Проф. И.Н.РУСИН,
СПбГУ, г. Санкт-Петербург
inrusin@mail.ru

Немного о тайфунах

Проявления

Вихревое движение жидкостей и газов широко распространено в природе. Вихри на воде и в воздухе видел каждый. Однако даже полноценное определение этого движения трудно дать для неспециалиста, а неизученных особенностей в нём столько, что хватит ещё не одному поколению учёных. Метеорологи, занимаясь прогнозом погоды, постоянно имеют дело с гигантскими атмосферными вихрями.

Атмосферный вихрь – это атмосферное образование с вращательным движением около некоторого центра. Если к центру давление воздуха уменьшается, то такой вихрь называется циклоном. Циклоны умеренных широт являются главными виновниками нашей плохой погоды. Но самый грозный и опасный класс атмосферных вихрей – тропические циклоны. В разных регионах тропической зоны эти вихри называют по-разному. «Ареалы обитания», а также их местные названия показаны на рис. 1. Нашей стране угрожают только тайфуны – тропические циклоны Тихого океана, поэтому наши метеорологи часто все тропические циклоны называют тайфунами. В этой статье мы также будем придерживаться этой терминологии. Эффектнее всего тайфуны выглядят на спутниковых снимках.

Рис. 1. «Ареалы обитания» тропических циклонов и их местные названия

Ввиду того, что каждый отдельный тайфун потенциально очень опасен, метеорологи внимательно следят за ними с момента зарождения, обмениваясь полученной информацией. При таком обмене важно кратко и точно обозначить объект, поэтому ещё во время Великой Отечественной войны американские военные синоптики стали называть тайфуны короткими женскими именами в алфавитном порядке. Но тропических циклонов на Земле каждый год бывает более сотни, причём только около 60% из них именно тайфуны. Возникают они почти весь год – летом, осенью и зимой (в соотношении примерно 20 : 10 : 1), – поэтому возникли дополнительные требования к удобству хранения и каталогизации информации. Сейчас идентификация тропических циклонов каждого региона ведётся по строгим правилам с использованием стандартных списков имён, принятых Всемирной метеорологической организацией.

Все тропические циклоны и особенно тайфуны (обычно самые большие из них) страшны, если они выходят на населённое побережье. Обратимся к рис. 2, где схематично показано, как обычно движется тайфун в Северном полушарии. От места возникновения он перемещается на запад, постепенно отклоняясь к северу. Угол поворота бывает разным, поэтому тайфун может с примерно равной вероятностью либо пройти вдоль побережья и устремиться на северо-восток, чтобы в умеренных широтах превратиться в обычный циклон (рис. 2 а), либо выйти на побережье (рис. 2 б), и там, превратив всю свою мощь в разрушения, затухнуть, либо уйти в океан и постепенно исчезнуть там. Именно прогноз траектории тайфуна и представляет особую важность и сложность.

Рис. 2. Схема движения тайфуна в Северном полушарии

Ветер – это первый опасный фактор. На рис. 2, а короткими стрелочками показан ветер в движущемся тайфуне. Там, где они сгущаются, скорость ветра возрастает. Он так силён, что метеорологические приборы ломаются, и максимальные скорости ветра в большинстве случаев определены именно по характеру разрушений. Только в центральной части – «глазе» – ветер вдруг стихает. Но эта часть обычно очень мала по сравнению с диаметром самого тайфуна.

Волнение – это второй опасный фактор. На рис. 2, б показаны три зоны волнения океана в тайфуне. Поскольку энергия волн черпается из энергии ветра, то волнение затухает в зоне I, откуда тайфун уходит и где ветер ослабевает. Там направление перемещения циклона противоположно направлению ветра, вращающегося вокруг центра против часовой стрелки (в Северном полушарии). В зоне II, которая смещается вместе с тайфуном, ветер силён, а волны могут разгоняться, далеко опережая сам тайфун. Самые высокие и опасные волны в зоне III, где ветер наиболее силён из-за сложения скоростей вращательного и поступательного движений. Именно правая тыловая четверть тайфуна наиболее опасна для моряков.

Третий фактор угрозы тайфуна, помимо ветра и волн, – это ливневые дожди с грозой и градом. Вследствие того, что передняя часть перемещающегося циклона оказывается всегда теплее, чем тыловая, которую сам циклон и охлаждает, ливни, грозы и град сильнее всего именно там. Зона ливней для тайфуна, перемещающегося слева направо, схематически показана на рис. 2, г. Этот рисунок сам по себе интересен, т.к. построен японскими метеорологами по уникальным гидрометеорологическим наблюдениям, сделанным японскими военными моряками в 1935 г., когда одна из эскадр японского флота попала в тайфун и понесла большие потери в людях и кораблях. Более 20 лет эти материалы были военной тайной и ещё долгое время после оставались единственными массовыми наблюдениями за погодой внутри тайфуна.

