دانلود تحقیق آلودگی آب و هوا

آشنایی با فشار هوا
فشار هوا نیرویی است که هوا بر یک واحد از سطح زمین وارد می کند و مقدار آن در سطح دریای آزاد، برابر است با وزن ستونی از جیوه به ارتفاع 76 سانتیمتر.

واحد اندازه گیری فشار هوا در آب و هواشناسی میلی بار یا هکتوپاسکال می باشد؛ هر میلی بار یا هکتوپاسکال برابر با 1000 دین بر سانتی متر مربع می باشد فشار ستون هوا در سطح دریای آزاد 1013 هکتوپاسکال بر سانتی متر مربع می باشد.

از آنجا که تراکم هوا با ارتفاع کاهش می یابد، با افزایش ارتفاع فشار هوا نیز کم می شود، اما تغییر فشار برحسب ارتفاع چندان منظم نیست؛ به طور کلی تا ارتفاع 1500 متری سطح زمین به ازای هر 100 متر افزایش ارتفاع، فشار هوا حدود 12 هکتوپاسکال کم می شود.

پراکندگی افقی فشار اتمسفر را با استفاده از خطوط هم فشار به صورت سطح هم فشار نشان می دهند.

خط هم فشار خطی است که تمام نقاط با فشار یکسان را به هم مربوط می کند.

نقشه های هم فشار برای سطوح مختلف اتمسفر تهیه می شود.

پراکندگی فشار در سطح زمین
تکرار حالتهای لحظه ای هوا در دراز مدت در پراکندگی فشار، الگویی میانگین را نشان می دهد که کمابیش انعکاس تاثیرهای گردش عمومی جو است، در نقشه های میانگین فشار نمود های زودگذر و نادر دیده نمی شود و در مقابل نمود های عمده و غالب چه در مقیاس محلی و چه در مقیاس جهانی جلوه می کنند؛ بنابراین مطالعه نقشه های میانگین فشار اگر چه در کاربرد موضعی یا کوتاه مدت چندان کارآمد نیست اما برای شناخت نمود های عمده و غالب گردش عمومی هوا مهم است.

مراکز عمده فشار در سطح زمین به تبعیت از سیستم نصف النهاری گردش عمومی هوا، از استوا تا قطب به صورت کمربندهای مداری متناوبی جلوه می کند؛ اما وضعیت خشکی و دریا در نیمکره شمالی این منظم را به هم می زند و مراکز یاد شده را به صورت سلولهای جدا از هم در می آورد.

نتیجه گردش عمومی هوا در دراز مدت، وجود کمربندهای کم فشار در استوا، پر فشار در منطقه جنب حاره کم فشار در منطقه معتدله و احتمالا در منطقه قطبی است.

اتمسفر زمین را بر حسب چگونگی روند دما، اختلاف چگالی، تغییرات فشار، تداخل گازها و سرانجام ویژگیهای الکتریکی به لایه‌های زیر تقسیم کرده‌اند:

1- تروپوسفر (Troposphere)

2- استراتوسفر (Stratosphere)

3- مزوسفر (Mesosphere)

4- یونسفر (Ionosphere)

5- اگزوسفر (Exosphere)





1- تروپوسفر

تروپوسفر پایین ترین لایه اتمسفر است که خود از لایه های کوچکتری تشکیل شده است.

وجه تمایز این لایه با دیگر لایه های اتمسفر، تجمع تمامی بخار آب جو زمین در آن است؛ به همین دلیل بسیاری از پدیده های جوی که با رطوبت ارتباط دارند و عاملی تعیین کننده در وضعیت هوا به شمار می آیند (از قبیل ابر، باران، برف، مه و رعد و برق) تنها در این لایه رخ می دهند.

منبع حرارتی لایه تروپوسفر انرژی تابشی سطح زمین است.

از این رو با افزایش ارتفاع با کاهش دما مواجه خواهیم بود.

ضخامت تروپوسفر، از شرایط حرارتی متفاوتی که در عرضهای جغرافیایی مختلف حاکم است تبعیت می کند.

