مقدمه:
یکی  از عجیب ترین کشفیات انسان دسترسی به فضا است که پیچیدگی و مشکلات خاص خود را دارد. راه یابی به فضا پیچیده است، چرا که باید با بسیاری از مشکلات روبرو شد. مثلا:

- وجود خلا در فضا

- مشکلات گرما و حرارت

- مشکل ورود مجدد به زمین

- مکانیک مدارها

- ذرات و باقی مانده های فضا

- تابش های کیهانی و خورشیدی

- طراحی امکانات برای ثابت نگه داشتن اشیا در بی وزنی

ولی بزرگترین مشکل ایجاد انرژی لازم برای بالا بردن فضاپیما از زمین است که برای درک این موضوع باید به بررسی طرز کار موتورهای موشک پرداخت.

در یک دیدگاه ساده، می توان موتورهای موشک را به آسانی و با هزینه ای نسبتا کم طراحی کرد و حتی آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهیم مسئله را در سطح کلان بررسی کنیم با مشکلات و پیچیدگی های بسیاری مواجه هستیم و این موتورهای موشک (و به خصوص سیستم سوخت آن ها) آنقدر پیچیده است که تا به حال تنها سه کشور توانسته اند با استفاده از این فناوری انسان را در مدار زمین قرار دهند.

در این مقاله ما موتورهای موشک های فضایی را مورد بررسی قرار می دهیم تا با طرز کار و پیچیدگی های آن ها آشنا شویم.

نکات پایه ای:

عموما وقتی کسی درباره موتورها فکر می کند، خود به خود مطالبی درباره چرخش برایش تداعی می شود.برای مثال حرکت متناوب پیستون در موتور بنزینی که انرژی چرخشی برای به حرکت در آوردن چرخ ها را تولید می کند. و یا موتور الکتریکی که با تولید میدان الکتریکی که با تولید میدان مغناطیسی نیروی چرخشی برای پنکه یا سی دی رام تولید می کنند. موتور بخار هم به طور مشابه کار می کنند.

ولی موتور موشک از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشک ها موتورهای واکنشی هستند.اساس کار موتور موشک برپایه ی قانون معروف نیوتون است که می گوید: "برای هر کنش واکنشی وجود دارد به مقدار مساوی ولی درجهت مخالف آن". موتور موشک نیز جرم را در یک جهت پرتاب می کند و از واکنش آن در جهت مخالف سود می برد.

البته تصور این اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واکنش) ممکن است در ابتدا کمی عجیب به نظر بیاید، چرا که در عمل بسیار متفاوت می نمایاند. انفجار، صدا و فشار چیزهایی است که در ظاهر باعث حرکت موشک می شود و نه "پرتاب جرم".

بگذارید تا با بیان چند مثال تصویری بهتر از واقعیت را روشن کنم:

● اگر تا به حال با اسلحه ی(به خصوص سایز بزرگ آن) shotgun شلیک کرده باشید،  متوجه می شوید که ضربه ی بسیار قوی ای، با نیروی بسیار زیاد به شانه شما وارد می کند.

یک اسلحه مقدار 1 انس فلز را به یک جهت و با سرعت 700 مایل در ساعت شلیک می کند و در واکنش شما را به عقب حرکت می دهد.

● اگر تا به حال شیر آتش نشانی را دیده باشید، متوجه می شوید که برای نگه داشتن آن باید نیروی بسیار زیادی را صرف کنید (اگر دقت کرده باشید گاهی 2 یا 3 آتش نشان یک شیر را نگه می دارند) که در این جا شیر آتش نشانی مثل موتور موشک عمل می کند.

شیر آتش نشانی، آب را در یک جهت پرتاب میکند و آتش نشان ها از نیرو و وزن خود استفاده می کنند تا در برابر واکنش  آن مقاومت کنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شیر رها شود، شیر به این طرف و آن طرف پرتاب می شود.

حال اگر آتش نشان ها روی یک اسکیت برد ایستاده باشند شیر آتش فشانی آن ها را با سرعت زیادی به عقب می راند.

● اگر یک بادکنک را باد کنید و آن را رها کنید، بادکنک  به پرواز در می آید، تا وقتی که هوای داخل آن به طور کامل خالی شود. پس می توان گفت که شما یکم موتور موشک ساخته اید. در این جا چیزی که به بیرون پرتاب می شود مولکول های هوای درون بادکنک هستند.

بسیاری از مردم فکر می کنند که مولکول های هوا اهمیتی ندارند، در حالی که اینطور نیست. هنگامی که شما به آن ها اجازه می دهید تا از دریچه بادکنک به بیرون پرتاب شوند، بر اثر واکنش به وجود آمده بادکنک به جهت مخالف پرتاب می شود.

در ادامه برای درک بهتر موضوع، به مثالی دقیق تر اشاره می کنم:

● سناریوی توپ بیسبال در فضا:

شرایط زیر را تصور کنید،

مثلا شما لباس فضانوردان را پوشیده اید و در فضا در کنار فضاپیما معلق مانده اید و  چندین توپ بیسبال در دست دارید. حال اگر شما توپ بیسبال را پرتاب کنید، واکنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حرکت می دهد.

سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگی دارد. همانطور که می دانیم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نیرو است، یعنی:

F=m.a

همچنین میدانیم که هر نیرویی که شما به توپ وارد کنید، توپ نیز نیرویی مساوی ولی در جهت مخالف به بدن شما وارد میکند که همان واکنش است. پس می توان گفت:

m.a=m.a

حال فرض می کنیم که توپ بیسبال 1 کیلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضایی هم 100 کیلوگرم باشد. پس با این حساب اگر شما توپ بیسبال را با سرعت 21 متر در ساعت پرتاب کنید. یعنی شما با دست خود به یک توپ بیسبال 1 کیلو گرمی، شتابی وارد کرده اید که سرعت 21 متر در ساعت گرفته است. واکنش آن روی بدن شما تاثیر می گذارد، ولی وزن بدن شما 100 برابر توپ بیسبال است. پس بدن شما با 100/1 سرعت توپ بیسبال (یا 0.21 متر بر ساعت) به عقب حرکت می کند.

حال اگر شما می خواهید از توپ بیسبال خود قدرت بیش تری بگیرید، شما دو انتخاب دارید: افزایش جرم یا افزایش شتاب وارده

شما می توانید یا یک توپ سنگین تر پرتاب کنید و یا اینکه شما می توانید توپ بیسبال را سریع تر پرتاب کنید (شتاب آن را افزایش دهید)، و این دو تنها کارهایی است که می توانید انجام دهید.

 یک موتور موشک نیز به طور کلی جرم را در قالب گازهای پرفشار پرتاب می کند؛ موتور گاز را در یک جهت به بیرون پرتاب می کند تا از واکنش آن در جهت مخالف سود ببرد. این جرم از مقدار سوختی که در موتور موشک می سوزد بدست می آید.

عملیات سوختن به سوخت شتاب می دهد تا از دهانه خروجی موشک با سرعت زیاد بیرون بیاید.

وقتی سوخت جامد یا مایع می سوزد و به گاز تبدیل می شود، جرم آن تغییر نمی کند بلکه تغییر در حجم آن است. یعنی اگر شما مقدار یک کیلو سوخت مایع موشک را بسوزانید مقدار یک کیلو جرم با حجمی بیشتر، از دهانه خروجی موشک با دمای بالا و سرعت زیاد خارج می شود. عملیات سوختن، جرم را شتاب می دهد.
بیایید تا بیش تر درباره ی نیروی پرتاب بدانیم:

نیروی پرتاب:

قدرت موتور یک موشک را نیروی پرتاب آن می گویند. نیروی پرتاب در آمریکا به صورت
(پوند) ponds of thrust
و در سیستم متریک با واحد نیوتون شناخته شده است (هر 4.45 نیوتون نیروی پرتاب برابر است با 1 پوند نیروی پرتاب).

هر یک پوند نیروی پرتاب (4.45 نیوتون) مقدار نیروی است که می تواند یک شی 1 پوندی (453.59 گرم) را در حالت ساکن مخالف نیروی جاذبه زمین نگه دارد.

بنابر این در روی زمین شتاب جاذبه 21 متر در ساعت در ثانیه (32 فوت در ثانیه در ثانیه) است

اسکلت یکی از سیستم‌های مهم انسان است که سبب حفظ وضعیت ایستاده و استوار بدن در برابر نیروی جاذبه می‌شود. به‌طور طبیعی اسکلت انسان در محیط جاذبه 1 جی زمین رشد و نمو می‌کند و ساختار استخوانی آن به ‌شکلی طراحی شده است که در مقابل نیروهای وارد بر خود مقاومت کند. لایه خارجی استخوان را پریوست (در مقابل لایه داخلی یا آندوست) گویند. بافت استخوانی محیطی به‌شکل تیغه‌های استخوانی در زیر پریوست قرار دارد. در لایه‌های زیرین، مجاری استخوانی هم‌مرکز (نظیر تنه درخت) در اطراف یک منبع خونی قرار می‌گیرد و سیستم‌های هاورس (استئون) را می‌سازد. بافت استخوانی از دو قسمت سخت قشری در خارج، و مغز‌ استخوان در داخل تشکیل شده است. قسمتی از استخوان که در مجاورت مغز استخوان قرار دارد، استخوان اسفنجی (ترابکولار) نام دارد. استخوان قشری ، در حدود 80 درصد استخوان‌بندی افراد بزرگسال را تشکیل می‌دهد و اکثراً در تنه استخوآنهای دراز وجود دارد. استخوان اسفنجی به‌صورت تیغه‌های موازی میکروسکوپی آرایش می‌یابد و بیشتر در تنه مهره‌ها، دنده‌ها، لگن و انتهای استخوآنهای دراز وجود دارد. ترتیب قرارگیری بافت اسفنجی و متراکم، استحکام مناسب را برای تحرک فراهم می‌سازد. قسمت اسفنجی استخوان وزن بدن را متحمل می‌شود و آن را در برابر شکستگی محفوظ می‌کند. بافت استخوانی دائماً در حال بازسازی است و کلسیم مورد نیاز بدن به‌طور متناوب از ذخایر اسکلتی آزاد می‌شود.

