Заглянути в «око» урагану

У переліку ураганів, що публікується американським Національним ураганним центром, ви не знайдете тих, про які піде мова. Вони не увійшли і в список тайфунів (це одне явище, тільки в Тихому океані їх називають тайфунами, а в Атлантичному — ураганами), який складається в Японії. Ці урагани народилися не над Карибським морем і не в «гнізді тайфунів», як називають моря, що оточують Японію, не в Бенгальській затоці або близько Філіппін. Адреса їх – наукова лабораторія.

Вчені створюють ці «бурі в склянці води», щоб досконально вивчити, зрозуміти, як з’являються на світ урагани, чим обумовлений їх скажений характер, звідки ця страшна сила, що приносить за кілька годин руйнування, для яких знадобилися б місяці або навіть роки безжальної війни.

Створити фізичну модель урагану, «прорепетирувати» і розіграти в лабораторії цю складну виставу, в якій беруть участь дві найпотужніші земні стихії — океан і атмосфера,— справа аж ніяк не проста.

Чому за такий складний експеримент взялися вчені? У світі щорічно гине від ураганів в середньому від 150 до 200 осіб. Це в середньому. А 118 ураганів, що проникли з моря в США і Мексику, за 60 років забрали 17 тисяч життів. Матеріальні збитки обчислюються сотнями мільйонів, а іноді і мільярдів доларів. Країни, які відвідують ці несучі смерть «прибульці» з океану, дуже не скоро заліковують нанесені рани.

Та й не тільки в цьому справа. Щоб зрозуміти, як живе атмосфера, як відбувається постійний «кровообіг» повітря навколо планети, які закони керують цією безперервною невтомною роботою, необхідно вивчити всі явища, що відбуваються в атмосфері. Будь-які, навіть самі малопомітні зміни в стані повітряного океану варті уваги. І їх щомиті вловлюють тисячі приладів на метеостанціях, що покривають Землю суцільною і густою мережею. Тим більше цікаві і важливі вибухові моменти, в яких потужні, що довго накопичуються сили природи знаходять вихід, розряджаються. Вони грають аж ніяк не меншу, а іноді навіть і більшу роль, ніж тривалі, повільні, постійно діючі процеси, що протікають над поверхнею Землі.

Зрозуміти, як відбуваються ці катастрофічні, потужні перетворення, перерозподіли сил і речовин в природі, так само важливо, як розгадати і не пропустити кризу в хворобі, від перебігу якої залежить весь подальший хід подій. Розуміння життя атмосфери – це сходинка до того, щоб навчитися цим життям керувати або, принаймні, розгадувати його несподівані повороти, що несуть як благо, так, на жаль, і руйнування, а іноді і смерть. Ось чому метеорологи, океанологи, кліматологи будь-якої країни так чи інакше займаються ураганами.

Проводити спостереження за ураганами в океані надзвичайно складно, та й просто-напросто смертельно небезпечно. І хоча американські і японські вчені здійснюють ризиковані польоти на літаках через урагани, даних, зібраних в природі, поки ще дуже мало. Побудувати теоретичну модель урагану поки ще теж не можна: занадто мало відомо про процеси, що відбуваються в урагані, про механізм його дії. Можливо, на сьогоднішньому етапі досліджень саме лабораторна фізична модель тропічного урагану зможе показати його «устрій».

Так міркували вчені. І таким чином почались досліди з інкубаторними ураганами, які можна ледь не «потримати в руках». «Чудовисько, – як писав про тайфуни у своїй книзі французький метеоролог П’єр-Андре Молен, – яке тепер, коли знищені страшні бичі середньовіччя, зберігає ту ж нищівну міць, топить тисячі людей, змітає все з лиця землі в тисячах кілометрів від своєї таємничої колиски», загнали в «склянку з водою».

Хуракан, бахіо, віллі-віллі…

Я прийшла на фізфак, спустився в цокольний поверх, де «прописані» рукотворні урагани. Розмовляємо. Поруч – установка, на якій проводиться моделювання. Порівняно невеликий чан, до якого тягнуться дроти датчиків. У ньому і створюються урагани. Поки установка не діє. Якби можна було в природі так от «вмикати» і «вимикати» тайфун! Правда, досліди такі в світі ведуться. Проводилися спроби засипати хмарну стіну «ока» урагану порошком йодистого срібла. Він створює ядра конденсації, що допомагають урагану розрядитися зливою над океаном, втратити тут свою основну силу.