این ضخامت معمولاً از 17 تا 18 کیلومتر در استوا به 10 تا 11 کیلومتر در مناطق معتدل و 7 تا 8 کیلومتر در قطبها تغییر می کند.

2- استراتوسفر

لایه استراتوسفر بر روی لایه تروپوسفر قرار دارد و ضخامت متوسط آن حدود 23 کیلومتر است.

در 3 کیلومتر اول استراتوسفر، دمای هوا ثابت است اما در قسمتهای بالاتر دمای هوا با ارتفاع افزایش می یابد.

در استراتوسفر به ندرت ابر تشکیل می شود و تنها در شرایط ویژه ای ممکن است ابرهای کوهستانی به نام ابرهای مرواریدی در ارتفاع 21 تا 29 کیلومتری از سطح زمین ظاهر شوند که علت وجود آنها حرکات موجی شکل هوا از سوی موانع می باشد.

از دیگر ویژگیهای مهم استراتوسفر وجود ازن در این لایه است که بخصوص در ارتفاع 20 تا 30 کیلومتری سطح زمین بر اثر واکنشهای مختلف فتوشیمیایی بدست می آید.

مقدار ازن در این لایه معمولاً روند فصلی دارد حداکثر آن در بهار و حداقل آن در پاییز مشاهده می شود.

3- مزوسفر

در بالای لایه گرم ازن لایه مزوسفر قرار دارد که دما در آن متناسب با افزایش ارتفاع با آهنگ 3/0 سانتیگراد به ازای هر 100 متر کاهش می یابد به طوریکه دما در مرز فوقانی آن در ارتفاع 80 تا 90 کیلومتری به 80- درجه سانتیگراد می رسد.

و نتیجه این دمای پایین انجماد بخار آب ناچیز موجود در این لایه است که باعث بوجود آمدن ابرهای شب تاب می شوند.

این ابرها درتابستان و در عرضهای بالا دیده می شوند.

مزوسفر سردترین لایه اتمسفر تلقی می شود.

4 - یونوسفر

از بخش فوقانی مزوسفر تا ارتفاع تقریبی 1000 کیلومتری اتمسفر زمین، بار الکتریکی شدیدی حاکم است که زاییده وجود یونها و الکترونهای آزاد است.

در حقیقت پرتوهای پر انرژی خورشید که از فضای خارج به طبقات بالایی اتمسفر وارد می شوند باعث گسستگی پیوند یا یونیزاسیون مولکولها و اتمها می شوند.

بر اثر یونیزاسیون، الکترون آزاد می شود و باقی مانده اتم به صورت یون در می آید؛ به همین علت این لایه از جو را یونوسفر نامیده اند.

شدت یونیزاسیون در تمام ارتفاعات یونسفر یکسان نیست؛ بنابراین لایه های متفاوت با تراکم الکترون و یون متفاوت با ارتفاعات مجاور خود در یونسفر وجود دارد؛
این لایه ها در ارتباطات رادیویی اهمیت بسیاری دارند.

این لایه ها عبارتند از لایه های D,E,F .

5 - اگزوسفر

شرایط موجود در یونوسفر در این لایه نیز حاکم است؛ بدین معنی که گازها در این لایه همچنان قابلیت هدایت الکتریکی خود را حفظ می کنند.

سرعت ذرات در این لایه بسیار زیاد است و در مواردی به 2/11 کیلومتر در ثانیه می رسد.

اگزوسفر لایه گذار جو به فضای کیهانی به شمار می آید که بخش فوقانی آن را در ارتفاع بیش از سه هزار کیلومتری از سطح زمین برآورد کرده اند.
خورشید تنها ستاره منظومه شمسى مى باشد که کرات وسیارات در اطراف آن مى چرخند و از انرژى آن استفاده مى کنند.زمین نیز یکى از کراتى است که در أطراف خورشید در حال حرکت است .

فاصله میان زمین و خورشید حدود 149.800.000کیلومتر مى باشد ، که در این فاصله،زمین حدود 9^10×95/1 وات انرژى ازخورشید دریافت مى کند که ما تنها کسرى از آن (0000002/0) را استفاده مى کنیم .