Опираясь на сказанное, можно представить себе, что случается, когда тайфун выходит на побережье. Для большей наглядности нужно обратиться к рис. 2, в, на котором условно изображена зона затопления волнами. За несколько часов до прихода тайфуна к берегу добегают волны из зоны II, вызывая сгонно-нагонные изменения уровня воды, показанные штриховой линией.

Затем приходят мощные кучевые облака, и начинаются ливни с грозой и градом. Они продолжаются всё время, пока тайфун движется над районом. Передняя зона ливней уже уходит в глубь побережья и вызывает там паводковые волны в текущих к берегу океана реках. Но на смену ей на побережье приходят волны из зоны III, ещё более сильные грозы и ливни как из ведра, которые могут продолжаться, пока тропический циклон не уйдёт, т.е. несколько часов и даже суток. При этом дует очень сильный ветер. В это время по рекам, впадающим в океан в этом районе, проходят паводковые волны. Берег оказывается атакованным водой не только со стороны океана, но и со стороны рек. А если в это время наступает ещё и прилив, то возникают катастрофические наводнения.

Особенно ужасные события происходят, если выход тайфуна приходится на низкий равнинный берег. Такие географические условия характерны для Бангладеш, страны, на 90% представляющей собой болотистую равнину в дельте двух многоводных рек – Ганга и Брахмапутры. Перепады уровня воды в их низовьях только за счёт дождей доходят до 10–12 м. Тропический циклон 1970 г. погубил в Бангладеш более 300 000 человек.

Физика

Тайфун представляет собой самоорганизующуюся структуру в движущемся атмосферном потоке. Физика его очень сложна и далеко ещё не полностью изучена. «На пальцах» можно объяснить только самые основные особенности строения и образования этого вихря. Главное, чтобы в средней части тропосферы образовалась более тёплая, чем обычно, область. Этому особенно благоприятствует конвекция над огромными пятнами воды, имеющими температуру на 1–2 °С выше окружающей. Такие пятна иногда возникают и долго сохраняются в океане.

Поскольку в тёплом воздухе давление с высотой падает более медленно, чем в соседних районах, над тёплым ядром в верхней тропосфере образуется область повышенного давления, а под ним, у поверхности Земли (океана), давление оказывается пониженным. Под влиянием силы градиента давления в верхних слоях начинается отток воздуха от центра к периферии, а это приводит к потере массы воздуха в атмосферном столбе, и, в свою очередь, вызывает ещё большее понижение давления у поверхности под тёплой областью. Так у поверхности океана возникает сила барического градиента, направленная к центру области прогрева.

На вращающейся Земле силу барического градиента стремится уравновесить сила Кориолиса, и под действием этих сил около области пониженного давления возникает криволинейное движение воздуха по концентрическим траекториям, направленное (в Северном полушарии) против часовой стрелки. В таком движении возникает центробежная сила, возрастающая к центру. Баланс этих трёх сил возможен только на определённом расстоянии от центра. На этом расстоянии и формируется зона сильнейших круговых ветров. Более близкие к центру воздушные частицы отбрасываются центробежной силой к этой зоне изнутри. Более далёкие от центра, расположенные там, где центробежные силы меньше, чем сила градиента давления, подталкиваются к зоне сильных ветров.

Поскольку зона равновесия становится областью, куда стремится воздух с обеих сторон, втянутый туда поток начинает подниматься и охлаждаться. Водяной пар, содержащийся в притянутом воздухе, конденсируется и образует кольцо кучево-дождевой облачности и осадков вокруг центра тропического циклона. Так возникает стена облаков, окружающая глаз тайфуна. Скрытая теплота конденсации создаёт дополнительный нагрев, необходимый для дальнейшего понижения давления в нижних слоях тропосферы. В области центра, по краям которой воздух втягивается в стену, возникают компенсационные нисходящие токи, также способствующие дополнительному нагреву и дальнейшему падению давления. Давление по области глаза выравнивается, сила барического градиента уменьшается, и ветер стихает. Так формируется глаз тайфуна.

Воздух, втягиваемый в стену глаза от периферийной части тайфуна, собирает с поверхности океана испаряющуюся воду и приносит её к зонам подъёма, где она отдаёт тепло в процессе подъёма и конденсации. Так возникает почти неисчерпаемый источник энергии тайфуна. После конденсации воздух, поднявшийся в стене, оказывается высоко над центральными областями тайфуна, в области высокого давления. Оттуда он растекается по верхним слоям атмосферы, унося избыточное тепло.