Так вчинили з ураганом Деббі. Швидкість вітру в ньому зменшилася на 30 відсотків, але немає повної впевненості в тому, що це сталося саме через експеримент. Намагалися заливати акваторію будь-якою плівкою, що заважає випаровуванню, а отже, передачі енергії з океану в атмосферу. Але ураган якимось хитрим чином відсувається, зісковзує вбік і знову набирає силу. Йдуть пошуки поки що навмання. А потрібно вивчити структуру тропічного циклону, досконально дізнатися його будову, етапи життя. Саме за це взялися на кафедрі фізики моря, де вивчають тонку структуру океану.

Природно, що, перш ніж приступити до створення моделі, потрібно було зібрати, прочитати, осмислити все, що про урагани написано, видано, відомо. А відомо про них і багато, і мало. Багато тому, що описів того, як «орудує» ураган, що обрушився на узбережжя,— безліч. Мало тому, що майже нікому не вдається провести вимірювання там, де ураган зароджується і набирає свою силу.

Набагато більше, ніж в Європі, знають про них в тих країнах, які схильні до навал ураганів. Європейці познайомилися з ураганами в кінці XV століття, коли кораблі Христофора Колумба «Пінта» і «Нінья», що поверталися після відкриття Нового Світу 14 лютого 1493 року були підхоплені страшним вітром і рознесені в різні боки. Індіанці, що знаходилися на борту «Ніньї», зустріли цю добре їм знайому обертову бурю криками: «Хуракан! Хуракан!»

«Хуракан» – у народів Центральної Америки і узбережжя Карибського моря. «Елефантас» — на Малабарському березі Індії, «Бахіо» – на Філіппінах, «Віллі—Віллі» — в Австралії, «Тифон», «Туфан», «Тайфун» – на узбережжях Японії, Китаю. По-різному звучить це слово в різних частинах світу. В англосаксонському «Хуракан» перетворилося на «Харрікейн – Hurricane», і так називаються тропічні циклони в Північній Атлантиці і на Тихоокеанському узбережжі США. «Караючий бог» – такий переклад з багатьох мов. «Жах» – ось загальне слово, яке зустрічається у всіх без винятку описах урагану.

На картах траєкторій тропічних ураганів, складених численними авторами, видно, що урагани виникають і рухаються тільки в певних областях Світового океану: — від 22° Південної широти до 35° Північної. У науковій літературі їх часто називають тропічними циклонами. Це вже звучить знайомо. Адже циклон і антициклон — слова, які завдяки радіо і телебаченню увійшли в наш побут. Ми вже звикли, почувши «насунувся циклон», готувати на завтра плащ або парасольку. Циклони – зони низького тиску, і вони притягують до себе повітряні маси, що переміщаються. Раз сказали «циклон» — чекай вітру, а він може принести з собою і негоду. Антициклон – зона високого тиску, звідси вітри розтікаються, несучи надлишок повітря. Це – зона штилю, стійко гарної погоди.

Коли різниця в щільності повітря невелика, дме звичайний вітер. Ми його звично не помічаємо. Але якщо така відмінність чомусь зросте, починається буря, «вітер з дахів солому рве», «хороший господар собаку не вижене», ну а якщо ця відмінність виходить за рамки нормального – катастрофа, ураган, тайфун.

Де ж народжуються тропічні циклони? Стійкий режим помірних за силою східних вітрів-пасатів створює на величезному просторі тропічного океану стійку погоду. Там, де зближуються пасати двох півкуль, утворюється зона їх збіжності, що має в цілому знижений тиск. Тут-то і виникають вихрові структури, в яких тиск ще нижче. З’являються ті самі тропічні депресії, які і служать затравкою для виникнення ураганів. Саме вони роблять урагани не випадковою примхою природи, яка чомусь зрідка буяє на тлі спокійної погоди тропіків, а закономірним явищем. Закономірним, але аж ніяк не завжди здійснюваним.

Всього одна десята частина цих початкових збурень (а вони зараз легко реєструються з супутників) стає ураганами. Ось тут і криються головні питання. Чому і як відбувається перетворення нешкідливої тропічної депресії в ураган? Що підтримує існування зони низького тиску? Адже повітряні маси, як тільки утворилася депресія, негайно спрямовуються до неї, щоб відновити порушену рівновагу, але замість заповнення прірви виходить її поглиблення. Якась сила заважає масам повітря заповнити провал, а змушує їх включитися в хоровод, що кружляє навколо депресії. Необхідно було розібратися в термічних і динамічних процесах, що відбуваються на кордоні вода — повітря.