نور خورشید 27/8 دقیقه طول مى کشد که به زمین برسد.از صد در صد نورى که به زمین مى تابد تنها 30% آن بر اثر ذرات و مولکول هاى موجود در لایه هاى بالایى منعکس مى شوند بقیّه آن ها از لایه ها زمین عبور مى کنند و به زمین مى رسند.در واقع مى توان به جرأت گفت که حدود99%انرژى که به زمین مى رسد از خورشید وبقیه آن از ماه و کرات دیگر مى باشد.

نور سفید خورشید از میلیاردها میلیارد رنگ تشکیل شده است که هر کدام از این رنگ ها داراى طول موج و انرژى مخصوص به خود مى باشند، وما هنگامى که این نور را تفکیک مى کنیم به هفت رنگ تجزیه مى شوند که هر کدام از این رنگ ها از میلیاردها رنگ تشکیل شده اند...

پرتوهاى فوق بنفش داراى طول موج کوتاه و انرژى زیاد مى باشند .پرتوهاى فوق بنفش با انرژى زیادى که دارند براى تمام موجودات زنده خطرناک مى باشند وموجب سرطان پوست یا آفتاب سوختگى مى شوند .

خوشبختانه زمین در برابر این پرتوى خطرناک، محافظى بنام لایه اوزون دارد که از ورود پرتوهاى خطرناک به سطح زمین جلوگیرى مى کند.

قبل از آنکه به بحث درباره برخورد پرتوهاى فوق بنفش و مولکول ها اوزون بپردازیم ابتدا به اطلاعاتى درمورد اوزون مى پردازیم.

اوزون چیست؟

دانشمندان لایه ها زمین را به چهار قسمت تقسیم مى کنند :

1 - تروپوسفر (که نسبت به سطح دریا 12تا15 کیلومترارتفاع دارد)

2 - استراتوسفر

3 - مزوسفر

4 - تروموسفر (خارجى ترین لایه زمین)

مولکول اوزون (o3)از یک مولکول اکسیژن و یک اتم اکسیژن که ناپایدار و واکنش پذیر مى باشد، تشکیل شده است .

پیوند میان مولکول اکسیژن و اتم اکسیژن در مولکول اوزون بسیار ضعیف مى باشد و ممکن است با کوچکترین برخورد از هم جدا ویا با دریافت کوچکترین انرژى به حالت اولیه خود برگردند .

لایه اوزون در لایه استراتوسفر زمین قرار دارد .در شب ها به دلیل عدم دسترسى به انرژى تابشى خورشید، ضخامت لایه اوزون کمتر از ضخامت آن در روز ها مى باشد.

هنگامى که پرتوهاى فوق بنفش به مولکول ها اوزون برخورد مى کنند، پرتو هاى فوق بنفش مقدار زیادى از انرژى خود را از دست مى دهند وبه پرتو هاى فرو سرخ تبدیل مى شوند ، و همچنین بر اثر این برخورد ، مولکول اوزون به مولکول اکسیژن واتم اکسیژن تبدیل مى شود و با تابش مجدد نور خورشید ، مولکول اوزون دوباره پدیدار مى شود.

مولکول هاى اوزون هرچند که براى ما مفید هستند اما وجود آن ها در لایه تروپوسفر (لایه اى که ما در آن زندگى مى کنیم) بسیار خطرناک مى باشند.

نیتروژن هاى پراکسید خارج شده از اگزوز موتورهاى دیزلى بر اثر تابش نور خورشید (عمل فتو شیمیایى) با مولکول هاى اکسیژن واکنش مى دهند و مولکول هاى اوزون را پدیدار مى کنند .

چون در مولکول هاى اوزون اتم هاى اکسیژن فعال (رادیکالى) وجود دارد ، تنفس آن ،موجب اختلال در دستگاه تنفسى مى شود .