Важнейшие стадии эволюции тайфуна – от начала до максимального развития – показаны на рис. 3: вертикальные разрезы облачности (слева), изобары приземного давления (в средней части) и изобары на высоте верхней части тайфуна (справа). Это очень упрощённое описание можно дополнить, используя многочисленные материалы, помещаемые в интернете, которые несложно найти на русском и особенно на английском языках.

Рис. 3. Развитие тайфуна, начиная от его зарождения (стадия I, верхний ряд рисунков) до максимума (стадия IV, нижний ряд): вертикальные разрезы облачности (левая колонка), изобары приземного давления (средняя колонка), изобары в верхней части циклона (правая колонка)

На уровне, доступном школьникам, трудно сделать хорошие количественные оценки параметров тайфунов. Как показал акад. Г.С.Голицын, даже определение запасов энергии в них требует высочайшей квалификации. Тем не менее некоторые интересные расчёты можно сделать, представив небольшой тайфун в виде вращающегося цилиндра радиусом основания R = 3 • 10⁵ м и высотой h = 12 км. Полезно отметить, что площадь основания такого цилиндра S₀ = 3 • 10¹¹ м², а боковой поверхности S_b = 3 • 10¹⁰ м², т.е. он напоминает блин. Эта форма характерна для всех крупномасштабных атмосферных вихрей.

Метеорологи обычно используют в качестве параметра не высоту, а давление (в гектопаскалях), связанное с высотой законом гидростатики р = gh. Произведение средней плотности слоя атмосферы на высоту h представляет собой массу m атмосферного столба площадью сечения 1 м². Давление на нижней границе тайфуна можно принять равным р₀ = 1000 гПа, а на верхней р_h = 200 гПа (это соответствует высоте 12 км). Тогда масса единичного столба в тайфуне вычисляется по формуле m = (р₀ – р_h)/g и равна примерно 8 • 10³ кг/м² (не забывайте переводить давление в паскали и округлять результаты до целых единиц!). Теперь можно вычислить массу тайфуна M = S₀• m 2 • 10¹⁵ кг.

Зная массу, можно вычислить момент инерции тайфуна I по отношению к вертикальной оси симметрии. Для цилиндра I = MR²/2 10²⁵ кг • м². По результатам наблюдений за радиусами областей с заданным значением скорости ветра в тайфуне можно оценить угловую скорость вращения воздуха = /R 5 • 10^–4 c^–1. Это примерно на порядок больше, чем значение вертикальной составляющей вектора угловой скорости вращения Земли в этих широтах 4 • 10^–5 c^–1. Таким образом, момент количества движения тайфуна I 5 • 10²¹ кг • м²/c.

Теперь можно оценить кинетическую энергию тайфуна E. Используя формулу для тела вращения, получим E = I²/2 10¹⁸ Дж 10¹² кВт • ч. Для сравнения полезно привести прогнозируемое значение энергопотребления всего мира в 2025 г.: 25 • 10¹² кВт • ч.

Если принять полученную акад. Г.С.Голицыным оценку характерного времени восстановления запаса кинетической энергии в тайфуне (1 сутки, или 10⁵ с), то мощность тайфуна можно принять равной 10¹³ Вт. (Для сравнения: мощность одного агрегата Ленинградской АЭС равна 10⁹ Вт.)

Можно оценить и источники энергии тайфуна – потоки явного и скрытого тепла от поверхности океана Q_s и через боковую поверхность Q_b. Первый источник оценим по охлаждению за сутки (T = 2 °C) верхнего слоя океана толщиной h_s = 50 м. Учитывая теплоёмкость C_в = 4 • 10³ Дж • кг/град и плотность воды _в = 10³ кг/м³, получим Q_s = _вC_вh_sT 4 • 10⁸ Дж/м² за сутки. Это значит, что у основания выбранный тайфун имеет источник питания мощностью 4000 Вт/м², т.е. получает за сутки примерно 10²⁰ Вт. Это больше, чем поступает на ту же площадь от Солнца.

Второй источник энергии тайфуна оценим, считая, что через боковую поверхность S_b с радиальной скоростью _r = sin 12 м/с ( = 50 м/с – скорость ветра, 15° – примерный угол втекания) поступает масса водяного пара. Пусть q – средняя плотность водяного пара в воздухе тайфуна, примерно равная 6 • 10^–3 кг/м³. Тогда поток массы приблизительно равен E_b = S_bq_r 10⁹ кг/с. Если этот пар сконденсируется, а дождь равномерно распределится по основанию цилиндра, то скорость выпадения дождя составит E_b/(S_0в) 20 мм/ч (1 мм слоя осадков – это 1 кг воды). Это сильный ливень. При конденсации пара выработается мощность LE_b 10¹⁵ Вт (L – скрытая теплота конденсации водяного пара), а за сутки тайфун получит энергию Q_b = 10²⁰ Дж, т.е. примерно столько же, сколько и от поверхности, несмотря на то, что площадь основания значительно больше боковой поверхности. Это потому, что скорость испарения во много раз меньше скорости горизонтального переноса пара в воздухе. Если сравнить поступающую энергию с кинетической, то можно видеть, что КПД тайфуна как тепловой машины низок. Это также характерно для других атмосферных систем, в которых большие потоки энергии рассеяны, а механическая работа по сравнению c ними очень мала.

