Заглянуть в «глаз» урагана

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В перечне ураганов, публикуемом американским Национальным ураганным центром, вы не найдете тех, о которых пойдет речь. Они не вошли и в список тайфунов (это одно явление, только в Тихом океане их называют тайфунами, а в Атлантическом — ураганами), который составляется в Японии. Эти ураганы родились не над Карибским морем и не в «гнезде тайфунов», как называют моря, окружающие Японию, не в Бенгальском заливе или около Филиппин. Адрес их — научная лаборатория.

Ученые создают эти «бури в стакане воды», чтобы досконально изучить, понять, как появляются на свет ураганы, чем обусловлен их бешеный характер, откуда эта страшная сила, приносящая за несколько часов разрушения, для которых понадобились бы месяцы или даже годы безжалостной войны.

Создать физическую модель урагана, «прорепетировать» и разыграть в лаборатории этот сложнейший спектакль, в котором участвуют две самые мощные земные стихии — океан и атмосфера,— дело отнюдь не простое.

Почему за столь сложный эксперимент взялись ученые? В мире ежегодно гибнет от ураганов в среднем от 150 до 200 человек. Это в среднем. А 118 ураганов, проникших с моря в США и Мексику, за 60 лет унесли 17 тысяч жизней. Материальные убытки исчисляются сотнями миллионов, а иногда и миллиардов долларов. Страны, которые посещают эти несущие смерть «пришельцы» из океана, очень не скоро залечивают нанесенные раны.

Да и не только в этом дело. Чтобы понять, как живет атмосфера, как происходит постоянное «кровообращение» воздуха вокруг планеты, какие законы управляют этой непрекращающейся неутомимой работой, необходимо изучить все явления, происходящие в атмосфере. Любые, даже самые малозаметные перемены в состоянии воздушного океана достойны внимания. И их ежесекундно улавливают тысячи приборов на метеостанциях, покрывающих Землю сплошной и густой сетью. Тем более интересны и важны взрывные моменты, в которых мощные, долго накапливаемые силы природы находят выход, разряжаются. Они играют отнюдь не меньшую, а иногда даже и большую роль, чем длительные, медленные, постоянно действующие процессы, протекающие над поверхностью Земли.

Понять, как происходят эти катастрофические, мощные преобразования, перераспределения сил и веществ в природе, так же важно, как разгадать и не пропустить кризис в болезни, от течения которого зависит весь дальнейший ход событий. Понимание жизни атмосферы — это ступенька к тому, чтобы научиться этой жизнью управлять или, по крайней мере, разгадывать ее неожиданные повороты, несущие как благо, так, к сожалению, и разрушения, а иногда и смерть. Вот почему метеорологи, океанологи, климатологи любой страны так или иначе занимаются ураганами.

Проводить наблюдения за ураганами в океане чрезвычайно сложно, да и просто-напросто смертельно опасно. И хотя американские и японские ученые совершают рискованные полеты на самолетах через ураганы, данных, собранных в природе, пока еще очень мало. Построить теоретическую модель урагана пока еще тоже нельзя: слишком мало известно о процессах, происходящих в урагане, о механизме его действия. Возможно, на сегодняшнем этапе исследований именно лабораторная физическая модель тропического урагана сможет показать его «устройство».

Так рассуждали ученые. И таким образом начались опыты с инкубаторными ураганами, которые можно едва ли не «подержать в руках». «Чудовище,— как писал о тайфунах в своей книге французский метеоролог Пьер-Андре Молэн,— которое теперь, когда уничтожены страшные бичи средневековья, сохраняет ту же сокрушительную мощь, топит тысячи людей, сметает все с лица земли в тысячах километров от своей таинственной колыбели», загнали в «стакан с водой».

Хуракан, бахио, вилли-вилли…

Я пришла на физфак, спустилась в цокольный этаж, где «прописаны» рукотворные ураганы. Беседуем. Рядом — установка, на которой проводится моделирование. Сравнительно небольшой чан, к которому тянутся провода датчиков. В нем и создаются ураганы. Пока установка бездействует. Если бы можно было в природе так вот «включать» и «выключать» тайфун! Правда, опыты такие в мире ведутся. Проводились попытки засыпать облачную стену «глаза» урагана порошком йодистого серебра. Он создает ядра конденсации, помогающие урагану разрядиться ливнем над океаном, потерять здесь свою основную силу.

