Люди и звезды

АрхивКафедра Ваннаха

Сегодня, как показали недавние события на берегах Мексиканского залива, даже самая развитая страна планеты так же уязвима перед мощью стихий, как и города конкистадоров и буканьеров эпохи парусных кораблей.

В лондонской Национальной галерее висит портрет человека, обозначенного как "пират и гидрограф". Звали его Уильям Дампир (William Dampier, 1651–1715). Один из тех, кого в эпоху Великих географических открытий равно влекли нажива и знание. Наемник. Неудачливый торговец. Пират. Офицер Королевского флота. Первый человек, трижды обогнувший земной шар. Его именем названы архипелаг и пролив. За книгу "New Voyage round the world" (1697) Дампир был избран членом Королевского общества. Его кузеном называл себя сам Лемюэль Гулливер. Карты Дампира использовал Джонатан Свифт при описании Лилипутии и земли гуингмов. А политический оппонент Свифта Даниэль Дефо положил в основу "Робинзона Крузо" историю Александра Селькирка, снятого с необитаемого острова Дампиром в путешествии 1703 года. И именно Дампир впервые, на заре метеорологии, в "A Discourse of Tradewinds, Seasons, Tides, d. c. in the Torrid Zone" на основе одного из своих судовых журналов описал мощь тропических ураганов.

Сегодня, как показали недавние события на берегах Мексиканского залива, даже самая развитая страна планеты так же уязвима перед мощью стихий, как и города конкистадоров и буканьеров эпохи парусных кораблей.

Как же возникают тропические ураганы? Где они берут свою силу?

Сначала немного филологии и определений.

Слово ураган имеет два значения. По шкале Бофорта - это ветер в 12 баллов, со скоростью более 32,7 м/с, дующий, в отличие от шквала, длительное время.

А на берегах Мексиканского залива так называют тропические циклоны. Французское ouragan, через испанское huracan пришло из языка карибских индейцев, наблюдающих это явление веками. Если обычный циклон (от греческого kyklon - кружащийся) есть вращение атмосферных масс вокруг области низкого давления и имеет диаметр от 1000 до 3000 километров, то диаметр циклона тропического куда меньше - 300, редко 400 километров. В этих размерах наблюдается колоссальная концентрация энергии атмосферы. Именно концентрация! Ветры, порожденные тропическим циклоном, движутся со скоростью в среднем 60 м/с, часто достигая и рекордных значений в 120–150 м/с. В океане циклон гонит перед собой исполинскую волну. Попадая на мелководье, она становится все более крутой и высокой. Отсюда и гигантская разрушительная энергия ветра и волн, обрушивающихся на берег. Откуда же она берется?

Возникает тропический циклон над океаном. Для его зарождения нужна достаточно обширная масса воды с поверхностной температурой не ниже 26–27 градусов Цельсия. Нагретый у поверхности и насыщенный водяными парами воздух устремляется вверх, в холодные воздушные слои. Там происходит конденсация влаги. При этом рождаются облака и выделяется тепло, которое способствует увеличению мощности восходящих потоков воздуха и падению давления в месте их появления. В область низкого давления, атмосферной депрессии, устремляются все новые и новые массы влажного воздуха, несущие с собой тепло, накопленное океаном. Вот первое условие рождения урагана.

Вторым условием, позволяющим тропическому циклону накачать мускулы, является наличие у него своеобразных "стен". Их создает круговое движение притекающих к центру депрессии атмосферных масс, закручиваемых силой Кориолиса. Против часовой стрелки в северном полушарии, по часовой стрелке - в южном. Определенные этой силой особенности атмосферной циркуляции исключают рождение ураганов ниже 5 градусов северной и 8 градусов южной широты.

С вращением Земли связана и траектория движения тропических циклонов: с востока на запад, с последующим отклонением по параболе к более высоким широтам, и нередкими возвратными движениями к северо-востоку и юго-востоку в северном и южном полушариях соответственно.

О том, как рождается ураган, есть три теории: конвективная, фронтальная и восточной волны.

