هر ساله توفان هاى موسمى بسيار بزرگ كه تندبادهايى با سرعتبيش از 120 كيلومتر بر ساعت را ايجاد مى كنند، سراسر درياهاى گرمسيرى را درنورديدهو به سوى خطوط ساحلى حركت مى كنند. اين امر غالباً باعث مى شود كه بخش هاى وسيعى ازنوارهاى ساحلى در نقاط مختلف جهان دچار آسيب هاى جدى و فراوانى شوند. وقتى اينتوفان هاى پى در پى كه در ميان ساكنين سواحل اقيانوس اطلس و سواحل شرقى اقيانوسآرام به نام Hurricane، در سواحل غربى اقيانوس آرام به نام Typhoon و در سواحلحاشيه 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، مطلقاًهيچ چيز، در برابر آنها توان ايستادگى و مقاومت ندارد.
اما آيا اين نيروهاىمهيب طبيعت بايد براى هميشه از حيطه كنترل ما خارج باشند؟ من و همكاران محقق امهرگز اينگونه نمى انديشيم. تيم تحقيقاتى ما از مدت ها پيش در پى يافتن پاسخ اينسئوال است كه چطور مى توان توفان ها را به مسيرهاى كم خطرتر هدايت كرد يا در غيراين صورت لااقل آنها را به جهات مختلف پراكنده ساخت. گرچه تحقق اين هدف بزرگ شايدبراى دهه ها بعد قابل تصور باشد، اما نتايج تحقيقات ما نشان مى دهند كه مطالعهاحتمالات متعدد در اين زمينه چندان آسان نخواهد بود.
براى برداشتن نخستينگام ها در مسير كنترل توفان ها، محققان بايد قادر باشند كه اولاً مسير جارى شدن يكتوفان را با دقت فوق العاده زيادى پيش بينى كنند، ثانياً هويت تغييرات فيزيكى (ازقبيل تغييرات دماى هوا) را كه بر رفتار توفان اثرگذار خواهند بود تشخيص دهند وثالثاً راه هايى را براى تأثيرگذارى بر آن تغييرات پيدا كنند. اين كار اكنون درمراحل آغازين خود قرار دارد، اما شبيه سازى هاى كامپيوترى توفان ها كه طى چند سالگذشته با موفقيت قابل وصفى انجام شده اند به وضوح نشان مى دهند كه تعديل رفتارتوفان ها بالاخره روزى ميسر خواهد بود. در اين ميان، چيزى كه بيش از هر چيز ديگرپيش بينى آب و هوا را مشكل مى سازد، حساسيت فوق العاده اتمسفر (جو زمين) به تحريكاتكوچك است، اما همين امر مى تواند كليد واقعى دستيابى بشر به كنترلى باشد كه دائماًدر جست وجوى آن است. نخستين تلاش تيم تحقيقاتى ما براى اثرگذارى بر مسير يك توفانشبيه 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 روندمطلوب قبلى را تداوم بخشيده اند.
ماهيت توفان ها
براى اينكه ببينيم اساساً چرا توفان ها (Hurricanes) و سايرتندبادهاى گرمسيرى مى توانند مستعد پذيرش مداخله انسان باشند، بايد ماهيت و منشاءاصلى وقوع توفان ها را دريافت. توفان ها، به شكل دسته هايى از تندبادهاى همراه باآذرخش و صاعقه بر فراز اقيانوس هاى گرمسيرى ظاهر مى شوند. درياهاى واقع در عرض هاىجغرافيايى پايين دائماً حرارت و رطوبت زيادى را براى اتمسفر به ارمغان مى آورند واين امر باعث مى شود تا هواى گرم و مرطوب فراوانى بر فراز سطح دريا تشكيل شود. وقتىاين هوا به سمت سطوح فوقانى جو حركت مى كند، بخار آب موجود در آن تقطير مى شود وبدان وسيله موجبات تشكيل ابرها و فرو ريختن انواع نزولات را فراهم مى سازد. تقطيربخار آب موجود در هوا باعث آزاد شدن حرارت در سطوح فوقانى جو مى شود و اين حرارت كهاصطلاحاً از آن به عنوان «گرماى نهان تقطير» نام برده مى شود، به همراه حرارت تابشىخورشيد كه اصلى ترين عامل تبخير آب در سطح اقيانوس محسوب مى شود، سبكى بيشترى رابراى 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 هواىگرمسيرى باعث سازماندهى تدريجى و تقويت سامانه اى مى شود كه به نوبه خود موجباتتشكيل «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 همينامر به تضعيف سريع توفان مى انجامد.