Так поступили с ураганом Дэбби. Скорость ветра в нем уменьшилась на 30 процентов, но нет полной уверенности в том, что это произошло именно из-за эксперимента. Пытались заливать акваторию какой-либо пленкой, мешающей испарению, а следовательно, передаче энергии из океана в атмосферу. Но ураган каким-то хитрым образом отодвигается, соскальзывает вбок и снова набирает силу. Идут поиски пока что наугад. А нужно изучить структуру тропического циклона, досконально узнать его строение, этапы жизни. Именно за это взялись на кафедре физики моря, где изучают тонкую структуру океана.

Естественно, что, прежде чем приступить к созданию модели, нужно было собрать, прочитать, осмыслить все, что об ураганах написано, издано, известно. А известно о них и много, и мало. Много потому, что описаний того, как «орудует» ураган, обрушившийся на побережье,— великое множество. Мало потому, что почти никому не удается провести измерения там, где ураган зарождается и набирает свою силу.

Гораздо больше, чем в Европе, знают о них в тех странах, которые подвержены нашествиям ураганов. Европейцы познакомились с ураганами в конце XV века, когда возвращавшиеся после открытия Нового Света корабли Христофора Колумба «Пинта» и «Нинья» 14 февраля 1493 года были подхвачены страшным ветром и разнесены в разные стороны. Индейцы, находившиеся на борту «Ниньи», встретили эту хорошо им знакомую вращающуюся бурю криками: «Хуракан! Хуракан!»

«Хуракан» — у народов Центральной Америки и побережья Карибского моря. «Элефантас» — на Малабарском берегу Индии, «бахио» — на Филиппинах, «вилли-вилли» — в Австралии, «тифон», «туфан», «тайфун» — на побережьях Японии, Китая. По-разному звучит это слово в разных частях света. В англосаксонском «хуракан» превратился в «харрикейн — Hurricane», и так называются тропические циклоны в Северной Атлантике и на Тихоокеанском побережье США. «Карающий бог» — таков перевод со многих языков. «Ужас» — вот общее слово, которое встречается во всех без исключения описаниях урагана.

На картах траекторий тропических ураганов, составленных многочисленными авторами, видно, что ураганы возникают и движутся только в определенных областях Мирового океана: — от 22° южной широты до 35° северной. В научной литературе их часто называют тропическими циклонами. Это уже звучит знакомо. Ведь циклон и антициклон — слова, которые благодаря радио и телевидению вошли в наш обиход. Мы уже привыкли, услышав «надвинулся циклон», готовить на завтра плащ или зонтик. Циклоны — зоны низкого давления, и они притягивают к себе перемещающиеся воздушные массы. Раз сказали «циклон» — жди ветра, а он может принести с собой и непогоду. Антициклон — зона высокого давления, отсюда ветры растекаются, унося избыток воздуха. Это — зона штиля, устойчиво хорошей погоды.

Когда различие в плотности воздуха невелико, дует обыкновенный ветер. Мы его привычно не замечаем. Но если такое различие почему-либо возрастет, начинается буря, «ветер с крыш солому рвет», «хороший хозяин собаку не выгонит», ну а если это различие выходит за рамки нормального — катастрофа, ураган, тайфун.

Где же рождаются тропические циклоны? Устойчивый режим умеренных по силе восточных ветров — пассатов — создает на огромном пространстве тропического океана устойчивую погоду. Там, где сближаются пассаты двух полушарий, образуется зона их сходимости, имеющая в целом пониженное давление. Здесь-то и возникают вихревые структуры, в которых давление еще ниже. Появляются те самые тропические депрессии, которые и служат затравкой для возникновения ураганов. Именно они делают ураганы не случайной прихотью природы, почему-то изредка буйствующей на фоне спокойной погоды тропиков, а закономерным явлением. Закономерным, но отнюдь не всегда осуществляющимся.

Всего одна десятая часть этих начальных возмущений (а они сейчас легко регистрируются со спутников) становится ураганами. Вот здесь и кроются главные вопросы. Почему и как происходит превращение безобидной тропической депрессии в ураган? Что поддерживает существование зоны низкого давления? Ведь воздушные массы, как только образовалась депрессия, немедленно устремляются к ней, чтобы восстановить нарушенное равновесие, но вместо заполнения пропасти получается ее углубление. Какая-то сила мешает массам воздуха заполнить провал, а заставляет их включиться в хоровод, кружащийся вокруг депрессии. Необходимо было разобраться в термических и динамических процессах, происходящих на границе вода — воздух.