بنابه نظریه انفجار بزرگ ، گسترش جهان از یک انفجار آتشین آغاز شده و تا امروز ادامه یافته است و احتمال دارد این گسترش تا بینهایت ادامه داشته باشد. ولی ما یقینا می‌خواهیم بدانیم پیش از این انفجار اولیه وضع از چه قرار بوده است. اما برای فهمیدن این موضوع باید از دیوار زمان صفر عبور کنیم. نه تنها در عرصه فیزیک ، بلکه حتی در عرصه منطق نیز دشواریهای زیادی در این سیر وجود دارد.

ما نمی‌توانیم تاریخ کائنات را از زمان صفر یعنی درست لحظه آفرینش فضا و زمان آغاز کنیم ولی قادریم آن را از لحظه‌های بسیار کوتاه و غیر قابل تصور یعنی 43- ^10 ثانیه پس از انفجار بزرگ آغاز کنیم. قوانین بنیادی فیزیک توانسته‌اند از امروز تا آن لحظه که کائنات بسیار بسیار کوچک ، داغ و غلیظ بوده ، استواری خود را حفظ کنند.

خصوصیات کائنات در زمان صفر

در 43- ^10 ثانیه پس از انفجار بزرگ ، کائنات بیش از 35 - ^ 10 متر قطر نداشته و ده میلیون میلیارد میلیارد بار کوچکتر از یک اتم هیدروژن بوده است. در این زمان عالم چنان جوان است که نور نمی‌تواند به دورها سفر کند و افق کیهانی که کائنات قابل دید را در بر می‌گیرد، بسیار نزدیک است. در این زمان حرارت به 32 ^ 10 کلوین میرسد. کائنات بسیار غلیظ و فشرده (96 ^ 10 برابر غلظت آب) و انرژی آن غیر قابل اندازه گیری است. چنانچه اگر بخواهیم چنین نیرویی تولید کنیم باید دستگاههای تسریع کننده ذرات اولیه‌ای بسازیم که چندین سال نوری قطر داشته باشند.

زمان صفر یا زمان پلانک

در 43- ^10 ثانیه پس از انفجار ، کائنات چنان فشرده و غلظت چنان انباشته است که نیروی جاذبه ، که در حالت معمولی در مقیاس میکروسکوپی قابل اغماض است، مانند نیروها از قبیل نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف نیروی الکترومغناطیسی ، بسیار قوی می‌باشد. ولی ما نمی‌توانیم رفتار و مشخصات اتمها و نور را در جاذبه بسیار قوی دریابیم. این مساله نخستین بار در آغاز قرن حاضر توسط "ماکس پلانک" مطرح شد. به همین دلیل زمان 43- ^10 ثانیه را "زمان پلانک" می‌گویند. که در آن فیزیک از توضیح عاجز می‌شود و مرز آگاهی‌ها به نهایت می‌رسد.

جاذبه سد زمان صفر

برای پشت سر گذاشتن زمان پلانک به نظریه‌ای‌ کوانتیک از جاذبه نیاز است که در آن قوه جاذبه بتواند با سایر نیروها متحد شود. فیزیکدانان در تلاشند تا یک نظریه جامع طبیعت بیابند که در آن چهار نیروی حاکم بر جهان بصورت یک نیروی واحد عمل کنند. و تا کنون موفق شده‌اند شرایط گرد آمدن نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی را بدست آورند. ولی نیروی جاذبه همچنان با اتحاد با این نیروها مخالفت می‌کند. این نیرو که بر دنیای بینهایت بزرگها حاکم است از هر گونه اتحاد با دنیای بینهایت خردها سرباز می زند.

پیوند و اتحاد مکانیک کوانتومی با نسبیت در حال حاضر همچنان سدی غیر قابل عبور است و حتی اینشتین که در سی سال آخر عمر خود ، سر سختانه در این زمینه به کار پرداخت، نتوانست از این سد بگذرد. تا وقتی مقاومت و استقامت جاذبه شکسته نشود، فراتر از زمان پلانک را در یافتن ، کاری غیر ممکن است. این زمان مرز و حد نهایی آگاهی و شناخت ما است. در پشت دیوار پلانک واقعیتی هنوز دست نیافتنی پنهان است که در آن جفت فضا ـ زمان کائنات چهار بعدی ما می‌تواند کاملا متفاوت باشد با دیگر وجود نداشته باشد.

پشت دیوار پلانک

فیزیکدانهایی که شکافهای کوتاه و گذرایی در پشت دیوار پلانک وارد کرده‌اند، می‌گویند که با کائنات پرآشوبی که ده یا حتی بیست و شش بعد دارد، برخورد کرده‌اند، که در آن قوه جاذبه چنان قوی است که فضا را به کلی دگرگون کرده است و در آن ، فضا ، تحت تاثیر جاذبه به تعداد بیشماری سوراخ سیاه میکروسکوپیک تبدیل شده است که گذشته ، حال و آینده و حتی زمان در آن معنا ندارد. هر کدام از این سوراخها صد میلیارد میلیارد بار کوچکتر از یک پروتون هستند، که با حرارت 32 ^10 کلوین در فاصله 43- ^10 ثانیه تبخیر می‌شوند، ناپدید می‌شوند و دوباره ظاهر می‌شوند.

