Реферат: Мирзабекянц Григорий Суренович, учитель физики

НОУ СОШ «Образовательный центр ОАО «Газпром»


Арсений Вячеславович Умановский


Изучение возможности изменения и выбор методов корректировки естественных циркуляций воздушных масс в атмосфере Земли с целью гармонизации климата на планете


Научный руководитель:

Мирзабекянц Григорий Суренович, учитель физики.

Консультанты:

Ежова Светлана Ивановна, редактор школьного журнала «Факел»

Губанова Анна Александровна, заместитель директора по научно-экспериментальной работе


Москва, 2005

Аннотация

Антропогенное воздействие человека, вызывающее глобальные изменения климата на планете достигло критического уровня. Одно из наиболее значимых воздействий на биосферу и ее подсистемы, связанных с антропогенной активностью, - глобальное потепление, проявляющееся в изменении климата и биоты. В то же время, по последним результатам моделирования климата Земли (NCAR, Боулдер, штат Колорадо) ос­новной причиной пермо-триасовой биокатас­трофы, повлекшей за собой массовое вымирание земной биоты, было резкое повышение средней тем­пературы на нашей планете.

В проекте изучаются возможности изменения темпов глобального потепления, прежде всего, в целях предотвращения образования разрушительных тропических ураганов. Предлагаемый метод может быть применим и для снижения некомфортно высокой температуры воздуха в летнее время в крупнейших мегаполисах, аномально высоких температур в отдельных странах, которые уже несколько лет подряд приводят к возникновению пожаров, засух. Кроме того, этот метод может задержать катастрофическое потепление в арктической тундре, гибель тропической биоты, которая не выдерживает даже минимальных температурных колебаний.

Проект предполагает изучение антропогенного воздействия человека на климат, принципов климатообразования планеты, выработка собственной концепции гармонизации климата, в том числе предложений по организации эксперимента в космосе.

Основная гипотеза проекта: частичное солнечное затемнение участков океана, где наиболее часто зарождаются тропические штормы и ураганы в период с июня по ноябрь позволит снизить температуру поверхностных вод ниже критической (26°С), что в свою очередь вызовет снижение количества и силы разрушительных тропических ураганов.

Работа состоит из введения, основной части, заключения и приложений. При подготовке работы было изучено 47 информационных источников.


оГЛАВЛЕНИЕ:

^ Введение (к постановке проблемы) 4

Изменения климата 4

Глобальное потепление 7

Моделирование изменения климата 9

Глобальное затемнение 12

Влияние солнечной активности на атмосферу и гидросферу 13

^ Возникновение ураганов 16

Условия, определяющие зарождение и развитие ураганов 18

Изучение возможности корректировки естественных циркуляций воздушных масс в атмосфере Земли 23

Выводы и практические рекомендации 25

Заключение 27

Библиография 28

Приложения 30

Приложение 1. Загрязнение атмосферы и его последствия 30

Приложение 2. Наводнения и их последствия 33

Приложение 3. HAARP (High frequency Active Auroral Research Program — Активная высокочастотная программа исследований северного сияния) 34
^ Введение (к постановке проблемы)
Антропогенное воздействие человека, вызывающее глобальные изменения климата на планете достигло критического уровня, требующего немедленного принятия адекватных мер. Гибель угрожает не только самой цивилизации и виду Homo sapiens, но и биосфере в целом. По мнению академика Э.М. Галимова, «мы входим в точку бифуркации биосферы как целостной системы… Подобно тому, как организм достигает предельного биологического возраста, жизнь на Земле в своем развитии, возможно, достигла предельного возраста». В биологическом плане человек достиг высшей точки собственного эволюционного тренда. С точки зрения синергетической парадигма любая остановка эволюционного процесса самоорганизующейся системы опасна для ее устойчивого существования.

По мнению академика Л.В. Лескова с точки зрения экологического императива человек всего лишь паразит, потребляющий энергию и вещество. Его максимальная активность не совпадает с его оптимальной адаптацией к условиям окружающей среды. Если в процессе эволюции вид, паразитирующий на среде своего обитания, не сумеет адаптироваться к ней, то его неизбежно ждет гибель, возможно вместе с этой средой.

