Kirill Pankratov (neznaika_nalune) wrote,
Kirill Pankratov
neznaika_nalune

Categories:

Можно ли уменьшить силу урагана?

Похоже, "ураганная" тема становится всё более актуальной, со времён "Катрины". В этом году только в Карибском море прошло уже два урагана высшей категории (правда, мимо сколько-нибудь существенных населённых пунктов), а сезон ещё далёк от завершения. В связи с глобальным потеплением количество разрушительных ураганов будет только возрастать.

Обсуждая эту тематику в недавнем посте, мне напомнили про киношку "Superstorm" недавно показанную по Discovery Channel (и сопутствующую ей научно-популярную переачу). В ней лихо закрученный сюжет в стиле "Послезавтра", в котором присуствуют смелые гениальные учёные, подлые правительственные чиновники, политические интриги, природные катастрофы и т.д. В общем, типичный набор. Сюжет построен вокруг гигантского урагана, идущего на Майами и грозящего разрушить большую часть города. Его удаётся отклонить обратно в океан с помощью другой, искусственно созданной тропической депрессии. Но теперь он отклоняется снова и идёт прямо на Нью-Йорк. В пследний момент его удаётся опять чуть-чуть "подвинуть", так чтобы он всё-таки прошёл мимо Манхэттена, хоть и всё равно с большими разрушениями.

С научной точки зрения довольно сомнительно, как и все наспех сделанные триллеры. Но посмотреть весьма занятно. Там на вебсайте есть интересные материалы, позволяющие поиграться с различными способами "контроля урагана". Предлагается три метода воздействия на ураган, по крайней мере два из которых задействованы в фильме.

1) Воздействие на ядро урагана с помощью "засеивания облаков";
2) Искуственное создание другого атмосферного вихря или фронта, который отклонит траекторию основного урагана;
3) Создание тонкой эмульсионной плёнки (химически разлагающейся впоследствии) на поверхности воды, котораа уменьшит теплообмен океана с атмосферой.

На тему контроля ураганов я уже писал в связи с "Катриной", и в частности, обсуждал некоторые предлагаемые методы. Я очень скептически отношусь ко все этим подходам, по причинам которые я уже описывал в упомянутой выше заметке. Вкратце, соображения следующие:

1) Засеять облака аэрозолями вызывающими разрушение дождевых облаков по краям "глаза": сомнительно чтобы оказало серьёзное воздействие. Конвективная ячейка в центре постоянно перестраивается и приспосабливается к внешним воздействиям. Этот метод никак не решает основную проблему - мощнейшую подпитку урагана энергией тёплой океанской поверхности.

2) Создание искусственных вихрей и фронтов которые либо отклоняют ураган в сторону, либо уменьшают "горючий материал" охлаждая поверхность океана в районе предполагаемого прохождения урагана. Эффект от подобного воздействия очень, очень трудно расчитать, и последствия при ошибке в расчётах могут быть плачевными. Ураган может отклониться не туда куда надо, к тому же искуственно созданные побочные вихри могут слиться с ним, усиливая его ещё больше.

3) Эмульсионная плёнка на поверхности. Этот метод предлагается в частности, профессором Керри Эммануелем, одним из ведущих специалистов по ураганам. Я его достаточно хорошо знал когда работал в MIT. Теоретически возможно, но практически ещё не создано подобного вещества которое можно было бы распылить на поверхности в тысячи кв. дилометров тонкой плёнкой, так чтобы она оставалась бы устойчивой во время сильнейшего шторма и оказала бы серьёзное воздействие на теплообмен.

На мой взгляд весьма перспективным может быть другой подход. Ураган самоподдерживается над тёплой поверхностью воды. Если температура воды превышает примерно 26 градусов Цельсия, энергия "закачиваемая" в него в результате испарения с поверхности превышает энергию трения и диссипации в поверхностных волнах. Если тмпература ниже - этой закачки не хватает и ураган ослабевает.