زمان مرجع

سالها کوشش و مطالعه طاقت فرسا لازم است تا دیوار پلانک سوراخ شود و تا رسیدن به آن روز ما باید "زمان پلانک" را به منزله "زمان صفر" بپذیریم. بنابرین ، وقتی از مبدا و آغاز خلقت کائنات گفتگو می‌کنیم، زمان مرجع ما زمان پلانک خواهد بود.

 هر ساله توفان هاى موسمى بسیار بزرگ که تندبادهایى با سرعت بیش از 120 کیلومتر بر ساعت را ایجاد مى کنند، سراسر دریاهاى گرمسیرى را درنوردیده و به سوى خطوط ساحلى حرکت مى کنند. این امر غالباً باعث مى شود که بخش هاى وسیعى از نوارهاى ساحلى در نقاط مختلف جهان دچار آسیب هاى جدى و فراوانى شوند. وقتى این توفان هاى پى در پى که در میان ساکنین سواحل اقیانوس اطلس و سواحل شرقى اقیانوس آرام به نام Hurricane، در سواحل غربى اقیانوس آرام به نام Typhoon و در سواحل حاشیه اى اقیانوس هند به نام Cyclone معروف اند به نواحى پرجمعیت هجوم مى برند، ممکن است هزاران نفر کشته و میلیاردها دلار خسارت بر جاى گذارند. و هیچ چیز، مطلقاً هیچ چیز، در برابر آنها توان ایستادگى و مقاومت ندارد.

اما آیا این نیروهاى مهیب طبیعت باید براى همیشه از حیطه کنترل ما خارج باشند؟ من و همکاران محقق ام هرگز اینگونه نمى اندیشیم. تیم تحقیقاتى ما از مدت ها پیش در پى یافتن پاسخ این سئوال است که چطور مى توان توفان ها را به مسیرهاى کم خطرتر هدایت کرد یا در غیر این صورت لااقل آنها را به جهات مختلف پراکنده ساخت. گرچه تحقق این هدف بزرگ شاید براى دهه ها بعد قابل تصور باشد، اما نتایج تحقیقات ما نشان مى دهند که مطالعه احتمالات متعدد در این زمینه چندان آسان نخواهد بود.

براى برداشتن نخستین گام ها در مسیر کنترل توفان ها، محققان باید قادر باشند که اولاً مسیر جارى شدن یک توفان را با دقت فوق العاده زیادى پیش بینى کنند، ثانیاً هویت تغییرات فیزیکى (از قبیل تغییرات دماى هوا) را که بر رفتار توفان اثرگذار خواهند بود تشخیص دهند و ثالثاً راه هایى را براى تأثیرگذارى بر آن تغییرات پیدا کنند. این کار اکنون در مراحل آغازین خود قرار دارد، اما شبیه سازى هاى کامپیوترى توفان ها که طى چند سال گذشته با موفقیت قابل وصفى انجام شده اند به وضوح نشان مى دهند که تعدیل رفتار توفان ها بالاخره روزى میسر خواهد بود. در این میان، چیزى که بیش از هر چیز دیگر پیش بینى آب و هوا را مشکل مى سازد، حساسیت فوق العاده اتمسفر (جو زمین) به تحریکات کوچک است، اما همین امر مى تواند کلید واقعى دستیابى بشر به کنترلى باشد که دائماً در جست وجوى آن است. نخستین تلاش تیم تحقیقاتى ما براى اثرگذارى بر مسیر یک توفان شبیه سازى شده، به عنوان مثال، از طریق ایجاد تغییرات کوچک در کیفیت اولیه توفان، به طور قابل ملاحظه اى موفقیت آمیز از کار درآمد و نتایج بعدى نیز همچنان روند مطلوب قبلى را تداوم بخشیده اند.

ماهیت توفان ها

براى اینکه ببینیم اساساً چرا توفان ها (Hurricanes) و سایر تندبادهاى گرمسیرى مى توانند مستعد پذیرش مداخله انسان باشند، باید ماهیت و منشاء اصلى وقوع توفان ها را دریافت. توفان ها، به شکل دسته هایى از تندبادهاى همراه با آذرخش و صاعقه بر فراز اقیانوس هاى گرمسیرى ظاهر مى شوند. دریاهاى واقع در عرض هاى جغرافیایى پایین دائماً حرارت و رطوبت زیادى را براى اتمسفر به ارمغان مى آورند و این امر باعث مى شود تا هواى گرم و مرطوب فراوانى بر فراز سطح دریا تشکیل شود. وقتى این هوا به سمت سطوح فوقانى جو حرکت مى کند، بخار آب موجود در آن تقطیر مى شود و بدان وسیله موجبات تشکیل ابرها و فرو ریختن انواع نزولات را فراهم مى سازد. تقطیر بخار آب موجود در هوا باعث آزاد شدن حرارت در سطوح فوقانى جو مى شود و این حرارت که اصطلاحاً از آن به عنوان «گرماى نهان تقطیر» نام برده مى شود، به همراه حرارت تابشى خورشید که اصلى ترین عامل تبخیر آب در سطح اقیانوس محسوب مى شود، سبکى بیشترى را براى هوا به ارمغان آورده و باعث مى شوند تا هوا طى یک فرایند بازخوردى تقویتى (Feedback) آمادگى صعود به ارتفاعات بالاتر را پیدا کند. نهایتاً، فرود این هواى گرمسیرى باعث سازماندهى تدریجى و تقویت سامانه اى مى شود که به نوبه خود موجبات تشکیل «قطب مرکزى سکون»اى را فراهم مى سازد که یک توفان دریایى به دور آن مى چرخد. با رسیدن این سامانه به زمین، منبع پایدار آب گرم توفان از آن جدا مى شود که همین امر به تضعیف سریع توفان مى انجامد.