*حفره اُزن* تا سال 1980میلادى از سوراخى لایه اوزون خبرى نبود ؛ اما در سال 1985م ، دانشمندان از نازک شدن لایه اوزون در قطب جنوب خبر دادند.

در آن زمان با تحقیقات انجام شده علت نابودى مولکول هاى اوزون را ،گاز هاى cfc (کلر و فلوئور و کربن) مى دانستند.

گاز هاى cfc به عنوان گاز هاى خنک کننده در یخچال ها ،کولرها و همچنین در مواد پلاستیکى مورد استفاده قرار مى گیرند .

در cfc ها اتم هاى کلر ناپایدار و واکنش
پذیر مى باشند و هنگامى که گاز هاى cfc به لایه هاى بالا مى روند ، در لایه هاى بالا بر اثر برخورد با نور خورشید ،گاز هاى کلر آزاد مى شوند.

اتم هاى کلر در لایه استراتوسفر با مولکول هاى اوزون واکنش مى دهند.

هر اتم کلر به تنهایى مى تواند 100.000 مولکول اوزون را از بین ببرد .

به همین دلیل در گستره جهانى ،در سازمان ملل متحد ،در معاهده اى بنام معاهده مونترال کشورها متعهد شدند که از تولید و فروش گاز هاى cfc خوددارى کنند ،و همچنین به کشور هاى فقیر این امکان را بدهند که بجاى استفاده از گاز هاى cfc ، از گاز هاى خنک کننده دیگرى استفاده کنند.

ما مى دانیم که بیشترین کشور هاى صنعتى در نیم کره شمالى قرار دارند ، پس چرا در قطب جنوب لایه اوزون سوراخ شده است ؟!

برای پاسخ به این سوال ، پژوهش های زیادی انجام شده است که بعضی از این پژوهش ها تاکنون در دست تحقیق است .

اخیراً دانشمندان علت ایجاد حفره در لایه اوزون را گرداب های سنگین ، که در قطب جنوب جریان دارند ، می دانند .

در زمستان در طول شبهای قطبی، نور خورشید درتمام سطح قطب جنوب در دسترس نیست ، به همین دلیل در این قطب در لایه استراتوسفر طوفان هاى سنگینی گسترش مى یابند که به آن ها گرداب قطبی(polar vortex) مى گویند .

گرداب قطبی می تواند ذرات سازنده هوا را تجزیه کند .

این گرداب ها باعث ایجاد ابرهاى سردی می شوند که بر فراز قطب جنوب جریان می یابند.

که به این ابرها ابر استراتوسفر قطبی (polar stratosphere cloud) می گویند.اختصار آن psc است.

Pscها بسیار سرد هستند و دمای آن ها حدود 80- سیلسیوس است.* Psc از نیتریک اسید تری هیدرات (nitric acid trihydrate) تشکیل شده است و با ابرهایی که ما آن ها را در آسمان می بینیم کاملاً متفاوتند.

پس این ابرهای اسیدی می توانند لایه اوزون را تخریب کنند.

بنایراین با استناد به تحقیقات انجام یافته ،موارد زیر را می توان از عوامل موثر در تخریب لایه اوزون دانست:

1 - حور زمین به گونه اى مى باشد که نور خورشید به قطب شمال بیشتر از قطب جنوب مى تابد به همین دلیل ضخامت لایه اوزون در قطب شمال بیشتراز ضخامت آن در قطب جنوب مى باشد ( زیرا ما گفتیم که پیوند میان مولکول اکسیژن و اتم اکسیژن در مولکول اوزون بسیار ضعیف مى باشد و ممکن است با کوچکترین برخورد از هم جدا ویا با دریافت کوچکترین انرژى(مانند انرژى تابشى خورشید ) به حالت اولیه خود برگردند)

2 - از مورد دوم نتیجه مى گیریم که هواى قطب جنوب سردتر از هواى قطب شمال مى باشد ، بنابراین هواى گرم هنگامى که بر اثر جریان هایى به قطب جنوب مى روند ، چون سبک مى باشند ،به سمت بالا مى روند و موجب نابودى لایه هاى اوزون برفراز قطب جنوب مىشوند.