«Мы живем в мире пограничных слоев»

Турбулентное движение — основная проблема современной гидродинамики. Турбулентный обмен участвует во всех процессах, которые протекают в гидросфере и атмосфере, организует эти процессы в целостную систему, создает те удивительные комбинации, составлять которые умеет только природа. И самые важные звенья в этих комбинациях — пограничные слои. В это понятие входят не только границы между жидкостью и воздухом, но и пограничные слои в самой водной толще, образующиеся при встрече двух течений, при обтекании тел, при движении слоев с разной плотностью, скоростью течения, температурой. Океан имеет очень сложную тонкую структуру, условия в его толще непрерывно меняются, причем как по вертикали, так и по горизонтали. Открытие тонкой структуры океана, ставшее возможным совсем недавно в связи с применением высокочувствительной аппаратуры, показало, что пограничными слоями пропитана вся толща океанических вод.

И самый сложный пограничный слой там, где соприкасается атмосфера и океан. Здесь проходит та граница, на которой беспрерывно изменяется дислокация войск — меняются скорость, температура, влажность, соленость. Пограничные слои крайне неустойчивы. Они очень тонки по сравнению с самим потоком, но именно те процессы, которые в них происходят, определяют структуру всего потока. В кажущемся хаосе причин и следствий необходимо найти стержневой, главный процесс, который определяет все остальные. Его-то и надо смоделировать в лаборатории.

Такой процесс, определяющий для урагана,— безусловно, передача энергии от нагретой воды в атмосферу. Пограничный слой вода — воздух — самый интересный из всех пограничных слоев. Граница здесь подвижна, деформируема и энергетически прозрачна — энергия без труда переходит из одной среды в другую. В условиях конвекции, когда температура океана больше температуры прилегающих к нему слоев воздуха, поступление тепла из воды в атмосферу происходит не равномерно, а скачками, так называемыми термиками. Термик, похожий на крохотный атомный гриб, подымаясь вверх, уносит с собой тепловую энергию. Рассчитать одиночный термик не так уж трудно, но в природе все гораздо сложней. Океаническая вода нагрета на огромной акватории, сюда добавляются ветер, волнение, завихренность. Процесс получается сложный, и из океана высасывается огромная масса тепла. Это знают все мореплаватели: прошел ураган, за ним тянется длинная и широкая холодная дорога.

Есть довольно много работ по созданию в лаборатории атмосферных вихрей малой протяженности — песчаных смерчей, «пыльных дьяволов». Но пыльные вихри возникают над нагретой поверхностью пустыни, процессы конденсации не играют в них никакой роли. Работ по физическому моделированию ураганов нет. «Изобретать велосипед» нужно было самим.

Итак, более или менее ясно было, с чего начать. Резервуар с теплой водой должен представлять собой нагретую до 27—28° акваторию, океан вблизи экватора, при взгляде на который почти видно, как поднимаются из него пары, собираясь в облака. Как завихрить эти пары? Какие силы в природе заставляют сменить вертикальное движение на движение по касательной?

Сил или даже явлений таких несколько. И прежде всего — это сила Кориолиса, или Кориолисово ускорение. Безобидная вещь, известная всем со школы. Скорость на вращающейся Земле зависит от широты места. На полюсе она равна нулю, а возле экватора достигает уже значительной величины — 463 метра в секунду. Это она заставляет всякий предмет, перемещающийся с одной широты на другую, разгоняться или тормозиться, она отклоняет все массы воздуха, перемещающиеся от экватора к полюсу. И воздух, ринувшийся на заполнение депрессии, движется по касательной к провалу, вращается вокруг него, вовлекая все новые и новые частицы. Так, в упрощенной схеме, обстоит дело в природе, и именно этот процесс предстояло перенести на модель.