«Ми живемо в світі прикордонних шарів»

Турбулентний рух – основна проблема сучасної гідродинаміки. Турбулентний обмін бере участь у всіх процесах, які протікають в гідросфері і атмосфері, організовує ці процеси в цілісну систему, створює ті дивовижні комбінації, складати які вміє тільки природа. І найважливіші ланки в цих комбінаціях – прикордонні шари. У це поняття входять не тільки кордони між рідиною і повітрям, а й прикордонні шари в самій водній товщі, що утворюються при зустрічі двох течій, при обтіканні тіл, при русі шарів з різною щільністю, швидкістю течії, температурою. Океан має дуже складну тонку структуру, умови в його товщі безперервно змінюються, причому як по вертикалі, так і по горизонталі. Відкриття тонкої структури океану, що стало можливим зовсім недавно у зв’язку із застосуванням високочутливої апаратури, показало, що прикордонними шарами просякнута вся товща океанічних вод.

І найскладніший прикордонний шар там, де стикається атмосфера і океан. Тут проходить та межа, на якій безперервно змінюється дислокація військ — змінюються швидкість, температура, вологість, солоність. Прикордонні шари вкрай нестійкі. Вони дуже тонкі в порівнянні з самим потоком, але саме ті процеси, які в них відбуваються, визначають структуру всього потоку. У уявному хаосі причин і наслідків необхідно знайти стрижневий, головний процес, який визначає всі інші. Його-то і треба змоделювати в лабораторії.

Такий процес, що визначає для урагану, – безумовно, передача енергії від нагрітої води в атмосферу. Прикордонний шар вода-повітря – найцікавіший з усіх прикордонних шарів. Межа тут рухлива, деформована і енергетично прозора — енергія без зусиль переходить з одного середовища в інше. В умовах конвекції, коли температура океану більше температури прилеглих до нього шарів повітря, надходження тепла з води в атмосферу відбувається не рівномірно, а стрибками, так званими терміками. Термік, схожий на крихітний атомний гриб, піднімаючись вгору, забирає з собою теплову енергію. Розрахувати одиночний термік не так вже важко, але в природі все набагато складніше. Океанічна вода нагріта на величезній акваторії, сюди додаються вітер, хвилювання, завихреність. Процес виходить складний, і з океану висмоктується величезна маса тепла. Це знають всі мореплавці: пройшов ураган, за ним тягнеться довга і широка холодна дорога.

Є досить багато робіт по створенню в лабораторії атмосферних вихорів малої протяжності – піщаних смерчів, «запорошених дияволів». Але пилові вихори виникають над нагрітою поверхнею пустелі, процеси конденсації не грають в них ніякої ролі. Робіт з фізичного моделювання ураганів немає. «Винаходити велосипед» потрібно було самим.

Отже, більш-менш ясно було, з чого почати. Резервуар з теплою водою повинен являти собою нагріту до 27-28° акваторію, океан поблизу екватора, при погляді на який майже видно, як піднімаються з нього пари, збираючись в хмари. Як завихрити ці пари? Які сили в природі змушують змінити вертикальний рух на рух по дотичній?

Сил або навіть явищ таких кілька. І перш за все — це сила Коріоліса, або Коріолісове прискорення. Нешкідлива річ, відома всім зі школи. Швидкість на обертовій Землі залежить від широти місця. На полюсі вона дорівнює нулю, а біля екватора досягає вже значної величини — 463 метри в секунду. Це вона змушує всякий предмет, що переміщається з однієї широти на іншу, розганятися або гальмуватися, вона відхиляє всі маси повітря, що переміщаються від екватора до полюса. І повітря, що кинулося на заповнення депресії, рухається по дотичній до провалу, обертається навколо нього, залучаючи все нові і нові частинки. Так, в спрощеній схемі, йде справа в природі, і саме цей процес належало перенести на модель.

У першому урагані, змодельованому в лабораторії, завихреність створювала вертушка, що оберталася на метровій висоті над теплою водою. Вихор виходив. Видно було «око» урагану, навколо нього – щільна стіна з обертових крапель води. На цій моделі виміряли дотичну складову швидкості вітру, вологість, розподіл температури. Порівняли отримане з справжнім ураганом (є такі дані по якомусь статистично середньому урагану). Збігаються. Структура схожа: розподіл вологості такий ж, як в природі: стовідсоткове насичення в «стіні», в «оці» — падає. Температура, як і в справжньому урагані, зменшується від «ока» до периферії.

