاهاى كوچك با مدل هاى پيش بينى آب و هوا چيزى است كه پيش بينى طولانى مدت (بيش از پنج روز پيش از وقوع توفان) را تا اين حد مشكل ساخته است. اما اين حساسيت همچنين من را به تعجب وا مى دارد كه چطور ممكن است ورودى ها يا تحريكات جزيى چنان تأثيرات عميقى را بر توفان ها بر جاى نهند كه بتوانند آنها را از مراكز جمعيتى ساحلى دور كرده يا لااقل از سرعت بادهاى همراه آنها بكاهند.
من در زمان هاى دور قادر به پيگيرى آن ايده ها نبودم، اما طى دهه گذشته، شبيه سازى كامپيوترى و فناورى هاى حساس به تغييرات بسيار جزيى به قدرى رشد كرده اند كه ظاهراً قادر به تحقق بخشيدن روياهاى دوره جوانى من در كنترل پديده هاى آب و هوايى در مقياس بزرگ خواهند بود. هم اينك، من و همكارانم در مؤسسه «تحقيقات جوى و زيست محيطى» (AER) كه يك شركت مشاوره اى در زمينه تحقيقات و توسعه محسوب مى شود، با حمايت مالى «مؤسسه مفاهيم پيشرفته ناسا» (سازمان فضانوردى آمريكا) مشغول بهره بردارى از مدل هاى كامپيوترى توفان ها با هدف تشخيص انواع عملياتى هستيم كه ممكن است نهايتاً در جهان واقعى به مورد اجرا گذاشته شوند. به ويژه، ما از فناورى پيش بينى وضعيت آب و هوا براى شبيه سازى رفتار توفان هاى قبلى و سپس آزمايش نتايج مداخلات متعدد از طريق مورد ملاحظه قرار دادن تغييرات در توفان هاى مدل سازى شده استفاده مى كنيم.
مدل سازى آب و هواى مغشوش
حتى بهترين مدل هاى كامپيوترى پيش بينى وضعيت آب و هوا در روزگار فعلى وقتى پاى پيش بينى به ميان مى آيد بسيارى چيزها را در حد رويا باقى مى گذارند، اما با توسل جستن به آنها مى توان مدل سازى توفان ها را ساده تر كرد. مدل هاى كامپيوترى ياد شده به روش هاى عددى اى بستگى دارند كه فرايند پيچيده گسترش يك توفان را با به محاسبه درآوردن شرايط برآورده شده جوى در فواصل زمانى كوتاه و پى در پى شبيه سازى مى كنند. محاسبات عددى پيش بينى وضعيت آب و هوا بر اين فرض اوليه استوارند كه در جو زمين هيچ آفرينش يا انهدام جرم، انرژى، مومنتوم (اندازه حركت) و رطوبتى ميسر نخواهد بود [اصل بقاى جرم، انرژى و . . . ]. در يك سيستم سيال، نظير يك توفان، اين كميت هاى تغييرناپذير دوشادوش جريان توفان جابه جا مى شوند. با اين حال، نزديك مرزها يا حواشى سيستم، بر پيچيدگى مسائل افزوده مى شود. به عنوان مثال، در سطح دريا، شبيه سازى هاى ما بايد بتوانند پاسخگوى به دست آوردن يا از دست دادن چهار كميت تغييرناپذير اصلى باشند.
مدل سازان وضعيت جوى را به عنوان يك ويژگى كامل متغيرهاى فيزيكى قابل اندازه گيرى، از جمله فشار، دما، رطوبت نسبى، و سرعت و جهت باد، تعريف مى كنند. اين كميت ها معادل خواص فيزيكى تغييرناپذيرى هستند كه شبيه سازى هاى كامپيوترى بر آنها استوارند. در بيشتر مدل هاى آب و هوايى، اين متغيرهاى رويت پذير بر روى يك نمودار ميله اى سه بعدى از اتمسفر به تصوير كشيده مى شوند، بنابراين مى توان نقشه اى از هر ويژگى را براى هر ارتفاع معينى رسم كرد. مدل سازان به هيچ وجه مجموعه مقادير همه اين متغيرها را نقاط ميله اى كيفيت مدل نمى نامند.براى انجام يك پيش بينى مناسب، يك مدل عددى پيش بينى وضعيت آب و هوا پى درپى كيفيت مدل را لحظه به لحظه در فواصل زمانى كوتاه (از چند ثانيه تا چند دقيقه بسته به مقياس طرح مورد بررسى توسط مدل) بهبود مى بخشد. مدل عددى ياد شده ميزان تأثيرات به وجود آمده را كه حين هر فاصله زمانى معين در مقادير خواص متعدد جوى و نيز فرايندهاى تبخير، بارش، سايش سطحى، سرمايش مادون قرمز و گرمايش خورشيدى كه در ناحيه مورد نظر اتفاق مى افتد، محاسبه مى كند.