В первом урагане, смоделированном в лаборатории, завихренность создавала вертушка, вращавшаяся на метровой высоте над теплой водой. Вихрь получался. Виден был «глаз» урагана, вокруг него — плотная стена из вращающихся капель воды. На этой модели измерили касательную составляющую скорости ветра, влажность, распределение температуры. Сравнили полученное с настоящим ураганом (есть такие данные по некоему статистически среднему урагану). Совпадают. Структура похожа: распределение влажности такое же, как в природе: стопроцентное насыщение в «стене», в «глазе» — падает. Температура, как и в настоящем урагане, уменьшается от «глаза» к периферии.

И все же не то! Нет в природе таких граничных условий, как на этой модели. Нет в природе той вертушки, которая закручивает вихрь. Ведь вода внизу могла быть холодной, вихрь все равно был бы. Структуру получили похожую, процесс — нет.

Искали долго, перерыли кучу литературы. И все же нашли. В одной американской работе при создании модели торнадо ученый ставил по краям нагретого железного листа так называемые тангенциальные окна, как бы вертикальные жалюзи.

Убрали вертушку. По краю установки поставили пластины, повернутые под некоторым углом. Подъемную силу создает нагретая вода, а тангенциальные окна по краям модели — сила Кориолиса! — дают завихренность. Пары закрутились.

Но дело не только в силе Кориолиса. Она закрутила вихрь, дала ему первоначальное движение по часовой стрелке в южном полушарии, против часовой — в северном. Но поддерживают его гораздо более мощные термические процессы. Исследователям известно, что ураганы возникают только над хорошо прогретой до 27—28° поверхностью океана. При выходе на холодную воду они гасятся. И никогда не рождаются над сушей.

Океан, этот громадный резервуар солнечной энергии, сохраняет ее намного дольше, чем атмосфера. Внутренняя энергия океана переходит в энергию водяных паров. Но, поднявшись выше, водяные пары начинают конденсироваться, энергия вновь высвобождается и превращается в кинетическую энергию урагана. Каков механизм передачи этой энергии — пока неизвестно. Это еще одна из задач: понять, как, высасывая из полукилометрового слоя воды тепло, ураган превращает его в энергию ветра? И какого ветра! Его скорость не могут измерить современные приборы, так как ни один из них не выдерживает встречи с ураганом.

Зарегистрированы скорости до 644 километров в час. Китайцы называют тайфун «кольцом железных ветров». Это уже не текучая, а твердая материя, которая может наносить удары почти как снаряд. С корнем вырываются не только деревья, но даже трава, летят крыши и сами здания, поднимаются в воздух и швыряются на берег корабли. Этот воздух невозможно глотнуть, им нельзя дышать. Люди бросаются на землю не только для того, чтобы не быть унесенными ветром, но и для того, чтобы найти в почве воздух для дыхания.

И только в самом центре гигантского, бешено вращающегося цилиндра сохраняется спокойствие. Это — «глаз бури». Здесь низкое давление, слабый ветерок и почти нет облачности. Страшное, обманчивое спокойствие на клочке океана, окруженного кольцом стен циклона. И лишь высокая зыбь и все время падающий барометр говорят морякам, попавшим в «глаз» урагана, какой опасностью они окружены.

Заговорив об опасностях, которыми угрожает людям ураган, нельзя не сказать, что ветры — это еще не все его оружие. Ураган сопровождают ливни, не идущие ни в какое сравнение с тем, что мы называем «проливным дождем». Во время нашествия на Кубу урагана «Флора», неожиданно изменившего направление своего движения и на пять дней застрявшего над островом, в восточной части острова выпало 1500 миллиметров осадков — годовая норма для Кубы.

Потоп пресной воды убивает прибрежных рыб, привыкших к соленой воде. Но бывает и наоборот. Ураган гонит перед собой на берег нагонную волну огромной разрушительной силы, высота которой достигает 14 метров. Начинаются чудовищные наводнения, переполняются соленой водой реки и каналы. И тогда уже гибнут пресноводные рыбы. За наводнениями следуют оползни, провалы, поля покрываются слоем ила и обломков.

Вот что несет с собой ураган, этот сгусток изобар, медленно, словно улитка, ползущий по синоптической карте. Ведь сам ураган движется не так уж быстро: 15—20 километров в час, и слова «тайфун пронесся, промчался, налетел» — это не о всем урагане, а только о той его части, которая окружает «глаз бури». На фотографиях со спутников этот «глаз» выглядит черным круглым пятном, окруженным белым кольцом сплошных тяжелых дождевых облаков. От этого кольца расходятся спиралевидные вихри, постепенно расширяющиеся и исчезающие на черном фоне воды.

