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.