روياى كنترل توفاناز آنجايى كه توفانبيشتر انرژى اش را از حرارت آزاد شده در نتيجه تقطير بخار آب بر فراز اقيانوس (كهبعدها به تشكيل ابر و فرود نزولات جوى مى انجامد) به دست مى آورد، لذا نخستين چيزىكه محققان در روياهاى خويش براى پيش بينى زمان وقوع اين پديده هاى وهم آسا مجسمساخته بودند، تلاش همه جانبه براى ايجاد تغيير در فرايند تقطير با استفاده از تكنيكهاى بارورسازى ابرها بود كه در دهه هاى دورتر به عنوان تنها راه عملى براىتأثيرگذارى بر شرايط آب و هوايى مناطق مطرح بود. در اوايل دهه ،1960 يك هيات مشاورهاى علمى به نام Project Stormfury كه از سوى دولت آمريكا مأموريت يافته بود، اقدامبه انجام يك سرى آزمايش هاى دليرانه يا شايد متهورانه با هدف تعيين چگونگى امكاناجرايى كردن آن راهكار نمود.
هدف Project Stormfury كاستن از سرعت گسترش يكتوفان از طريق تشديد يا تقويت سرعت نزول باران در نخستين باند يا حوزه بارانى درخارج 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 اچسيمپسون» و «جوآنه اس مالكوس» در نسخه دسامبر 1964 نشريه ساينتيفيك آمريكن مراجعهكنيد].
آنها تلاش كردند تا اين هدف را با پاشيدن ذرات يديد نقره بر روىابرها به وسيله طياره محقق سازند: در اين روش، از ذرات يديد نقره به عنوان هستههايى لازم براى تشكيل يخ از بخار آبى استفاده شد كه پس از صعود به بالاترين وسردترين محدوده هاى ارتفاعى توفان عملاً مادون سرد (Supercooled) شده بود. اگر همهچيز طبق پيش بينى هاى روياپردازانه مبتكران آن طرح پيش رفته بود، ابرها سريع تر رشدمى كردند و موجودى هواى گرم و مرطوب نزديك سطح اقيانوس را به مصرف مى رساندند و درنتيجه جايگزين EyeWall قبلى مى شدند. اين فرايند در ادامه باعث افزايش شعاع عملكردتوفان و در نتيجه كاهش شدت آن مى شد، درست همان طورى كه يك اسكيت باز خبره براىكاستن 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 كهاين كاربرد ويژه بارورسازى ابرها در مورد توفان ها مؤثر باشد، زيرا برخلاف تصوراتاوليه، توفان ها حاوى بخار آب مادون سرد نيستند.