Данный проект предполагает изучение антропогенного воздействия человека на климат, принципов климатообразования планеты, выработку собственной концепции гармонизации климата, в том числе предложений по организации эксперимента в космосе.
^ Изменения климата
Климат Земли определяется элементами окружающей среды глобального или климатического масштаба: океаном, атмосферой, сушей, солнечным излучением, снежноледниковым покровом, климат, в свою очередь, тоже влияет на эти элементы.

Современные математические модели изменения климата показывают, что потепление в первой половине XX века было вызвано обычными природными причинами. Однако сегодняшний дрейф средних сезонных температур невозможно объяснить, не включив в список причин потепления антропогенный фактор. Растущие мегаполисы представляют собой в буквальном смысле слова горячие точки планеты. В мегаполисах зеленые насаждения отступают под натиском асфальта и зданий, которые днем нагреваются, а ночью отдают тепло. Из-за этого образуются грозовые фронты.

В связи с изменениями циркуляции атмосферы увеличивается вероятность мощных циклонов с сильными перепадами давления. Количество метеочувствительных людей все время растет с 30-х годов прошлого века, оно увеличилось почти вдвое, причины до конца не ясны. Ученые уверены: доставить ощутимые неприятности человеку могут не любые изменения погоды, а лишь те, при которых происходит резкая или необычная смена нескольких параметров (давление, температуры, влажности и пр.)

В метеорологии есть понятие естественного синоптического периода. Это время, когда меняется знак барического поля. Циклон сменяется антициклоном или наоборот. Для человека такая смена атмосферного давления всегда является стрессом, но раньше этот период по времени занимал 5-6 дней, а сейчас изменения происходят за 3-4 дня. Таким образом, люди в настоящее время почти в два раза чаще испытывают "погодные перегрузки". Растет число дней, когда в воздухе содержание кислорода понижено (не только в жару, но например, перед снегопадом). Если в прошлые десятилетия доля таких дней составляла всего 11%, то в последнее время - 33%.

Климатические тенденции, наблюдавшиеся в первой половине ХХ века, приобрели новое направление, особенно в районах Атлантики, граничащих с Арктикой. Здесь стало увеличиваться количество льда. В последние годы наблюдались и катастрофические засухи (60 млн. человек пострадало в 2000 году в странах Центральной и Южной Азии – Афганистан, Таджикистан, Пакистан, Иран; более 16 млн. человек пострадало в Эритрее, Эфиопии и других государствах Северной и Восточной Африки). Неясно, в какой мере связаны между собой эти явления. Во всяком случае, они говорят о том, как сильно могут изменяться погода и климат на протяжении месяцев, лет и десятилетий. По сравнению с прежними веками уязвимость человечества к таким колебаниям возросла, так как ресурсы пищи и воды ограниченны, а население мира все растет, развивается и индустриализация.

Изменяя свойства земной поверхности и состав атмосферы, выделяя в атмосферу и гидросферу тепло, человек все больше влияет на климат. Вмешательство человека в природные процессы достигло такого размаха, что, например, быстрое сведение лесов, особенно тропических, оказывается чрезвычайно опасным не только для тех районов, где оно проводится, но и для климата Земли.

Промышленные предприятия, сбрасывающие тепловые отходы в воздух или водоемы, выбрасывающие в атмосферу жидкие, газообразные или твердые (пылевые) загрязнения, могут изменять местный климат. Сказывается на климате и сплошная застройка, ослабляющая или прекращающая циркуляцию воздуха, и отток местных скоплений холодного воздуха. Если загрязнения воздуха будут продолжать расти, они начнут сказываться и на глобальном климате (см. Приложение 1).

Принимаемые человеком меры по изменению облика земной поверхности в зависимости от их масштабов и от того, в какой климатической зоне они проводятся, не только приводят к местным или региональным изменениям, но и затрагивают климат целых материков. К таким изменениям относятся, например, изменения землепользования, уничтожение или, наоборот, насаждение лесов, обводнение или осушение, распашка целины, создание новых водоемов - все то, что изменяет тепловой баланс, водное хозяйство и распределение ветров на обширных пространствах. Воздействие человека на поверхность земли началась не сегодня. За последние сто лет площадь культивированных земель утроилась. Уменьшение лесных площадей меняет в корне биохимический, водяной и энергетический циклы, приводит к осушению атмосферы. Важно не только то, что в результате вырубки и выжигания лесов увеличивается отражательная способность поверхности. Важно и другое: при этом параметр шероховатости поверхности уменьшается с 14,9 до 3 см. В результате поверхностное торможение уменьшится, угол отклонения ветра от изобар уменьшится. Значит, изменится и атмосферное давление, изменятся вертикальные потоки и, в конце концов, изменится циркуляция атмосферы в целом.