І все ж не те! Немає в природі таких граничних умов, як на цій моделі. Немає в природі тієї вертушки, яка закручує вихор. Адже вода внизу могла бути холодною, вихор все одно був би. Структуру отримали схожу, процес – ні.

Шукали довго, перерили купу літератури. І все ж знайшли. В одній американській роботі при створенні моделі торнадо вчений ставив по краях нагрітого залізного листа так звані тангенціальні вікна, як би вертикальні жалюзі.

Прибрали вертушку. По краю установки поставили пластини, повернені під деяким кутом. Підйомну силу створює нагріта вода, а тангенціальні вікна по краях моделі – сила Коріоліса! – дає завихреність. Пари закрутилися.

Але справа не тільки в силі Коріоліса. Вона закрутила вихор, дала йому початковий рух за годинниковою стрілкою в Південній півкулі, проти годинникової – в Північній. Але підтримують її набагато більш потужні термічні процеси. Дослідникам відомо, що урагани виникають тільки над добре прогрітою до 27-28° поверхнею океану. При виході на холодну воду вони гасяться. І ніколи не народжуються над сушею.

Океан, цей величезний резервуар сонячної енергії, зберігає її набагато довше, ніж атмосфера. Внутрішня енергія океану переходить в енергію водяної пари. Але, піднявшись вище, водяні пари починають конденсуватися, енергія знову вивільняється і перетворюється в кінетичну енергію урагану. Який механізм передачі цієї енергії – поки невідомо. Це ще одне із завдань: зрозуміти, як, висмоктуючи з півкілометрового шару води тепло, ураган перетворює його в енергію вітру? І якого вітру! Його швидкість не можуть виміряти сучасні прилади, так як жоден з них не витримує зустрічі з ураганом.

Зареєстровані швидкості до 644 кілометрів на годину. Китайці називають тайфун «кільцем залізних вітрів». Це вже не текуча, а тверда матерія, яка може наносити удари майже як снаряд. З коренем вириваються не тільки дерева, але навіть трава, летять дахи і самі будівлі, піднімаються в повітря і кидаються на берег кораблі. Це повітря неможливо ковтнути, їм не можна дихати. Люди кидаються на землю не тільки для того, щоб не бути віднесеними вітром, але і для того, щоб знайти в грунті повітря для дихання.

І тільки в самому центрі гігантського, шалено обертового циліндра зберігається спокій. Це – «око бурі». Тут низький тиск, слабкий вітерець і майже немає хмарності. Страшний, оманливий спокій на клаптику океану, оточеного кільцем стін циклону. І лише високі брижі і весь час падаючий барометр говорять морякам, що потрапили в «око» урагану, якою небезпекою вони оточені.

Заговоривши про небезпеки, якими загрожує людям ураган, не можна не сказати, що вітри — це ще не вся його зброя. Ураган супроводжують зливи, що не йдуть ні в яке порівняння з тим, що ми називаємо «проливним дощем». Під час навали на Кубу урагану «Флора», що несподівано змінив напрямок свого руху і на п’ять днів застряг над островом, в східній частині острова випало 1500 міліметрів опадів — річна норма для Куби.

Потоп прісної води вбиває прибережних риб, які звикли до солоної води. Але буває і навпаки. Ураган жене перед собою на берег нагіну хвилю величезної руйнівної сили, висота якої досягає 14 метрів. Починаються жахливі повені, переповнюються солоною водою річки і канали. І тоді вже гинуть прісноводні риби. За повенями слідують зсуви, провали, поля покриваються шаром мулу і уламків.

Ось що несе з собою ураган, цей згусток ізобар, повільно, немов равлик, що повзе по синоптичній карті. Адже сам ураган рухається не так вже й швидко: 15-20 кілометрів на годину, і слова «тайфун пронісся, промчав, налетів» — це не про весь ураган, а тільки про ту його частину, яка оточує «око бурі». На фотографіях із супутників це «око» виглядає чорною круглою плямою, оточеною білим кільцем суцільних важких дощових хмар. Від цього кільця розходяться спіралеподібні вихори, поступово розширюючись і зникаючи на чорному тлі води.