3 - در زمستان نور خورشید کاملاً در تمام سطح قطب جنوب در دسترس نمی باشد، واین امر باعث کاهش دما و تشکیل ابرهای psc می شود .

4 - ابرهای psc اسیدی هستند و به همین دلیل آن ها به لایه اوزون آسیب می رسانند.

ماهواره‌های آب و هوائی اولین بار توسط آمریکائی‌ها و در سال 1960 برای مشاهده و دریافت اطلاعات واقعی آب و هوائی به آسمان پرتاب گردیدند.

در آگوست همین سال، نخستین تصویر زمین از فضا در روزنامه ملی ژئوگرافیک (Geographic) منتشر گردید.

از این تاریخ به بعد، ماهواره‌های بیشتری به فضا پرتاب شدند.

همانطور که زمین و دیگر سیاره‌ها در مدار خاص خود به دور خورشید می‌گردند، ماهواره‌های مصنوعی نیز در مدارهای خاصی در حال چرخش‌اند.

انتخاب این مدارها برای ماهواره‌ها به منظور و هدفی که ماهواره به آن منظور به فضا پرتاب شده است بستگی دارد.

می‌توان مداری را انتخاب نمود که در مسیر قطب شمال و جنوب قرار می‌گیرد و یا مداری که حول خط استوا می‌باشد و یا هر مداری ما بین این دو حالت.

همچنین در انتخاب مدار ماهواره عامل ارتفاع نیز می‌تواند درنظر گرفته شود مثلا ارتفاعات هزاران مایلی بالای زمین و یا ارتفاعات صدها مایلی.

دو نوع اصلی ماهواره‌های آب و هوائی وجود دارد :

1 - ثابت زمین Geostationary

2 - مدار قطبی Polar Orbiting

ماهواره های Geostationary برای هشدارهای کوتاه مدت و ماهواره‌های Polar Orbiting برای پیش بینی‌های بلند مدت تر بکار می‌روند.

هر دو نوع ماهواره‌ها برای دیده بانی‌ کامل آب و هوائی جهان لازم هستند.

در اواخر دهه 70 نیاز به ماهواره‌هائی که 24 ساعته در روز بتوانند تصاویر ماهواره ای را تهیه نمایند احساس گردید.

ماهواره ای که بتواند هر24 ساعت یکبار در مداری که در ارتفاع 40000 کیلومتری بالای خط استوا قرار دارد و با سرعتی که با سرعت زمین برابر می باشد به دور زمین بچرخند.

این نوع ماهواره ها، ماهواره های زمینآهنگ نامیده می شوند.

از آنجاییکه سرعت چرخش این ماهواره ها به دور زمین با سرعت چرخش زمین متناسب می باشد، این ماهواره‌ها نسبت به یک موقعیت روی سطح زمین ثابت باقی می مانند و به این دلیل که زمین نیز در روز یکبار به دور محورش می‌گردد آن ها نیز یکبار در روز مدار خود را طی می‌کنند.

برای مثال دو ماهواره‌ Goes (ماهواره‌های محیطی- عملیاتی ثابت زمین) جز ماهواره های زمین آهنگ هستند و در مدار زمین آهنگ (geosynchronous) دور زمین می‌چرخند.

در حداقل ارتفاع 36000 کیلومتری بالای خط استوا قرار دارند.

این ماهواره‌ها به طور پیوسته تصاویر دقیق ولی با جزئیات کم تهیه می‌کنند و این تصاویر را هر 30 دقیقه یکبار به زمین ارسال می نمایند.

دیده بانی پیوسته این ماهواره‌ها برای تجزیه و تحلیل متمرکز داده‌ها ضروری می‌باشند.

این تصاویر بوسیله یک نرم افزار تجزیه و تحلیل شده و بصورت پیوسته و گرافیکی تهیه می شوند.

به دلیل است که به عنوان مثال تصاویری که از حرکت ابرها نمایش داده می شود، مربوط به 8 ساعت گذشته می باشد.این اطلاعات ارزشمند درباره نوع، جهت و بزرگی ابر می تواند کار پیش بینی را بسیار ساده نماید.