رویاى کنترل توفاناز آنجایى که توفان بیشتر انرژى اش را از حرارت آزاد شده در نتیجه تقطیر بخار آب بر فراز اقیانوس (که بعدها به تشکیل ابر و فرود نزولات جوى مى انجامد) به دست مى آورد، لذا نخستین چیزى که محققان در رویاهاى خویش براى پیش بینى زمان وقوع این پدیده هاى وهم آسا مجسم ساخته بودند، تلاش همه جانبه براى ایجاد تغییر در فرایند تقطیر با استفاده از تکنیک هاى بارورسازى ابرها بود که در دهه هاى دورتر به عنوان تنها راه عملى براى تأثیرگذارى بر شرایط آب و هوایى مناطق مطرح بود. در اوایل دهه ،1960 یک هیات مشاوره اى علمى به نام Project Stormfury که از سوى دولت آمریکا مأموریت یافته بود، اقدام به انجام یک سرى آزمایش هاى دلیرانه یا شاید متهورانه با هدف تعیین چگونگى امکان اجرایى کردن آن راهکار نمود.

هدف Project Stormfury کاستن از سرعت گسترش یک توفان از طریق تشدید یا تقویت سرعت نزول باران در نخستین باند یا حوزه بارانى در خارج از Eye Wall یا حلقه ابرها و بادهاى شدیدى بود که در حوزه دید قرار داشتند [براى آگاهى بیشتر در این زمینه به مقاله «تجربیات ملایم سازى توفان» اثر«آر اچ سیمپسون» و «جوآنه اس مالکوس» در نسخه دسامبر 1964 نشریه ساینتیفیک آمریکن مراجعه کنید].

آنها تلاش کردند تا این هدف را با پاشیدن ذرات یدید نقره بر روى ابرها به وسیله طیاره محقق سازند: در این روش، از ذرات یدید نقره به عنوان هسته هایى لازم براى تشکیل یخ از بخار آبى استفاده شد که پس از صعود به بالاترین و سردترین محدوده هاى ارتفاعى توفان عملاً مادون سرد (Supercooled) شده بود. اگر همه چیز طبق پیش بینى هاى رویاپردازانه مبتکران آن طرح پیش رفته بود، ابرها سریع تر رشد مى کردند و موجودى هواى گرم و مرطوب نزدیک سطح اقیانوس را به مصرف مى رساندند و در نتیجه جایگزین EyeWall قبلى مى شدند. این فرایند در ادامه باعث افزایش شعاع عملکرد توفان و در نتیجه کاهش شدت آن مى شد، درست همان طورى که یک اسکیت باز خبره براى کاستن از سرعت دوران خود دستانش را به طرفین باز مى کند.نتایج تحقیقات Project Stormfury در بهترین حالت مبهم و دو پهلو بودند. هواشناسان امروزى انتظار ندارند که این کاربرد ویژه بارورسازى ابرها در مورد توفان ها مؤثر باشد، زیرا برخلاف تصورات اولیه، توفان ها حاوى بخار آب مادون سرد نیستند.

آب و هواى مغشوش

مطالعات جارى ما از دل یک کشف قدیمى بیرون آمد که من 30 سال پیش، زمانى که تازه از دانشگاه فارغ التحصیل شده بودم و به تحقیق پیرامون ابعاد مختلف وجودى تئورى آشوب (Chaos Theory) مشغول بودم، به آن پى برده بودم. یک سیستم بى نظم (Chaotic System) سیستمى است که در نگاه اول به نظر مى رسد که رفتارى تصادفى داشته باشد، اما در واقع، همین سیستم تحت حاکمیت قوانینى قرار دارد. چنین سیستمى به شرایط اولیه نیز بسیار حساس است، به گونه اى که ورودى هاى ظاهراً ناچیز و دلخواه قادرند تأثیرات شگرفى را بر روى آن داشته باشند که این امر نیز به نوبه خود نتایج پیش بینى ناپذیرى را در سریع ترین زمان ممکن در پى خواهد داشت. در مورد توفان ها، بروز تغییرات کوچک در جنبه هایى از قبیل دماى اقیانوس، موقعیت مکانى جریان هاى شدید باد (که تنظیم کننده سرعت و جهت حرکت توفان ها هستند)، یا حتى شکل ابرهاى بارانى حاضر در سراسر حوزه دید مى تواند تأثیر عمیقى را بر مسیر حرکت و توان بالقوه یک توفان بر جاى نهد.