Той, хто знайомий з лабораторним моделюванням, знає, скільки праці потрібно покласти, перш ніж буде налагоджена модель. Все робиться своїми руками. Різні датчики, апаратура для запису і зйомок — все це існує, але все потрібно пристосувати для своїх цілей. Метушні з лабораторними дослідами завжди багато. Але і нагорода, коли модель «заробила», теж велика. Зараз «лабораторний ураган» діє. Настав період копіткого його вивчення.

Різний нахил вікон дозволяє змінювати «силу Коріоліса», тобто як би створювати урагани на різних відстанях від екватора. Можна міняти і температуру води, іншими словами, підйомну силу.

Починаючи з деякої температури води і певного кута повороту «тангенціальних вікон», в центрі установки відбувається концентрація гарячого вологого повітря і виникає чітко видимий вихор. За допомогою світлового променя були отримані фотографії розрізів «урагану» на різних висотах. З них видно, що центральна область вихору складається з щільного кільця пари і крапельок вологи. А в центрі – чітко видиме темне ядро. Структура отриманого в лабораторних умовах «урагану» якісно подібна структурі реальних ураганів: в центрі ядро зі зниженою вологістю — «око бурі», воно оточене щільним кільцевим хмарним районом — «стіна ока». У зовнішній області видно спіралеподібні хвости, які зараз вивчають всі, хто займається ураганами. З супутників, що фотографують реальні урагани, вони видні лише у верхніх шарах.

На моделі вдалося встановити деякі дуже важливі закономірності формування і руйнування прикордонного шару, але ж саме в ньому відбувається зародження вихору.

Дуже повільний розвиток прикордонного шару змінюється дуже швидким, «миттєвим» його руйнуванням. Якщо записати це будь-яким чином в графічному вигляді, то стане видно, що процес носить пилкоподібний характер. Такий же «вибуховий» механізм обміну теплом притаманний і атмосферним вихорам-ураганам.

Вдалося змоделювати і ще один тонкий ефект. Радіальна швидкість у вихорі в певні моменти змінює свій знак на зворотний. Те ж відбувається і в природному урагані. Це «мінливість» – свідок того, що в центрі вихору існує спадний потік повітря. Він теж уловлений приладами експериментаторів.

Отже, створена модель повітряного вихору, і, що особливо важливо, причини, що обумовлюють виникнення і розвиток цього лабораторного «урагану», мають ту ж фізичну природу, що і в реальних тропічних ураганах. Однак і сила Коріоліса, і підйомна сила, змодельовані в лабораторній установці, – це все-таки лише фон, на якому виникає ураган.

Повинен існувати ще якийсь поштовх, якась подія, що допомагає урагану здійснитися. Необхідно його знайти. Залишається неясним, як писав кліматолог С. П. Хромов, «головне питання — про спосіб, яким природа натискає на кнопку і приводить в дію весь цей механізм, про перший імпульс до виникнення потужного підйому повітря відразу і в короткий час над досить значною акваторією».

Вчені сподіваються отримати відповідь на це питання, змінюючи умови утворення лабораторного урагану. Повинен бути отриманий критерій, здатний показати, за яких умов ураган утворюється, при яких — ні.

Лабораторний ураган рухається над мікроокеаном. Належить з’ясувати, куди він буде рухатися, якщо буде дути такий чи інший вітер, якщо зміняться граничні умови. Адже щоб вміти змінювати шлях урагану, потрібно знати, що на цей шлях впливає. А як говорить у своїй книзі П. А. Молен, найголовніше правило тайфуну — не визнавати ніяких правил. Ось чому таке важке завдання передбачити шлях урагану. Він не хоче підкорятися статистичним прогнозам, уповільнює свій шлях тоді, коли синоптики пророкують йому ривок, і шалено кидається раптом туди, де його появи не очікують. Передбачити шлях тропічного циклону – нелегке завдання.

Але найголовніше – зрозуміти механізм передачі тепла, вловити його, дати йому математичну інтерпретацію. Зараз, коли вчені стали розуміти природу прикордонних шарів, це вже не здається неможливим. Коли буде розгаданий спосіб, за допомогою якого ураган набирає свою гігантську силу, тоді можна буде зрозуміти, і як її приборкати або навіть використовувати. Саме використовувати. Ця надзвичайно приваблива ідея вже існує десь в умах людства. Але для цього спочатку – вивчити!

Автор: Г. Шевельова, кандидат географічних наук.