Гидросфера, прежде всего Мировой океан, влияют на формирование климата. Тепло, масса и энергия движения предаются от атмосферы водам Мирового океана, и наоборот. Они соприкасаются друг с другом на 2/3 поверхности Земли. Оборот воды образуется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется значительное количество воды. Поверхностные течения в океане формируются атмосферными ветрами, которые переносят большое количество тепла. Океан является гигантским аккумулятором тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того чтобы повысить температуру атмосферного газа на 1 градус Цельсия, океанической воде надо отдать то же количество тепловой энергии, в результате которого температура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса.
^ Глобальное потепление
Одно из наиболее значимых воздействий на биосферу и ее подсистемы, связанных с антропогенной активностью, - глобальное потепление. Оно проявляется в изменении климата и биоты: продукционного процесса в экосистемах, сдвиге границ растительных формаций, изменении урожайности сельскохозяйственных культур. Особое значение эти воздействия имеют для высоких и средних широт Северного полушария. Эти регионы оказываются одними из главных источников и одновременно объектов подобных воздействий. Здесь глобальное потепление проявится особенно сильно: по расчетам, температура атмосферы наиболее значительно повысится именно в высоких и средних широтах. Кроме того, природа высоких широт особенно восприимчива к различным воздействиям и крайне медленно восстанавливается. С другой стороны, процессы в Арктике могут оказать заметное влияние на глобальные изменения. Это, например, динамика и оптические свойства снега и льда, участие вечной мерзлоты в биогеохимических циклах и пр. Оценка роли Арктики в формировании глобальных изменений должна учитывать взаимодействия следующих факторов: биота и глобальный цикл диоксида углерода, гидрологический режим, вечная мерзлота, снежный покров и ледники, прибрежные процессы, циркуляция океана и структура донных вод, динамика, тепловой баланс и состав атмосферы, солнечные и геомагнитные воздействия. В связи с этим, особое значение приобретает математическое моделирование климата и крупномасштабных процессов в экосистемах высоких и средних широт Северного полушария.

Экологи предполагают, что последствия глобального потепления будут самыми тяжелыми в высоких широтах, где таяние ледников уже вызывает тревогу. Так, исследователи из Американского геофизического союза утверждают, что повышение среднегодовой температуры в арктическом регионе способствует бурному росту растительности, которая, в свою очередь, еще больше влияет на потепление климата. Темные листья и стебли арктических кустарников притягивают больше солнечных лучей, поэтому в тех районах тундры, где изобилует кустарник, снег начинает таять на несколько недель раньше, чем в остальных.

Между тем ученые из Университета Вашингтона пришли к выводу, что над тропиками нависла еще более серьезная опасность Согласно представленным 19 августа 2005 года результатам их работы, живые организмы тропиков практически не переносят даже минимальных температурных колебаний. Ведь в отличие от обитателей, скажем Аляски, они никогда не испытывали сезонного колебания температур и не привыкли к смене температурных режимов.

Кроме того, по исследованиям Джеффри Дьюкса (Jeffrey Dukes), биолога из Университета Массачусета, следует, что ранее ученые ошибались в оценке способности некоторых экосистем поглощать углерод. В ходе эксперимента луга в Калифорнии подвергались воздействию избыточного количества СО2 и прочих, связанных с глобальным потеплением факторов. Оказалось, что избыток углекислого газа луга практически не усваивают.
^ Моделирование изменения климата
В последние десятилетия созданы различные модели, с помощью которых можно оценить влияние на климат изменений состава атмосферы, это способствовало пониманию механизмов предстоящих изменений климата. Для расчетов в таких моделях необходимо вычислять перенос солнечного и теплового (длинноволнового) излучения в атмосфере при различных соотношениях ее компонентов. Наряду с этим требуется описать обмен энергией между радиационно-активной турбулентной атмосферой и неоднородными поверхностями суши, океана и криосферы. Система взаимодействующих элементов очень сложна, и до сих пор не существует моделей, которые могли бы полностью учесть всю совокупность естественных процессов переноса в атмосфере и у поверхности Земли. Самыми сложными оказываются климатические модели, учитывающие общую циркуляцию атмосферы и океана. Кроме того, нужны модели, отражающие эволюцию морского льда и различные процессы на суше (образование и изменение снежного покрова, содержание влаги в почве и ее испарение растительностью).