Согласно первой из них, ураган порождается конвективным воздушным потоком достаточной силы, возникающим при неустойчивой термической стратификации атмосферы. "Закручивание" тропического циклона происходит уже после.
По фронтальной теории возникновение урагана объясняется взаимодействием воздушных масс северного и южного полушарий на тропическом фронте в зоне встречи пассатов, где, вследствие интенсивного нагрева морской поверхности, наблюдается резкий перепад температур верхних и нижних слоев атмосферы, приводящий к неустойчивости воздушных масс.
Третья теория объясняет рождение ураганов прохождением длинной (до 2000 км) волны атмосферного давления, которая, перемещаясь с востока на запад, теряет устойчивость и превращается в вихрь.

Рискнем предположить, что правильны все три. Ураган - процесс хаотичный. Недаром же во всех трех теориях упоминается потеря устойчивости. Как и все самоподдерживающиеся процессы, вроде лесных пожаров, он очень чувствителен к начальным условиям. И траектории, по которым он будет шествовать, в зависимости от начальных условий - распределения полей температуры и давления, морфографии океана и суши, характера течений воздуха и океанских вод - будут подвержены очень сильной бифуркации. При которой могут возникать как указанные выше базовые сценарии, так и многие другие.

Но бесспорно следующее. Тропический циклон, ураган, - это процесс, порожденный энергией Солнца. Излучение нашего светила накапливается под щитом атмосферы в океанских массах. И далее в тропическом циклоне эта энергия концентрируется.

Температура воздуха в центре циклона часто вдвое превышает температуру окружающего, достаточно теплого воздуха, побивая при этом рекорды пустынь. Это получается за счет эффекта теплового насоса. Ну, вот обычный домашний кондиционер, работающий на отопление, на одну калорию электроэнергии производит три калории тепла. Закон сохранения энергии здесь, конечно же, не нарушается - кондиционер забирает тепло из окружающей среды. Так и тропический циклон отбирает энергию у вод океана. Только не в объеме, ограниченном трубками теплообменника, а внутри области, оконтуренной потоками ветра колоссальной силы.

Потому-то так и разрушительны тропические циклоны.

Звездная зола в горне Вулкана

Имя первой жертвы научной любознательности - Кай Плиний Секунд Старший. Римский администратор и военачальник. Ученый, энциклопедист, автор "Naturalis Historiae" ("Натуральной истории") в XXXVII книгах и еще 160 сочинений. Во время извержения Везувия 24 августа 79 года, погубившего Помпеи и Геркуланум, Плиний, командовавший Мизенским преторианским флотом, направил флагманскую либурну в черную тучу, окутавшую берег. "Тело его, - писал Тациту племянник ученого, Плиний Младший, - нашли в полной сохранности, одетым как он был; походил он скорее на спящего, чем на умершего".

И первая жертва научного тщеславия тоже связана с вулканом. Эмпедокл из Агрикента, основоположник эволюционного учения, так хотел, чтобы считали, что мудрость вознесла его на небо, что кинулся в кратер Этны. Но предательская лава вынесла на поверхность медные сандалии философа. История сия, однако, известна нам от научных оппонентов Эмпедокла…
Если в случае урагана мы, в конечном счете, имеем дело с энергией звезд, то землетрясения и вулканическая активность обязаны своим существованием звездной золе. Правда, золе "горячей", в смысле - радиоактивной. Пепел звезд первого поколения, возникших, когда Вселенная была молодой, успевших сгореть и взорваться, дав строительный материал нашей Солнечной системе, содержит медленно распадающиеся радиоактивные изотопы. В недрах Земли достаточно калия-40, тория-232, урана (изотопы U-235 и U-238), чтобы обеспечить наличие у нашей планеты жидкого ядра и вулканических извержений. Так что, наблюдая тектоническую и вулканическую активность, мы опосредованно сталкиваемся с энергией голубых и белых звезд, горевших миллиарды лет назад.

Ответ человека на вызов стихий

"Сделай себе ковчег из дерева гофер;
отделения сделай в ковчеге,
и осмоли его смолой внутри и снаружи."

Бытие 6, 14.

И ураганы, и землетрясения, и вулканы - все это проявления звездных сил. Потому-то так трудна проблема обуздания их мощи.
Обычно бывает два способа справиться с тем, что нас не устраивает, - силой и хитростью.