حساسیت شدید جو زمین به تغییرات کوچک و آمیختگى سریع خطاهاى کوچک با مدل هاى پیش بینى آب و هوا چیزى است که پیش بینى طولانى مدت (بیش از پنج روز پیش از وقوع توفان) را تا این حد مشکل ساخته است. اما این حساسیت همچنین من را به تعجب وا مى دارد که چطور ممکن است ورودى ها یا تحریکات جزیى چنان تأثیرات عمیقى را بر توفان ها بر جاى نهند که بتوانند آنها را از مراکز جمعیتى ساحلى دور کرده یا لااقل از سرعت بادهاى همراه آنها بکاهند.

من در زمان هاى دور قادر به پیگیرى آن ایده ها نبودم، اما طى دهه گذشته، شبیه سازى کامپیوترى و فناورى هاى حساس به تغییرات بسیار جزیى به قدرى رشد کرده اند که ظاهراً قادر به تحقق بخشیدن رویاهاى دوره جوانى من در کنترل پدیده هاى آب و هوایى در مقیاس بزرگ خواهند بود. هم اینک، من و همکارانم در مؤسسه «تحقیقات جوى و زیست محیطى» (AER) که یک شرکت مشاوره اى در زمینه تحقیقات و توسعه محسوب مى شود، با حمایت مالى «مؤسسه مفاهیم پیشرفته ناسا» (سازمان فضانوردى آمریکا) مشغول بهره بردارى از مدل هاى کامپیوترى توفان ها با هدف تشخیص انواع عملیاتى هستیم که ممکن است نهایتاً در جهان واقعى به مورد اجرا گذاشته شوند. به ویژه، ما از فناورى پیش بینى وضعیت آب و هوا براى شبیه سازى رفتار توفان هاى قبلى و سپس آزمایش نتایج مداخلات متعدد از طریق مورد ملاحظه قرار دادن تغییرات در توفان هاى مدل سازى شده استفاده مى کنیم.

مدل سازى آب و هواى مغشوش

حتى بهترین مدل هاى کامپیوترى پیش بینى وضعیت آب و هوا در روزگار فعلى وقتى پاى پیش بینى به میان مى آید بسیارى چیزها را در حد رویا باقى مى گذارند، اما با توسل جستن به آنها مى توان مدل سازى توفان ها را ساده تر کرد. مدل هاى کامپیوترى یاد شده به روش هاى عددى اى بستگى دارند که فرایند پیچیده گسترش یک توفان را با به محاسبه درآوردن شرایط برآورده شده جوى در فواصل زمانى کوتاه و پى در پى شبیه سازى مى کنند. محاسبات عددى پیش بینى وضعیت آب و هوا بر این فرض اولیه استوارند که در جو زمین هیچ آفرینش یا انهدام جرم، انرژى، مومنتوم (اندازه حرکت) و رطوبتى میسر نخواهد بود [اصل بقاى جرم، انرژى و . . . ]. در یک سیستم سیال، نظیر یک توفان، این کمیت هاى تغییرناپذیر دوشادوش جریان توفان جابه جا مى شوند. با این حال، نزدیک مرزها یا حواشى سیستم، بر پیچیدگى مسائل افزوده مى شود. به عنوان مثال، در سطح دریا، شبیه سازى هاى ما باید بتوانند پاسخگوى به دست آوردن یا از دست دادن چهار کمیت تغییرناپذیر اصلى باشند.

مدل سازان وضعیت جوى را به عنوان یک ویژگى کامل متغیرهاى فیزیکى قابل اندازه گیرى، از جمله فشار، دما، رطوبت نسبى، و سرعت و جهت باد، تعریف مى کنند. این کمیت ها معادل خواص فیزیکى تغییرناپذیرى هستند که شبیه سازى هاى کامپیوترى بر آنها استوارند. در بیشتر مدل هاى آب و هوایى، این متغیرهاى رویت پذیر بر روى یک نمودار میله اى سه بعدى از اتمسفر به تصویر کشیده مى شوند، بنابراین مى توان نقشه اى از هر ویژگى را براى هر ارتفاع معینى رسم کرد. مدل سازان به هیچ وجه مجموعه مقادیر همه این متغیرها را نقاط میله اى کیفیت مدل نمى نامند.براى انجام یک پیش بینى مناسب، یک مدل عددى پیش بینى وضعیت آب و هوا پى درپى کیفیت مدل را لحظه به لحظه در فواصل زمانى کوتاه (از چند ثانیه تا چند دقیقه بسته به مقیاس طرح مورد بررسى توسط مدل) بهبود مى بخشد. مدل عددى یاد شده میزان تأثیرات به وجود آمده را که حین هر فاصله زمانى معین در مقادیر خواص متعدد جوى و نیز فرایندهاى تبخیر، بارش، سایش سطحى، سرمایش مادون قرمز و گرمایش خورشیدى که در ناحیه مورد نظر اتفاق مى افتد، محاسبه مى کند.