Модель климата, разработанная в Вычислительном центре РАН, включает блок, описывающий процессы в атмосфере с пространственным разрешением 4 х 5°, и океанский блок, представляющий собой интегральную модель деятельного слоя океана с заданным распределением течений. Moдель удовлетворительно описывает основные сезонные и географические характеристики глобального климата.

В этой модели рассчитаны, в частности, распределения по высоте изменений температуры воздуха у поверхности Земли при удвоении содержания СО2 в атмосфере. Максимальное потепление составит 4°С, сильнее скажется над материками, а наиболее сильно проявится зимой в Азии. Это связано с неизбежным сдвигом границы снежного покрова к северу. Изменение количества осадков имеет "пятнистую" структуру. Увеличение количества осадков обусловлено более интенсивным испарением с поверхности океана и последующим выпадением на суше. Однако существуют области, где осадков станет меньше.

Качество таких прогнозов будет неуклонно повышаться, появятся более подробные модели, компьютеры будут мощнее. Спутники нового поколения помогут заполнить лакуны, которые сегодня искажают прогнозы. Планируется, что в декабре 2005 года заработает совместная американско-тайваньская система Formosat-3/cosmic, которая будет зондировать атмосферу с помощью радиосигналов спутников Глобальной системы позиционирования (GPS). Шесть орбитальных спутников будут принимать сигналы, прошедшие сквозь атмосферу и вернувшиеся в космос. Анализируя воздействие температуры и влажности воздуха на скорость прохождения через него радиоволн, система будет создавать глобальную карту этих свойств атмосферы.

Другие спутники будут зондировать атмосферу с помощью лидаров. Они действуют по тому же принципу, что и радары, но только вместо радиоволн используют лучи лазера. Анализируя отражение лучей от молекул воздуха и пылинок, лидар определяет скорость ветра. Оборудованный лидаром спутник сможет следить за ветрами, дующими над океанами, где наблюдения ведутся фрагментарно, но именно там зарождаются ураганы и циклоны.

Американские ученые из национального центра исследований атмосферы (NCAR, Боулдер, штат Колорадо) представили новейшие результаты моделирования климата Земли на границе между пермским и триасовым периодами. Именно тогда, примерно 250 млн. лет назад, прои­зошло крупнейшее массовое исчез­новение биоорганизмов в истории Земли.

В результате этого мегакризиса, по современным оценкам, Земля по­теряла почти 95% морской и около 70% сухопутной фауны и флоры. Проведенные Джеффри Килем и его коллегами расчеты стали очередным весомым аргументом в пользу попу­лярной гипотезы об эндогенном ха­рактере пермо-триасовой биокатас­трофы. Согласно этой гипотезе, ос­новной причиной, повлекшей за собой массовое вымирание земной биоты, было резкое повышение средней тем­пературы на нашей планете, а вовсе не падение инородных небесных тел (астероидов, комет и т. п.). В свою очередь, это быстрое глобальное потепление, по всей видимости, произошло благода­ря выбросу в земную атмосферу боль­шого количества парниковых газов, прежде всего сернистого ангидрита (SO2) и углекислоты (СО2). Источни­ком этих газов были внезапно прос­нувшиеся вулканы, в первую очередь мощная вулканическая группировка в районе нынешней Центральной Сиби­ри, проявлявшая повышенную актив­ность на протяжении нескольких сотен тысяч лет подряд.