Силу урагана теоретически можно уменьшить, если охладить поверхность воды ниже 26 градусов. Как это можно сделать? Вообще-то более холодная вода находится совсем рядом, в нескольких десятках метров от поверхности океана. Типичный вертикальный профиль температуры в тропическом океане далеко от берега приведён здесь. У самой поверхности - "перемешанный слой" толщиной 20-30 м. в нормальную погоду и 50-100 м. - в сильный шторм. Ниже идёт "термоклин" примерно до 500 м, в котором температура воды резко падает (примерно до 5 градусов Цельсия). Ещё ниже - глубоководные слои в которых температура меняется очень медленно.

Таким образом, если поднять воду с глубины более 100 м на поверхность, температура верхнего слоя резко понизится, предотвращая подпитку урагана энергией. Как это сделать? Можно представить себе нечто вроде огромного "отвального плуга" бороздящего воду и и перемещающего на поверхность более глубокие слои. Это требует большой энергии, так как на поднятие более холодной и, следовательно, плотной, воды требуется работа против силы тяжести.

Одно из возможных решений связано с интересным эффектом который в своё время сильно озадачил подводников. Важнейшее условие живучести подводной лодки - её скрытность. Военные прилагали огромные усилия для уменьшения акустических и других следов оставляемых подлодкой, и в частности её волновой дорожки. По идее, хорошо обтекаемый корпус движущийся в глубоком термоклине, на глубине 200-300 м, не должен оставлять никаких следов на поверхности океана. Тем не менее, было замечено что даже за такой подлодкой остаётся обнаруживаемая в инфракрасном диапазоне дорожка из более холодной, глубинной воды. Когда стали исследовать её причину, оказалось что контрольные поверхности лодки создают вихревую пару, ось которой загибается параллельно оси корпуса (подобная пара вихрей так же образуется на крыльях самолёта). На рисунке слева (отсюда) она обозначена как vortex wake. Пара вихрей с противоположным знаком (вихревой диполь) - самодвижущаяся структура, в которой поля скоростей, наводимые линиями завихренности, толкают друг друга. Пример - кольца сигаретного дыма, которые умеют делать некоторые курильщики. В этом случае пара замкнута на себя, образуя кольцо которое может пробежать несколько метров, пока не рассеется. Вихревая пара, образующаяся за подлодкой, поднимаетяся на поверхность где и оставляет след холодной воды. Конструкторы подлодок всячески старались уменьшить этот эфффект - во-первых, он увеличивает сопротивление и уменьшает скорость при данной мощности двигателя, во-вторых, и главное - позволяет обнаружить поверхностную дорожку за лодкой.

В случае контроля урагана подобный эффект можно изпользовать - но для этого нужно максимизировать, а не минимизировть образование достигающей поверхности вихревой пары за подлодкой, в частноти навесить на неё нечто вроде подводных крыльев большой площади. Это далеко не просто, но вполне возможно.

Теоретическую максимальную эффективность подхода (не обязательно с вихревой парой, а с поднятием глубинной воды вообще) можно оценить как отношение потери энергии урагана в результате того или иного воздействия на него к затраченной энергии в процессе такого воздействия. Для того чтобы рассматриваться как практический метод, этот коэффициент эффективности должен составлять по крайней мере несколько тысяч - в виду огромной мощности развитого урагана.

Будет ли соответствовать этому критерию описанный выше искусственный апвеллинг (поднятие глубинных вод на поверхность)? В данном подходе коэффициент эффективности можно оценить как отношение энергии для охлаждения удельной массы воды на один градус к механической работе против силы тяжести требуемой для замещения такой же массы тёплой, лёгкой поверхностной массы воды на более холодную (на один градус) и тяжёлую массу воды с глубины. Опуская выкладки, это отношение можно оценить как:

К = 2*Cp / g*α*H

где Cp = 4*103 J/Kg/K - удельная теплоёмкость воды,
g = 10 m/s2 - ускорение свободного падения,
H = 200 m - характерная глубина более холодного слоя воды для поднятия на поверхность,
α=2*10-4 1/K - адиабатический коэффициент теплового расширения воды.