خاصیت پیش بینى

متأسفانه پیش بینى هاى هواشناسانه ناقص و اعتمادناپذیر هستند. در وهله اول، کیفیت آغازین مدل ها همواره ناقص و غیردقیق است. کیفیت اولیه مدل ها براى توفان ها نیز داراى نواقصى بوده و خصوصاً تعریف شان مشکل است، زیرا مشاهدات مستقیم بسیار معدود بوده و انجام شان نیز مشکل است. با این حال ما از مشاهده تصاویر ماهواره اى ابرها به این نتیجه مى رسیم که توفان ها داراى ساختارهاى پیچیده و تودرتویى هستند. اگرچه این تصاویر بالقوه بسیار سودمند خواهند بود، اما ما نیازمند آگاهى یافتن از مسائلى بسیار بیشتر و پیچیده تر از این هستیم. ثانیاً حتى با کیفیت کامل اولیه، مدل هاى کامپیوترى توفان هاى گرمسیرى بزرگ به خودى خود مستعد بروز اشتباه هستند.

به عنوان مثال اتمسفر فقط در یک میله از نقاط مدل سازى مى شود. وجوهى کوچکتر از طول میله که همانا مسافت بین دو نقطه میله اى مجاور را تشکیل مى دهد، به طور دقیق قابل لمس نخواهند بود. بدون یک عزم بسیار جدى، ساختار یک توفان در مجاورت Eye Wall مهمترین وجه آن پوشیده باقى مانده و جزئیات آن نیز نامعلوم باقى خواهد ماند. به علاوه، این مدل ها، درست شبیه اتمسفرى که شبیه سازى مى کنند، طبق یک الگوى بى نظم رفتار مى کنند و اشتباهات برآمده از هر دوى این منابع خطا به موازات اقدام براى انجام محاسبات پیش بینى وضع هوا سریعاً فزونى مى یابند.به رغم محدودیت هایش، این فناورى هنوز براى اهداف ما اجتناب ناپذیر جلوه مى کند. ما براى پیگیرى تجربیات مان اقدام به طرح ریزى یک سیستم بسیار کارآمد اولیه پیش بینى آب و هوا به نام «شبیه سازى چهاربعدى داده هاى تغییرپذیر» 4 DVAR کرده ایم.

بعد چهارمى که در این روش به آن استناد شده «زمان» است. محققان «مرکز پیش بینى هاى آب و هوایى متوسط اروپا» یکى از مهمترین مراکز هواشناسى جهان از این تکنیک پیشرفته براى پیش بینى وضع آب و هواى هر روز اروپا استفاده مى کنند. براى تحقق بخشیدن به هدف متعالى استفاده بهینه از همه مشاهدات جمع آورى شده توسط ماهواره ها، کشتى ها، راهنماهاى شناور و حسگرهاى هوابرد پیش از آنکه عملیات پیش بینى آغاز شود4، DVAR این اندازه گیرى ها را با یک حدس اولیه قابل قبول از کیفیت اولیه اتمسفر طى فرآیندى به نام یکسان سازى داده ها ترکیب مى کند. این حدس اولیه معمولاً یک پیش بینى 6 ساعته است که در هنگام مشاهدات اصلى معتبر خواهد بود. توجه داشته باشید که4 DVAR براى هر مشاهده اى دلیل موجهى اقامه مى کند، درست زمانى که از آن به جاى گروه بندى آن مشاهدات در طول یک بازه زمانى چندساعته استفاده مى شود. نتیجه ترکیب کردن داده هاى حاصل از مشاهده و حدس اولیه سپس براى گام برداشتن در مسیر پیش بینى 6ساعته بعدى مورد استفاده قرار مى گیرد.

  حتی با میلیون ها مورد اطلاعات مختلف و استفاده از مدرن ترین کامپیوتر ها، کارشناسان هواشناسی نمی توانند پیشگویی دقیقی در مورد وضعیت آب و هوا ارائه کنند. در اتمسفر زمین هرج ومرج برقرار است.

شما حتماً بارها در برابر این پرسش قرار گرفته اید که وضعیت هوا فردا چگونه خواهد بود؟ آیا باران خواهد بارید؟ یا خورشید درخشان خواهد بود؟ آیا بادی شدید خواهد وزید یا نسیمی دل انگیز؟ پاسخ این پرسش ها را هر روز در بخش پیش بینی هوا در همه جا، در اخبار رادیو، تلویزیون، روزنامه ها و اینترنت می توانید بیابید. اما این پیشگویی ها چگونه انجام می گیرند؟

محققان امور هواشناسی جدیدترین اطلاعات واصله برای مثال درباره فشار هوا، وزش باد و دمای هوا را در ارتباط با یکدیگر در نظر گرفته و محاسبه می کنند و در پایان به عنوان نتایج کار خود می توانند هوای چند ساعت و حتی چند روز آینده را پیشگویی کنند. اینگونه پیشگویی هوا که از طریق محاسبه ارقام و اعداد مختلف با یکدیگر به دست می آید، در سراسر جهان شیوه ای بسیار متداول است. اما بسیاری از اوقات نیز غلط از آب در می آید. نه به این خاطر که متخصصان هواشناسی در کار خود سهل انگاری می کنند بلکه به این دلیل که در اصل، کل تغییرات هوا را نمی توان از قبل پیش بینی کرد.