Подробный анализ проделанной группой Киля работы опубликован в выпуске специализи­рованного журнале Geology (сентябрь 2005 г.). По сло­вам авторов исследования, «полу­ченные результаты подтвер­ждают жесткую причинно-следствен­ную зависимость между подъемом температуры земной атмосферы и резким изменением циркуляции оке­анических потоков, повлекшим за собой быстрый уход кислорода из верх­них слоев воды в нижние и вымира­ние подавляющего большинства мор­ских обитателей».

Для оценки предположительных последствий совокупного воздей­ствия резких изменений температу­ры и всплеска вулканической актив­ности 250 млн. лет назад на климат и биоту Земли американскими учены­ми была впервые использована Ин­тегрированная модель климатичес­кой системы (CCSM), специализиро­ванный инструмент комплексного анализа атмосферных и океаничес­ких процессов.

Моделирование показало, что в исследуемый период средняя темпе­ратура высоких широт на 10-30° С превышала нынешние величины. В быстро прогревшемся до глубины 4 км океане была полностью наруше­на нормальная циркуляция водных по­токов — холодные слои перестали опускаться на дно и доставлять глубо­ководной биоте кислород и прочие питательные вещества.

Этот сбой, в свою очередь, привел к еще большему повышению темпера­туры Земли, поскольку морские организмы практически прекратили поглощать углекислоту из атмосферы. Прогрессирующий рост содержания СО2 в земной атмосфере, по заключению авторов статьи в журнале Geology, оказался более чем достаточной причиной для быстрой гибели морской жизни, а чрезмерно высокая температура земной поверхности повлекла за собой масштабное вымирание обитателей суши.
^ Глобальное затемнение
Явление, названное глобальным затемнением, может защитить население Земли от глобального потепления. Так считают американские, канадские и австралийские геофизики. О глобальном затемнении научному сообществу известно с конца 1950-х: из-за возрастающего количества различных частиц в атмосфере и облаков до нашей планеты доходит все меньше солнечного света и радиации. Согласно расчетам ученых, доходящее до нас солнечное излучение каждое десятилетие сокращается на 2-4%. Однако предыдущие исследования были ограничены северным полушарием, поэтому некоторые ученые засомневались в глобальности эффекта и его существовании вообще. Теперь сторонники теории имеют доказательства, которые должны убедить скептиков: затемнение зафиксировано к югу от экватора. Европейские климатологи во главе с Питером Коксом считают, что поступление в атмосферу диоксида серы, отражающего солнечный свет, почти уравновешивает парниковый эффект. Майкл Родерик из Австралийского Национального университета солидарен с европейскими учеными и предполагает, что глобальное затемнение позволяет атмосфере самой себя регулировать. В результате сжигания ископаемого топлива не только увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, но и происходит насыщение воздуха крошечными частицами.
В то же время, более высокие температуры увеличивают количество облаков. Облака и частицы помогают блокировать солнечные лучи и рассеивают свет, что фактически повышает потребление растениями углекислого газа. Все это создает устойчивый баланс и защищает планету от глобального потепления. Об этом сообщает MEMBRANA.Ru со ссылкой на Nature.
^ Влияние солнечной активности на атмосферу и гидросферу
Если в одном месте воздух будет нагрет больше, чем в другом, то его давление также изменится соответствующим образом: где больше температура газа, там больше и его давление. Давление – это сила. Она толкает массы воздуха в те места, где давление меньше. В результате происходит такое движение газа, которое стремится выровнять образовавшийся дисбаланс.

Экваториальная часть атмосферы сильно нагрета солнечным излучением. Приполюсные области нагреты значительно меньше. Поэтому между полюсами и экватором развивается циркуляция воздуха, которая стремится выровнять распределение температуры в глобальном масштабе. Но при движении воздух меняет свои качества. Так, приземный воздух в экваториальном поясе не только теплый, но и более влажный. Будучи горячим, он поднимается вверх и движется в направлении полюсов. Но, поднявшись, он теряет влагу (сбрасывает ее в виде осадков). Превратившись в «сухой» воздух, он движется в направлении полюсов, но, не доходя до них, пройдя примерно треть своего пути. Он опускается и создает здесь зону повышенного атмосферного давления. Естественно, что такая зона имеется в каждом полушарии. От зоны повышенного давления воздух должен устремляться в места, где давление меньше, то есть к экватору и полюсу.