آب وهواى مغشوش
مطالعات جارى ما از دل يك كشف قديمى بيرون آمد كه من 30 سال پيش، زمانىكه تازه از دانشگاه فارغ التحصيل شده بودم و به تحقيق پيرامون ابعاد مختلف وجودىتئورى آشوب (Chaos Theory) مشغول بودم، به آن پى برده بودم. يك سيستم بى نظم (Chaotic System) سيستمى است كه در نگاه اول به نظر مى رسد كه رفتارى تصادفى داشتهباشد، اما در واقع، همين سيستم تحت حاكميت قوانينى قرار دارد. چنين سيستمى به شرايطاوليه نيز بسيار حساس است، به گونه اى كه ورودى هاى ظاهراً ناچيز و دلخواه قادرندتأثيرات شگرفى را بر روى آن داشته باشند كه اين امر نيز به نوبه خود نتايج پيش بينىناپذيرى را در سريع ترين زمان ممكن در پى خواهد داشت. در مورد توفان ها، بروزتغييرات 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 حاضردر سراسر حوزه ديد مى تواند تأثير عميقى را بر مسير حركت و توان بالقوه يك توفان برجاى نهد.
حساسيت شديد جو زمين به تغييرات كوچك و آميختگى سريع خطاهاى كوچكبا مدل هاى پيش بينى آب و هوا چيزى است كه پيش بينى طولانى مدت (بيش از پنج روز پيشاز وقوع توفان) را تا اين حد مشكل ساخته است. اما اين حساسيت همچنين من را به تعجبوا مى دارد كه چطور ممكن است ورودى ها يا تحريكات جزيى چنان تأثيرات عميقى را برتوفان ها بر جاى نهند كه بتوانند آنها را از مراكز جمعيتى ساحلى دور كرده يا لااقلاز سرعت بادهاى همراه آنها بكاهند.
من در زمان هاى دور قادر به پيگيرى آنايده ها نبودم، اما طى دهه گذشته، شبيه سازى كامپيوترى و فناورى هاى حساس بهتغييرات بسيار جزيى به قدرى رشد كرده اند كه ظاهراً قادر به تحقق بخشيدن روياهاىدوره 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 درزمينه 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 هدفتشخيص انواع عملياتى هستيم كه ممكن است نهايتاً در جهان واقعى به مورد اجراگذاشتهشوند. به ويژه، ما از فناورى پيش بينى وضعيت آب و هوا براى شبيه سازى رفتار توفانهاى قبلى و سپس آزمايش نتايج مداخلات متعدد از طريق مورد ملاحظه قرار دادن تغييراتدر توفان هاى مدل سازى شده استفاده مى كنيم.
مدل سازىآب و هواى مغشوش
حتى بهترين مدل هاى كامپيوترى پيش بينى وضعيت آب وهوا در روزگار فعلى وقتى پاى پيش بينى به ميان مى آيد بسيارى چيزها را در حد روياباقى مى گذارند، اما با توسل جستن به آنها مى توان مدل سازى توفان ها را ساده تركرد. مدل هاى كامپيوترى ياد شده به روش هاى عددى اى بستگى دارند كه فرايند پيچيدهگسترش يك توفان را با به محاسبه درآوردن شرايط برآورده شده جوى در فواصل زمانىكوتاه و پى در پى شبيه سازى مى كنند. محاسبات عددى پيش بينى وضعيت آب و هوا بر اينفرض 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 يكسيستم سيال، نظير يك توفان، اين كميت هاى تغييرناپذير دوشادوش جريان توفان جابه جامى 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 آوردنيا از دست دادن چهار كميت تغييرناپذير اصلى باشند.
مدل سازان وضعيت جوى رابه 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 فيزيكىتغييرناپذيرى هستند كه شبيه سازى هاى كامپيوترى بر آنها استوارند. در بيشتر مدل هاىآب و هوايى، اين متغيرهاى رويت پذير بر روى يك نمودار ميله اى سه بعدى از اتمسفر بهتصوير كشيده مى شوند، بنابراين مى توان نقشه اى از هر ويژگى را براى هر ارتفاعمعينى رسم كرد. مدل سازان به هيچ وجه مجموعه مقادير همه اين متغيرها را نقاط ميلهاى كيفيت مدل نمى نامند.براى انجام يك پيش بينى مناسب، يك مدل عددى پيش بينى وضعيتآب و هوا پى درپى كيفيت مدل را لحظه به لحظه در فواصل زمانى كوتاه (از چند ثانيه تاچند دقيقه بسته به مقياس طرح مورد بررسى توسط مدل) بهبود مى بخشد. مدل عددى ياد شدهميزان تأثيرات به وجود آمده را كه حين هر فاصله زمانى معين در مقادير خواص متعددجوى و نيز فرايندهاى تبخير، بارش، سايش سطحى، سرمايش مادون قرمز و گرمايش خورشيدىكه در ناحيه مورد نظر اتفاق مى افتد، محاسبه مى كند.