دشواری های این امر از همان آغاز اطلاعات جدیدی هستند که هر لحظه تغییر می کنند بنابراین همیشه بایستی از یک رقم میانگین در محاسبات استفاده شود. در حقیقت آب و هوا یک سیستم درهم و برهم است که دائماً در تحول است و در آن همه عوامل به یکدیگر ربط دارند. البته همه این اتفاقات در اتمسفر زمین به صورت شناخته شده بر اساس قوانین فیزیکی رخ می دهند اما تساوی های ریاضی محاسبات این تغییر و تحولات، در طی گذشت ساعات و روزها، نتایج دقیقی را در دسترس ما قرار نمی دهند. به ویژه زمانی که ارقام اولیه، غیردقیق بوده و تنها اطلاعات حاصله از تصاویر لحظه ای را بازتاب می دهند.اعداد و ارقامی که در ساعت 12 ظهر برای پیشگویی هوا در ساعت 15 به کار گرفته می شوند، ممکن است تا ساعت 12 و نیم تغییر کرده و به این ترتیب، پیشگویی قبلی را غیرقابل استفاده کنند. برای مثال در اداره هواشناسی آلمان تقریباً هر 3 ساعت یک بار، کامپیوترها با داده های جدید تغذیه می شوند. به همین دلیل، نتایج محاسبات آنها نیز، تنها می توانند تقریباً درست باشند و یا اینکه کاملاً اشتباه از آب درآیند. در هر صورت صحت این اخبار برای یک پیش بینی هوای 24 ساعته، تقریباً برابر با 90 درصد است.

هر روز حدود یک میلیون مورد اطلاعات مختلف، پیش از همه درباره فشار، رطوبت و دمای هوا و راجع به جهت و سرعت وزش باد، در اختیار کامپیوتر عظیم 10 میلیون یورویی اداره هواشناسی آلمان قرار داده می شوند. این اطلاعات، تنها از ایستگاه های هواشناسی داخل آلمان تهیه نمی شوند بلکه، همچنین از شبکه سراسری، متشکل از 37 هزار ایستگاه هواشناسی در کشتی ها، هواپیماها، چراغ های دریایی، بالون ها و ماهواره ها جمع آوری می شوند. اطلاعات جدید، دائماً در حال انتقال به اداره هواشناسی ملی مربوطه هستند و از آنجا به مراکز بین المللی هواشناسی فرستاده می شوند.

بدون این اطلاعات که از راه های دور می رسند کامپیوتر فوق العاده اداره هواشناسی آلمان هم قادر نیست حتی یک پیشگویی هوای نسبتاً دقیق را برای آلمان ارائه کند. زیرا وضعیت آب و هوای آلمان اغلب بر فراز اقیانوس اطلس تعیین می شود. به همین دلیل وضعیت پیشگویی هوا برای دوره های میان مدت و یا درازمدت، تنها از طریق اطلاعات تکمیلی مناطق دور می تواند انجام گیرد.با وجود همه توانایی های محاسباتی کامپیوتر اما، این دستگاه قادر به تهیه یک نقشه هواشناسی، آنگونه که ما آن را از روزنامه ها و یا اخبار تلویزیون می شناسیم، نیست.زمانی که کامپیوتر، اطلاعات پیشگویی شده خود را ارائه می دهد، تازه این هنر کارشناسان هواشناسی است که این اطلاعات را ساده کرده، متمرکز کرده و به این ترتیب داده های مهمتر را برجسته نموده و از بقیه صرف نظر می نمایند. در نتیجه تازه اینجاست که، نقشه های هواشناسی به وجود می آیند، که معمولاً به ناحق در اخبار تنها در چند سطر انگشت شمار یادی از آنها می شود.

این زحمت بسیار، ارزش خود را دارد زیرا گذشته از آن که پیشگویی هوا یکی از پرطرفدارترین بخش های اخبار روزانه است، برای بسیاری از بخش های اقتصادی نیز از اهمیت فراوان برخوردار است. هیچ هواپیمایی پرواز نمی کند و هیچ کشتی باری ای بندر را ترک نمی کند بدون اینکه قبلاً درباره چگونگی هوا مشورت شده باشد. کشاورزان مایلند بدانند که چه زمانی باید به کشت بذرهای خود بپردازند. تامین کنندگان انرژی، میزان استفاده از الکتریسیته را در ارتباط با دمای هوا برآورد می کنند و تولیدکنندگان آب معدنی و یخ تولیدات خود را زمانی افزایش می دهند که موجی از گرما در پیش روست. علاوه بر این هر سال، بیش از 5000 هشدار درباره بدی آب و هوا از بروز وقایع ناگوار با مخارجی به میزان میلیاردها یورو جلوگیری می کنند.