Поэтому воздух от зон на широтах +30 движется к экватору и к полюсу, в этих зонах сухого горячего воздуха, где атмосферное давление всегда повышено, находятся практически почти все большие пустыни мира. Воздух, движущийся обратно к экватору, есть не что иное, как ветры – пассаты. За счет того, что Земля вращается вокруг своей оси, на движущиеся массы воздуха действует сила Кориолиса. Она заставляет движущийся к экватору воздух смещать направление своего движения к западу, а ветры, направленные к полюсу, смещают свое направление к востоку, то есть становятся юго-западными. В южном полушарии направления ветров симметричны относительно направлений в северном полушарии.

Вокруг каждого полюса имеется область тяжелого холодного воздуха. Форма и размеры этой области зависят и от подстилающей поверхности. Этот холодный воздух постоянно атакуется теплым сухим воздухом, который идет с юго-запада. Между ними образуется граница, которая как будто гофрирована. Образуется своего рода «юбка», которая быстро вращается вокруг полюсов. Дело в том, что ветер зависит от подстилающей поверхности и от формы суши. Цепи гор мешают движению воздуха. Поэтому он подходит к приполярной холодной области не одинаково со всех направлений, а струями, волнами, тем интенсивнее, чем больше перепад температуры между экватором и полюсами.

Приполюсные вихри холодного воздуха оказывают большое влияние на атмосферную циркуляцию, то есть на формирование погоды в разных местах. Воздух движется не только в приземном слое, но и на высотах всей тропосферы. Образуются ячейки, в которых вверху воздух движется в направлении, которое противоположно тому, куда движется воздух внизу, земли. Но и в горизонтальной плоскости движение воздуха является вихревым. Движущийся воздух представляет собой большие вихри, размеры которых примерно 1000 км. В одних из вихрей, которые называются циклонами1, воздух закручивается в том же направлении, в каком вращается Земля.

Таким образом, атмосферная циркуляция определяется неравномерным нагревом атмосферы, вращения Земли, подстилающей поверхностью и наличием гор, циклонической деятельностью. На атмосферную циркуляцию существенное влияние оказывают солнечная активность и другие космические факторы. Зная причину этих изменений, можно прогнозировать их развитие на ближнее и отдаленное будущее. Значение таких достоверных прогнозов для жизни человека очевидно. Исследования связи атмосферной циркуляции с солнечной активностью были выполнены под руководством Э. Р. Мустеля. Использовались данные многих метеорологических станций. Главным параметром, определяющим характер атмосферной циркуляции, является давление. Именно перепады в давлении заставляют воздух двигаться туда, где давление меньше. Для исследований были выбраны конкретные периоды, когда Землю с ее магнитосферой окутал поток заряженных солнечных частиц. Магнитосфера Земли под давлением потока заряженных частиц возмущается, происходит магнитная буря. Одним из признаков бури в магнитосфере является возмущение магнитного поля Земли. Именно по степени возмущенности магнитного поля и отбирались периоды, за которые анализировалось изменение атмосферного давления. Поскольку во время магнитосферных бурь часть энергии заряженных частиц передается в атмосферу, то можно ожидать, что вызванные выносом этой энергии процессы изменят распределение атмосферного давления.

Анализ проводился дифференцированно, то есть раздельно для разных сезонов и разных метеостанций. Было показано, что спустя некоторое время после начала магнитной бури атмосферное давление действительно меняется: в одних регионах увеличивается, в других – уменьшается. Величина (амплитуда) колебания давления, которое можно уверенно связать с магнитной бурей, намного меньше того размаха изменения давления, которое сопровождается ураганами и штормами.

Анализ показал, что на востоке РФ, в Северной Атлантике и на Канадском архипелаге после начала магнитной бури атмосферное давление уменьшается, в это же время в Европе, Западной Сибири и в окрестностях Карского моря атмосферное давление увеличивается. Наиболее эффективно и быстро энергия солнечных заряженных частиц вносится в атмосферу в высоких широтах, в овале полярных сияний, на широтах вблизи 70. Поэтому уже через двое суток в высокоширотных районах меняется атмосферное давление. Чем дальше в сторону экватора от овала полярных сияний, тем больше надо времени, чтобы энергия солнечных потоков попала в атмосферу и вызвала там изменение атмосферного давления. При этом с увеличением широты уменьшается амплитуда изменения атмосферного давления.