با توجه به این که این ماهواره ها نسبت به یک موقعیت بر روی سطح زمین ثابت هستند قادرند در شرائط بد آب وهوائی مانند گردباد ،سیلاب ، طوفان‌های تگرگی و تندبادها هشدارهائی بدهند.

ماهواره های مدار ثابت مختلفی وجود دارد، برای مثال ماهواره ثابت زمین GMS برای استرالیا و ژاپن،GOES8ه (GOES=Geostationary operational Environmental Satellites) برای آمریکای شرقی،GOES 10 برای آمریکای غربی،INS/Meteosat5 برای روسیه و هند و Meteosat7 برای اروپا نمونه‌ هایی از ماهواره‌های ثابت زمین می‌باشند.

البته ماهواره ها ی Meteosat تمام اروپا و افریقا را می پوشانند.

دو ماهواره Meteosat و GOES تصاویری از دیگر ماهواره های ثابت زمین را نیز دوباره ارسال می دارند این امر موجب می شود که به عنوان مثال آب و هوای استرالیا را بتوان در لندن یا شیکاگو مشاهده نمود.

ماهواره های زمین آهنگ با فرکانس 1691MHzداده ها را ارسال می دارند وبرای دریافت اطلاعات آن ها به دیش ثابت و کوچکی نیاز می باشد.

این ارسال WEFAX نامیده می شود و چون از استاندارد بسیار بالایی برخوردار می باشند تفاوت اندکی بین تصاویر این ماهواره ها وجود دارد.

هر ساله توفان هاى موسمى بسیار بزرگ که تندبادهایى با سرعت بیش از 120 کیلومتر بر ساعت را ایجاد مى کنند، سراسر دریاهاى گرمسیرى را درنوردیده و به سوى خطوط ساحلى حرکت مى کنند.

این امر غالباً باعث مى شود که بخش هاى وسیعى از نوارهاى ساحلى در نقاط مختلف جهان دچار آسیب هاى جدى و فراوانى شوند.

وقتى این توفان هاى پى در پى که در میان ساکنین سواحل اقیانوس اطلس و سواحل شرقى اقیانوس آرام به نام Hurricane، در سواحل غربى اقیانوس آرام به نام Typhoon و در سواحل حاشیه اى اقیانوس هند به نام Cyclone معروف اند به نواحى پرجمعیت هجوم مى برند، ممکن است هزاران نفر کشته و میلیاردها دلار خسارت بر جاى گذارند.

و هیچ چیز، مطلقاً هیچ چیز، در برابر آنها توان ایستادگى و مقاومت ندارد.

اما آیا این نیروهاى مهیب طبیعت باید براى همیشه از حیطه کنترل ما خارج باشند؟

من و همکاران محقق ام هرگز اینگونه نمى اندیشیم.

تیم تحقیقاتى ما از مدت ها پیش در پى یافتن پاسخ این سئوال است که چطور مى توان توفان ها را به مسیرهاى کم خطرتر هدایت کرد یا در غیر این صورت لااقل آنها را به جهات مختلف پراکنده ساخت.

گرچه تحقق این هدف بزرگ شاید براى دهه ها بعد قابل تصور باشد، اما نتایج تحقیقات ما نشان مى دهند که مطالعه احتمالات متعدد در این زمینه چندان آسان نخواهد بود.

براى برداشتن نخستین گام ها در مسیر کنترل توفان ها، محققان باید قادر باشند که اولاً مسیر جارى شدن یک توفان را با دقت فوق العاده زیادى پیش بینى کنند، ثانیاً هویت تغییرات فیزیکى (از قبیل تغییرات دماى هوا) را که بر رفتار توفان اثرگذار خواهند بود تشخیص دهند و ثالثاً راه هایى را براى تأثیرگذارى بر آن تغییرات پیدا کنند.