خاصيت پيش بينى
متأسفانه پيش بينى هاى هواشناسانهناقص و اعتمادناپذير هستند. در وهله اول، كيفيت آغازين مدل ها همواره ناقص وغيردقيق است. كيفيت اوليه مدل ها براى توفان ها نيز داراى نواقصى بوده و خصوصاًتعريف شان مشكل است، زيرا مشاهدات مستقيم بسيار معدود بوده و انجام شان نيز مشكلاست. با اين حال ما از مشاهده تصاوير ماهواره اى ابرها به اين نتيجه مى رسيم كهتوفان ها داراى ساختارهاى پيچيده و تودرتويى هستند. اگرچه اين تصاوير بالقوه بسيارسودمند خواهند بود، اما ما نيازمند آگاهى يافتن از مسائلى بسيار بيشتر و پيچيده تراز اين هستيم. ثانياً حتى با كيفيت كامل اوليه، مدل هاى كامپيوترى توفان هاىگرمسيرى بزرگ به خودى خود مستعد بروز اشتباه هستند.
به عنوان مثال اتمسفرفقط در يك ميله از نقاط مدل سازى مى شود. وجوهى كوچكتر از طول ميله كه همانا مسافتبين 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 پوشيدهباقى مانده و جزئيات آن نيز نامعلوم باقى خواهد ماند. به علاوه، اين مدل ها، درستشبيه اتمسفرى كه شبيه سازى مى كنند، طبق يك الگوى بى نظم رفتار مى كنند و اشتباهاتبرآمده از هر دوى اين منابع خطا به موازات اقدام براى انجام محاسبات پيش بينى وضعهوا سريعاً فزونى مى يابند.به رغم محدوديت هايش، اين فناورى هنوز براى اهداف مااجتناب ناپذير جلوه مى كند. ما براى پيگيرى تجربيات مان اقدام به طرح ريزى يك سيستمبسيار كارآمد اوليه پيش بينى آب و هوا به نام «شبيه سازى چهاربعدى داده هاىتغييرپذير» 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 مهمترينمراكز هواشناسى جهان از اين تكنيك پيشرفته براى پيش بينى وضع آب و هواى هر روزاروپا استفاده مى كنند. براى تحقق بخشيدن به هدف متعالى استفاده بهينه از همهمشاهدات جمع آورى شده توسط ماهواره ها، كشتى ها، راهنماهاى شناور و حسگرهاى هوابردپيش از آنكه عمليات پيش بينى آغاز شود4، DVAR اين اندازه گيرى ها را با يك حدساوليه قابل قبول از كيفيت اوليه اتمسفر طى فرآيندى به نام يكسان سازى داده ها تركيبمى كند. اين حدس اوليه معمولاً يك پيش بينى 6 ساعته است كه در هنگام مشاهدات اصلىمعتبر خواهد بود. توجه داشته باشيد كه4 DVAR براى هر مشاهده اى دليل موجهى اقامه مىكند، درست زمانى كه از آن به جاى گروه بندى آن مشاهدات در طول يك بازه زمانىچندساعته استفاده مى شود. نتيجه تركيب كردن داده هاى حاصل از مشاهده و حدس اوليهسپس براى گام برداشتن در مسير پيش بينى 6ساعته بعدى مورد استفاده قرار مى گيرد.