Можно ли управлять тайфуном? Люди постоянно стремятся направленно воздействовать на опасные явления природы и, в частности, на тропические циклоны. Например, предлагали подрывать их водородными бомбами. Но, даже не говоря об экологической недопустимости, подобные действия в конечном счёте могут быть абсолютно бессмысленными ввиду огромных энергетических запасов тропических циклонов.

Гораздо более интересными являются проекты тонких воздействий. К ним относятся рассеивание облаков, покрытие поверхности океана специальной тонкой биологически разлагающейся плёнкой для сокращения испарения, охлаждение поверхности океана айсбергами. Наконец, существуют проекты облучения эпицентра урагана микроволнами из космоса или рассеивания реагентов в ионосфере ракетами.

Однако, прежде чем приступить к управлению ураганами, необходимо научиться точно прогнозировать их маршрут и определять физические параметры, влияющие на поведение атмосферных вихрей. Пока мы ещё в самом начале пути, но успехи компьютерного моделирования реакции тайфунов на мельчайшие изменения их первоначального состояния оказались весьма обнадёживающими.

Так, Росс Хоффман с коллегами (фирма «Исследования атмосферы и окружающей среды», США) провёл компьютерное моделирование разрушительных ураганов, неистовствовавших в 1992 г. Когда один из них, «Иники», прошёл прямо над гавайским островом Кауаи, погибли несколько человек, был нанесён огромный материальный ущерб, и целые лесные массивы сровнялись с землёй.

Если учесть несовершенство существующих методов прогнозирования, первый эксперимент моделирования имел неожиданный успех. Чтобы изменить путь «Иники», учёные выбрали место, в котором должен был оказаться тайфун через определённое время. Затем составили изменённые данные возможных наблюдений в этом месте (в 100 км западнее острова) и загрузили эту информацию в компьютерную модель. Программа должна была рассчитать мельчайшие изменения основных параметров первоначального состояния урагана, которые модифицировали бы его маршрут нужным образом.

Оказалось, что самые значительные преобразования коснулись первоначальных значений температуры и ветра. Типичные изменения температуры по всей сети координат составили десятые доли градуса, но самые заметные (повышение на 2 °С) оказались в нижнем слое к западу от центра циклона. Согласно расчётам, изменения скорости ветра составили 3,2–4,8 км/ч. В некоторых местах скорость ветра изменилась на 32 км/ч в результате незначительной переориентации направления ветра вблизи центра тайфуна.

Хотя обе компьютерные версии урагана «Иники», первоначальная и с внесёнными возмущениями, казались идентичными по структуре, небольших изменений ключевых переменных было достаточно, чтобы виртуальный ураган развернулся за 6 ч на запад, а потом двинулся прямо на север, оставив остров Кауаи нетронутым. Относительно малые искусственные преобразования начальной стадии тайфуна были обсчитаны с помощью системы нелинейных уравнений, описывающих его деятельность, – через 6 ч ураган «пришёл» в назначенное место.

О тропических циклонах написано очень много. Существует несколько очень хороших научно-популярных книг; есть учебные, демонстрационные сайты в интернете. Желающие могут найти множество сведений, не упомянутых здесь.

Игорь Николаевич Русин – выпускник Ленинградского гидрометеорологического института 1968 г. (диплом с отличием). Занимался вопросами моделирования климата в проблемной лаборатории взаимодействия океана и атмосферы ЛГМИ. В 1974 г. защитил диссертацию на звание к.ф.-м.н. Вёл научно-исследовательскую работу по оценке последствий переброски вод северных рек на юг, читал курсы лекций «Современные методы метеорологических прогнозов», разработал курс   «Гидродинамические методы динамических прогнозов». Автор шести учебников и монографий, а также программ, использовавшихся для решения задач прогноза погоды. В 2000 г. защитил диссертацию на соискание степени доктора географических наук. С 2002 г. – профессор по кафедре климатологии и мониторинга окружающей среды СПбГУ, читает курсы «Метеорология и   климатология», «Динамическая метеорология», «Стихийные бедствия и природные катастрофы». Ученое звание – профессор по кафедре климатологии и мониторинга окружающей среды. Ведёт активную научную работу в областях динамической метеорологии и климатологии, связанных с исследованием горных районов и опасных явлений природы. В семье профессора три дочери и четыре внука. Хобби – на фото.