Тот, кто знаком с лабораторным моделированием, знает, сколько труда нужно положить, прежде чем будет отлажена модель. Все делается своими руками. Различные датчики, аппаратура для записи и съемок — все это существует, но все нужно приспособить для своих целей. Возни с лабораторными опытами всегда много. Но и награда, когда модель «заработала», тоже велика. Сейчас «лабораторный ураган» действует. Наступил период кропотливого его изучения.

Различный наклон окон позволяет менять «силу Кориолиса», то есть как бы создавать ураганы на разных расстояниях от экватора. Можно менять и температуру воды, иными словами, подъемную силу.

Начиная с некоторой температуры воды и определенного угла поворота «тангенциальных окон», в центре установки происходит концентрация горячего влажного воздуха и возникает отчетливо видимый вихрь. С помощью светового луча были получены фотографии разрезов «урагана» на разных высотах. Из них видно, что центральная область вихря состоит из плотного кольца пара и капелек влаги. А в центре — отчетливо видимое темное ядро. Структура полученного в лабораторных условиях «урагана» качественно подобна структуре реальных ураганов: в центре ядро с пониженной влажностью — «глаз бури», оно окружено плотным кольцевым облачным районом — «стена глаза». Во внешней области видны спиралевидные хвосты, которые сейчас изучают все, кто занимается ураганами. Со спутников, фотографирующих реальные ураганы, они видны лишь в верхних слоях.

На модели удалось установить некоторые очень важные закономерности формирования и разрушения пограничного слоя, а ведь именно в нем происходит зарождение вихря.

Очень медленное развитие пограничного слоя сменяется очень быстрым, «мгновенным» его разрушением. Если записать это каким-либо образом в графическом виде, то станет видно, что процесс носит пилообразный характер. Такой же «взрывной» механизм обмена теплом присущ и атмосферным вихрям — ураганам.

Удалось смоделировать и еще один тонкий эффект. Радиальная скорость в вихре в определенные моменты меняет свой знак на обратный. То же происходит и в природном урагане. Это «непостоянство» — свидетель того, что в центре вихря существует нисходящий поток воздуха. Он тоже уловлен приборами экспериментаторов.

Итак, создана модель воздушного вихря, и, что особенно важно, причины, обусловливающие возникновение и развитие этого лабораторного «урагана», имеют ту же физическую природу, что и в реальных тропических ураганах. Однако и сила Кориолиса, и подъемная сила, смоделированные в лабораторной установке,— это все-таки лишь фон, на котором возникает ураган.

Должен существовать еще какой-то толчок, какое-то событие, помогающее урагану осуществиться. Необходимо его найти. Остается неясным, как писал климатолог С. П. Хромов, «главный вопрос — о способе, которым природа нажимает на кнопку и приводит в действие весь этот механизм, о первом импульсе к возникновению мощного подъема воздуха сразу и в короткое время над весьма значительной акваторией».

Ученые надеются получить ответ на этот вопрос, изменяя условия образования лабораторного урагана. Должен быть получен критерий, способный показать, при каких условиях ураган образуется, при каких — нет.

Лабораторный ураган движется над микроокеаном. Предстоит выяснить, куда он будет двигаться, если будет дуть такой или иной ветер, если изменятся граничные условия. Ведь чтобы уметь изменять путь урагана, нужно знать, что на этот путь влияет. А как говорит в своей книге П.А. Молэн, самое главное правило тайфуна — не признавать никаких правил. Вот почему так трудна задача предугадать путь урагана. Он не хочет подчиняться статистическим прогнозам, замедляет свой путь тогда, когда синоптики предсказывают ему рывок, и бешено бросается вдруг туда, где его появления не ожидают. Предсказать путь тропического циклона — нелегкая задача.

Но самое главное — понять механизм передачи тепла, уловить его, дать ему математическую интерпретацию. Сейчас, когда ученые стали понимать природу пограничных слоев, это уже не кажется невозможным. Когда будет разгадан способ, с помощью которого ураган набирает свою гигантскую силу, тогда можно будет понять, и как ее укротить или даже использовать. Именно использовать. Эта чрезвычайно заманчивая идея уже брезжит где-то в умах человечества. Но для этого сначала — изучить!

Автор: Г. Шевелева, кандидат географических наук.