Ветровой режим атмосферы на высотах 6-120 км также зависит от солнечной активности. Исследования, проведенные В.Ф. Логиновым по данным станций ракетного и аэрологического зондирования атмосферы в 1962-1970 гг. над Тихим океаном и Северной Америкой показывают, что при увеличении солнечной активности ослабляется циркуляция атмосферы в поясе с широтами меньше 40 с. ш. Далее, по данным о торможении искусственных спутников в атмосфере Земли, известно, что с ростом солнечной активности увеличивается плотность атмосферного газа в верхней атмосфере (где летали спутники). До сих пор, рассматривая глобальную циркуляцию атмосферы, говорили только о зоне максимального ее нагрева, которая находится в экваториальном поясе. Вторая зона, где происходит большой нагрев атмосферного газа, – овал полярных сияний (65-75 с. ш.). Именно в этой зоне чаще всего наблюдаются антициклоны большой силы, происходят частые нарушения установившейся атмосферной циркуляции.
^ Возникновение ураганов
Фотографии, полученные из космоса, позволяют получить научное представление об основных характеристиках урагана, а также о процессах, которые происходят при его зарождении. Считается доказанным, что ураган в своем развитии проходит 4 этапа: тропический циклон, ба­рическая депрессия, шторм, интенсивный ураган. На первом этапе, благодаря пассатам, в месте наблюдения существует слабая циркуляция атмосферы и поверхностного слоя океана с незамкнутыми изобарами вокруг центра низкого давления окружающего воздуха. При перемещении в любом направлении от центра, давление увеличивается. Ветры дуют против часовой стрелки вокруг центра низкого давления в Северном Полушарии и по часовой стрелке - в Южном Полушарии. Этот этап часто сопровождается облаками и осадками. На следующих этапах скорость ветра вдоль поверхности океана увеличивается, от 20 до 34 узлов, и образуются замкнутые изобары, внутри которых падает давление по направлению к центру шторма. Во время шторма скорость ветра вблизи поверхности возрастает в пределах от 35 до 64 узлов, и шторм становится более организованным. По мере того как поверхностное давление продолжает падать, шторм становится ураганом2, а скорость ветра начинает превышать 64 узла. Вокруг центра урагана образуются спиральные полосы выпадения осадков, закручивающиеся вокруг глаза урагана3.

^ Рис.1. Карта мест зарождения и распространения ураганов.

Цифры, представленные на рис.1, показывают число ураганов, зафиксированных в одном десятилетии двадцатого века. В среднем, исходя из этих данных, на планете может рождаться 30 и более ураганов в год. На карте крайние линии относительно экватора показывают, что места зарождения всех ураганов сосредоточены в приэкваториальной зоне планеты, где имеются самые теплые течения Мирового океана. Возле самого экватора в полосе широт 5 по обе стороны мощные вихри не образуются. Эта сравнительно узкая полоса широт также показана на карте линиями. Данный факт объясняется тем, что на экваторе горизонтальная составляющая силы Кориолиса равна нулю.
^ Условия, определяющие зарождение и развитие ураганов
Определяющими условиями зарождения ураганов в океанах являются следующие факторы: повышение температуры воды в поверхностных точках океана, уменьшение атмосферного давления, жаркое тропическое солнце и благоприятные температурные условия для парообразования на границе океан-атмосфера, уносящие в атмосферу огромное количество скрытой энергии.

На рис. 2 показано распределение температуры в мировом океане в зависимости от широты и глубины. Из рисунка видно, что самая высокая температура воды (25 С и более) находится в диапазоне географических широт от 20 с.ш. до 10 ю.ш., как раз в той зоне, где зарождаются ураганы. Такая температура верхних слоёв океана может распространяться на глубину до 250 метров. Координаты зоны самых теплых слоев мирового океана на карте выделены красными линиями. В этой зоне находятся и самые теплые экваториальные течения и противотечения мирового океана. Заметим, что подводная часть антарктических айсбергов во время будущих транспортировок будет находиться в районе расположения центральных слоев теплых течений.



^ Рис.2. Распределение температуры в Мировом океане.