این کار اکنون در مراحل آغازین خود قرار دارد، اما شبیه سازى هاى کامپیوترى توفان ها که طى چند سال گذشته با موفقیت قابل وصفى انجام شده اند به وضوح نشان مى دهند که تعدیل رفتار توفان ها بالاخره روزى میسر خواهد بود.

در این میان، چیزى که بیش از هر چیز دیگر پیش بینى آب و هوا را مشکل مى سازد، حساسیت فوق العاده اتمسفر (جو زمین) به تحریکات کوچک است، اما همین امر مى تواند کلید واقعى دستیابى بشر به کنترلى باشد که دائماً در جست وجوى آن است.

نخستین تلاش تیم تحقیقاتى ما براى اثرگذارى بر مسیر یک توفان شبیه سازى شده، به عنوان مثال، از طریق ایجاد تغییرات کوچک در کیفیت اولیه توفان، به طور قابل ملاحظه اى موفقیت آمیز از کار درآمد و نتایج بعدى نیز همچنان روند مطلوب قبلى را تداوم بخشیده اند.

ماهیت توفان ها براى اینکه ببینیم اساساً چرا توفان ها (Hurricanes) و سایر تندبادهاى گرمسیرى مى توانند مستعد پذیرش مداخله انسان باشند، باید ماهیت و منشاء اصلى وقوع توفان ها را دریافت.

توفان ها، به شکل دسته هایى از تندبادهاى همراه با آذرخش و صاعقه بر فراز اقیانوس هاى گرمسیرى ظاهر مى شوند.

دریاهاى واقع در عرض هاى جغرافیایى پایین دائماً حرارت و رطوبت زیادى را براى اتمسفر به ارمغان مى آورند و این امر باعث مى شود تا هواى گرم و مرطوب فراوانى بر فراز سطح دریا تشکیل شود.

وقتى این هوا به سمت سطوح فوقانى جو حرکت مى کند، بخار آب موجود در آن تقطیر مى شود و بدان وسیله موجبات تشکیل ابرها و فرو ریختن انواع نزولات را فراهم مى سازد.

تقطیر بخار آب موجود در هوا باعث آزاد شدن حرارت در سطوح فوقانى جو مى شود و این حرارت که اصطلاحاً از آن به عنوان «گرماى نهان تقطیر» نام برده مى شود، به همراه حرارت تابشى خورشید که اصلى ترین عامل تبخیر آب در سطح اقیانوس محسوب مى شود، سبکى بیشترى را براى هوا به ارمغان آورده و باعث مى شوند تا هوا طى یک فرایند بازخوردى تقویتى (Feedback) آمادگى صعود به ارتفاعات بالاتر را پیدا کند.

نهایتاً، فرود این هواى گرمسیرى باعث سازماندهى تدریجى و تقویت سامانه اى مى شود که به نوبه خود موجبات تشکیل «قطب مرکزى سکون»اى را فراهم مى سازد که یک توفان دریایى به دور آن مى چرخد.

با رسیدن این سامانه به زمین، منبع پایدار آب گرم توفان از آن جدا مى شود که همین امر به تضعیف سریع توفان مى انجامد.

رویاى کنترل توفان از آنجایى که توفان بیشتر انرژى اش را از حرارت آزاد شده در نتیجه تقطیر بخار آب بر فراز اقیانوس (که بعدها به تشکیل ابر و فرود نزولات جوى مى انجامد) به دست مى آورد، لذا نخستین چیزى که محققان در رویاهاى خویش براى پیش بینى زمان وقوع این پدیده هاى وهم آسا مجسم ساخته بودند، تلاش همه جانبه براى ایجاد تغییر در فرایند تقطیر با استفاده از تکنیک هاى بارورسازى ابرها بود که در دهه هاى دورتر به عنوان تنها راه عملى براى تأثیرگذارى بر شرایط آب و هوایى مناطق مطرح بود.

در اوایل دهه ،1960 یک هیات مشاوره اى علمى به نام Project Stormfury که از سوى دولت آمریکا مأموریت یافته بود، اقدام به انجام یک سرى آزمایش هاى دلیرانه یا شاید متهورانه با هدف تعیین چگونگى امکان اجرایى کردن آن راهکار نمود.