خاصيت پيش بينى
متأسفانه پيش بينى هاى هواشناسانه ناقص و اعتمادناپذير هستند. در وهله اول، كيفيت آغازين مدل ها همواره ناقص و غيردقيق است. كيفيت اوليه مدل ها براى توفان ها نيز داراى نواقصى بوده و خصوصاً تعريف شان مشكل است، زيرا مشاهدات مستقيم بسيار معدود بوده و انجام شان نيز مشكل است. با اين حال ما از مشاهده تصاوير ماهواره اى ابرها به اين نتيجه مى رسيم كه توفان ها داراى ساختارهاى پيچيده و تودرتويى هستند. اگرچه اين تصاوير بالقوه بسيار سودمند خواهند بود، اما ما نيازمند آگاهى يافتن از مسائلى بسيار بيشتر و پيچيده تر از اين هستيم. ثانياً حتى با كيفيت كامل اوليه، مدل هاى كامپيوترى توفان هاى گرمسيرى بزرگ به خودى خود مستعد بروز اشتباه هستند.
به عنوان مثال اتمسفر فقط در يك ميله از نقاط مدل سازى مى شود. وجوهى كوچكتر از طول ميله كه همانا مسافت بين دو نقطه ميله اى مجاور را تشكيل مى دهد، به طور دقيق قابل لمس نخواهند بود. بدون يك عزم بسيار جدى، ساختار يك توفان در مجاورت Eye Wall مهمترين وجه آن پوشيده باقى مانده و جزئيات آن نيز نامعلوم باقى خواهد ماند. به علاوه، اين مدل ها، درست شبيه اتمسفرى كه شبيه سازى مى كنند، طبق يك الگوى بى نظم رفتار مى كنند و اشتباهات برآمده از هر دوى اين منابع خطا به موازات اقدام براى انجام محاسبات پيش بينى وضع هوا سريعاً فزونى مى يابند.به رغم محدوديت هايش، اين فناورى هنوز براى اهداف ما اجتناب ناپذير جلوه مى كند. ما براى پيگيرى تجربيات مان اقدام به طرح ريزى يك سيستم بسيار كارآمد اوليه پيش بينى آب و هوا به نام «شبيه سازى چهاربعدى داده هاى تغييرپذير» 4 DVAR كرده ايم.
بعد چهارمى كه در اين روش به آن استناد شده «زمان» است. محققان «مركز پيش بينى هاى آب و هوايى متوسط اروپا» يكى از مهمترين مراكز هواشناسى جهان از اين تكنيك پيشرفته براى پيش بينى وضع آب و هواى هر روز اروپا استفاده مى كنند. براى تحقق بخشيدن به هدف متعالى استفاده بهينه از همه مشاهدات جمع آورى شده توسط ماهواره ها، كشتى ها، راهنماهاى شناور و حسگرهاى هوابرد پيش از آنكه عمليات پيش بينى آغاز شود4، DVAR اين اندازه گيرى ها را با يك حدس اوليه قابل قبول از كيفيت اوليه اتمسفر طى فرآيندى به نام يكسان سازى داده ها تركيب مى كند. اين حدس اوليه معمولاً يك پيش بينى 6 ساعته است كه در هنگام مشاهدات اصلى معتبر خواهد بود. توجه داشته باشيد كه4 DVAR براى هر مشاهده اى دليل موجهى اقامه مى كند، درست زمانى كه از آن به جاى گروه بندى آن مشاهدات در طول يك بازه زمانى چندساعته استفاده مى شود. نتيجه تركيب كردن داده هاى حاصل از مشاهده و حدس اوليه سپس براى گام برداشتن در مسير پيش بينى 6ساعته بعدى مورد استفاده قرار مى گيرد.