Ну, вот муха. Ее бьют мухобойкой, используя превосходство в мощности. Таким способом с ураганом не совладать. Человечество еще очень долго не будет располагать энергиями, необходимыми для противодействия стихии. Да и окажись они под рукой - неумолимые законы термодинамики вынудят пользоваться ими с огромной осторожностью, опасаясь перегрева планеты и новых, еще больших бедствий.

Вот бык. Тореадор направляет его бег легким взмахом мулеты. Мультипликация энергии колоссальная. Можно ли так поступить с ураганом?

В 60-е годы сильны были представления, что благодаря спутниковому наблюдению удастся, выявляя места рождения ураганов, давить их в зародыше путем бомбардировки сухим льдом или солями серебра (подобно тому, как разгоняют облака перед праздниками). Но площадь тропического циклона на порядки превосходит площади современных столиц. А слишком энергичное вмешательство в хаотические процессы хоть и долго еще будет за пределами человеческой мощи, может, осуществись оно на деле, породить куда большие проблемы.

Остается одно - изучение и предсказание. Предсказание долгосрочное, используемое при формировании технико-экономических обоснований развития инфраструктуры в местностях, подверженных ударам ураганов. В конце концов, не греем же мы воздух на улице, борясь с приходом зимы, а строим дома потеплее и покупаем теплую одежду.

120 м/с - скорость, конечно, приличная. Но ведь серийная авиация - российские СБ, американские DC-3 - достигла ее в середине 30-х годов прошлого века. Отказавшись от расчалок, стоек, гофрированных листов оболочки. Широко применяя фанеру и древесину - типовые строительные материалы ураганоопасных районов. И здания маяков с позапрошлого века умеют строить устойчивыми ко всем ураганам и ударам волн. А деревья вырываются с корнем уже при десятибалльном шторме, при скорости ветра 21–25 м/с!

Но и тут надо знать меру. Недавно обнародованный энтузиастами из ВПК проект ветроустойчивого дома на гидродомкратах, позволяющих, подобно куриным ногам, подняться над буйством стихий, скорее проходит по ведомству изобретательских курьезов - представьте себе, что будет хотя бы с инженерными коммуникациями…

А вот реальные предсказания. Долгосрочные - на какую скорость ветра и количество осадков рассчитывать дома, плотины и дренаж. Что выгоднее - строить крепость из дорогого бетона с гидроизоляцией или, получив от страховой компании деньги, заново воздвигнуть фанерный домик. Задача "трех поросят" - какой дом строить? - кажется элементарным случаем линейного программирования, но учитывая и неопределенность исходных данных, и то, что процессы в атмосфере могут не носить стационарного характера (то есть глобальное потепление, похоже, наступает), она приобретает весьма нетривиальный характер.

И предсказания оперативные - зарождение урагана, его мощь, движение, возможные последствия. Они определяют поведение людей при разгуле стихий. Ждать, запасшись едой и свечами. Бежать со всех ног… А поведение людей может порождать пробки на дорогах, отсутствие авиабилетов, панику… А предупреждения о пробках, ежедневно слышимые по "Авторадио", рождают желание избежать дорожного кошмара и понадеяться на удачу при встрече с малопонятной угрозой стихий. Все это, включая массовую психологию, тоже надо учитывать и при моделировании, и при принятии решений!

И в случае долгосрочных, и в случае оперативных прогнозов особенно велика роль ИТ-технологий. Датчики, собирающие информацию. Метеоспутники, океанские и воздушные метеозонды, метеостанции. Замер, первичная обработка, передача информации. Высокоскоростная и высоконадежная. Далее - типичные задачи моделирования. Но - хаотичных процессов. И - в случае оперативного прогноза - в реальном времени. С ценой ошибки, измеряемой миллиардными затратами и человеческими жизнями.

Но и наши организмы, и наша цивилизация - это открытые информационно-термодинамические системы. Они могут жить, лишь взаимодействуя с окружающей средой. И адекватная реакция на вызовы природы, пусть и порожденные звездными силами, - единственная мера разумности человека.  

- Из журнала "Компьютерра"