Для данных чисел получаем К = 40,000 (сорок тысяч). Это вполне обнадёживающий результат. Получается что направленное воздействие мощностью 1 мегаватт может дать уменьшение силы урагана в 40 гигаватт. Общая мощность развитого урагана оценивается в несколько тысяч гигаватт (например, http://www.aoml.noaa.gov/hrd/tcfaq/D7.html).
Если тысячу гигаватт (или миллиард киловатт) разделить на 40,000, получится 25 мегаватт. Это примерно равно мощности двигателя большой атомной подводной лодки. Конечно, далеко не вся энергия двигателя будет уходить на подьём холодной воды, а только небольшая часть её. Но даже с учётом этого, вполне реально предположить что одна или две атомных подлодки со специальной навеской которая способствует апвеллингу, двигаясь по пути урагана, могут существенно ослабить его силу.

По сравнению с другими методами, апвеллинг - экологически чист, не требует распыления огромных массы каких-то сомнительных химикатов над океаном. Отрицательного эффекта никакого. Если попытка поиграться с траекторией урагана или окружающими вихрями и фронтами, может, при ошибке в расчётах, наоборот усилить его или отклонить в сторону ещё более населённых зон, в данном подходе этого можно не бояться. В худшем случае эффект ослабления урагана будет просто незначительным. Подводные лодки, в отличии от надводных кораблей или самолётов в зоне урагана, ничем не рискуют: на глубине более 100 м совершенно не чувствуется того что на поверхности бушует мощнейший шторм.

И ещё важный момент - для этого не требуется построения супер-экзотических кораблей и систем. Это можно сделать на основе давно существующих атомных подлодок (в частности, уже списанных с боевого дежурства). Такая подлодка может подойти на несколько десятков километров к центру урагана и галсами двигаться вдоль его траектории. Характерная скорость перемещения урагана - 15-25 км/ч. Подлодка может двигаться существенно быстрее, заведомо успевая подстраиваться под его траекторию.

Можно представить и другие варианты, не основанные на вихревой паре: например, нечто вроде огромного трала с большой плавучестью, который будет тянуться за подлодкой, загребая воду и толкая её на поверхность. Можно придумать и другие инженерные решения.

Поскольку с развитием глобального потепления можно ожидать что ежегодный ущерб от ураганов будет составлять в среднем десятки миллиардов долларов (а вскоре превысит сотню миллиардов), вполне можно представить миривой рынок услуг по контролю ураганов в диапазоне 1-5 млрд. долл. Таким образом, атомные подводные лодки могут быть на хозрасчёте, и в перспективе - даже окупить расходы на своё строительство и эксплуатацию. Такая вот любопытная идея.
Subscribe

  • "Богемная эпоха"

    Колумнист NY Times Росс Даутсат The Real White Fragility: In 2001, when I was still attending college, David Brooks wrote an essay for The Atlantic…

  • Месье, у вас спички из обоссанного мундира

    Не знал о такой истории: Уникальный документ времен войны 1812 года - письмо Наполеона Бонапарта, в котором он сообщает о решении подорвать…

  • Эпидемии и коллапс цивилизации

    В предыдущем посте про климат и падение классической цивилизации Майя в комментах затронут вопрос о роли эпидемий в цивилизационных кризисах, и, в…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 17 comments

  • "Богемная эпоха"

    Колумнист NY Times Росс Даутсат The Real White Fragility: In 2001, when I was still attending college, David Brooks wrote an essay for The Atlantic…

  • Месье, у вас спички из обоссанного мундира

    Не знал о такой истории: Уникальный документ времен войны 1812 года - письмо Наполеона Бонапарта, в котором он сообщает о решении подорвать…

  • Эпидемии и коллапс цивилизации

    В предыдущем посте про климат и падение классической цивилизации Майя в комментах затронут вопрос о роли эпидемий в цивилизационных кризисах, и, в…