Перегревание определенной части поверхности океана ведет к образованию более теплого и более легкого воздушного столба, а в результате к снижению атмосферного давления над этой частью океана. Холодные воздушные массы из периферии начинают двигаться к центру зарождения урагана. Здесь холодные массы воздуха нагреваются, превращаются в мощные потоки теплого воздуха и вместе с парами поднимаются на многокилометровую высоту, неся с собой огромное количество скрытой энергии. После достижения определенной высоты воздух охлаждается и начинается процесс конденсации. При этом выделяется такое же количество (скрытой) энергии, какое солнце отдало океану для испарения воды. Вслед за этим, образуются густые облака и вся, поднявшаяся и прошедшая конденсацию, влага изливается на Землю. Из-за понижения давления над перегретой частью океана возникает мощное движение воздушных масс, скорость которых тем выше, чем ниже давление. На движущие к центру зарождения урагана воздушные массы огромное влияние оказывают силы, связанные с вращением Земли.

Характерным признаком зарождения урагана является образование спирали воздушных масс в приводном слое атмосферы, направленной к центру штормовой системы. Облака вблизи центра скручиваются в сходящиеся спиральные полосы и порождают “глаз бури” с вращающейся воронкой. По мере усиления ветра и падения давления возрастает испарение. Воздушные массы, поднимаясь кверху, охлаждаются, а захваченные водяные пары, конденсируясь, выделяют латентное тепло. Разогрев центральной области бури приводит к ее интенсификации - дальнейшему усилению ветра на поверхности и активному испарению влаги. Такой самоподдерживающийся процесс урагана продолжается пока тепловая энергия испарения не уравновесится охлаждением океана, связанным с перемешиванием его вод.

Итак, сформировавшийся циклон или ураган - это атмосферная система с низким давлением, обычно образующаяся над тропической или субтропической акваторией океана и обладающая “организованной” конвекцией и циклонической циркуляцией.

При оценке процессов, связанных с зарождением и развитием ураганов, важную роль играет информация о взаимодействии поверхностного слоя океана и атмосферных масс. Ключевым условием зарождения тропического шторма является: достижение поверхностной температуры воды в океане значения равного не менее 26°С. На ход развития процессов имеют влияние и другие факторы, но причины, по которым одни факторы усиливают ураган, а другие - нет, пока неясны. Число мощных ураганов, во время которых скорость ветра превышает 50 м/с, составляют не более 20% всех выходящих на сушу. Ежегодно, в среднем, 45 тропических циклонов достигают тех скоростей ветра, при которых их по праву можно называть ураганами. Из них около 30% случаются в северо-западной акватории Тихого океана.

Резкий рост числа ураганных бурь сопровождается подъемом уровня моря. Это происходит в результате глобального потепления, причиной которого, по мнению большинства специалистов, стала отчасти и человеческая деятельность. По результатам недавних исследований с использованием современных компьютерных моделей можно предположить, что в конце XXI века нагрев поверхности океана в тропических широтах приведет к дальнейшему усилению ураганных ветров и увеличению количества осадков.

Уже сейчас многие ученые уверены в том, что рост числа ураганов – это одно из проявлений природного цикла, в течение которого каждые шестьдесят-семьдесят лет изменяется скорость океанических течений, перераспределяющих тепло по земному шару.

Сейчас цикл изменений скорости морских течений, названный Атлантическим междекадным колебанием (АМК), проходит этап ускорения. В этот период и температура поверхностных вод, и циркуляция ветров в Атлантическом океане способствует возникновению мощных штормов. Через десять, а может быть, тридцать лет наступит противоположный этап, во время которого количество ураганных бурь должно сократиться.

В центре внимания Томаса Делуорта из Лаборатории геофизической гидродинамики NOAA (Национальная администрация океанических и атмосферных исследований) термохалинная циркуляция4, которая определяет конвейерное течение в Атлантике и характеризуется тем, что поверхностные воды непрерывно перемещаются от тропических широт Атлантического океана (Карибский регион, Центральная Америка и часть Южной Америки) к Северному полюсу. Там вода охлаждается, погружается (так как плотность холодной воды выше, чем теплой, и, следовательно, она тяжелее) и возвращается в юж