هدف Project Stormfury کاستن از سرعت گسترش یک توفان از طریق تشدید یا تقویت سرعت نزول باران در نخستین باند یا حوزه بارانى در خارج از Eye Wall یا حلقه ابرها و بادهاى شدیدى بود که در حوزه دید قرار داشتند [براى آگاهى بیشتر در این زمینه به مقاله «تجربیات ملایم سازى توفان» اثر«آر اچ سیمپسون» و «جوآنه اس مالکوس» در نسخه دسامبر 1964 نشریه ساینتیفیک آمریکن مراجعه کنید].

آنها تلاش کردند تا این هدف را با پاشیدن ذرات یدید نقره بر روى ابرها به وسیله طیاره محقق سازند: در این روش، از ذرات یدید نقره به عنوان هسته هایى لازم براى تشکیل یخ از بخار آبى استفاده شد که پس از صعود به بالاترین و سردترین محدوده هاى ارتفاعى توفان عملاً مادون سرد (Supercooled) شده بود.

اگر همه چیز طبق پیش بینى هاى رویاپردازانه مبتکران آن طرح پیش رفته بود، ابرها سریع تر رشد مى کردند و موجودى هواى گرم و مرطوب نزدیک سطح اقیانوس را به مصرف مى رساندند و در نتیجه جایگزین EyeWall قبلى مى شدند.

این فرایند در ادامه باعث افزایش شعاع عملکرد توفان و در نتیجه کاهش شدت آن مى شد، درست همان طورى که یک اسکیت باز خبره براى کاستن از سرعت دوران خود دستانش را به طرفین باز مى کند.نتایج تحقیقات Project Stormfury در بهترین حالت مبهم و دو پهلو بودند.

هواشناسان امروزى انتظار ندارند که این کاربرد ویژه بارورسازى ابرها در مورد توفان ها مؤثر باشد، زیرا برخلاف تصورات اولیه، توفان ها حاوى بخار آب مادون سرد نیستند.

آب و هواى مغشوش مطالعات جارى ما از دل یک کشف قدیمى بیرون آمد که من 30 سال پیش، زمانى که تازه از دانشگاه فارغ التحصیل شده بودم و به تحقیق پیرامون ابعاد مختلف وجودى تئورى آشوب (Chaos Theory) مشغول بودم، به آن پى برده بودم.

یک سیستم بى نظم (Chaotic System) سیستمى است که در نگاه اول به نظر مى رسد که رفتارى تصادفى داشته باشد، اما در واقع، همین سیستم تحت حاکمیت قوانینى قرار دارد.

چنین سیستمى به شرایط اولیه نیز بسیار حساس است، به گونه اى که ورودى هاى ظاهراً ناچیز و دلخواه قادرند تأثیرات شگرفى را بر روى آن داشته باشند که این امر نیز به نوبه خود نتایج پیش بینى ناپذیرى را در سریع ترین زمان ممکن در پى خواهد داشت.

در مورد توفان ها، بروز تغییرات کوچک در جنبه هایى از قبیل دماى اقیانوس، موقعیت مکانى جریان هاى شدید باد (که تنظیم کننده سرعت و جهت حرکت توفان ها هستند)، یا حتى شکل ابرهاى بارانى حاضر در سراسر حوزه دید مى تواند تأثیر عمیقى را بر مسیر حرکت و توان بالقوه یک توفان بر جاى نهد.

حساسیت شدید جو زمین به تغییرات کوچک و آمیختگى سریع خطاهاى کوچک با مدل هاى پیش بینى آب و هوا چیزى است که پیش بینى طولانى مدت (بیش از پنج روز پیش از وقوع توفان) را تا این حد مشکل ساخته است.

اما این حساسیت همچنین من را به تعجب وا مى دارد که چطور ممکن است ورودى ها یا تحریکات جزیى چنان تأثیرات عمیقى را بر توفان ها بر جاى نهند که بتوانند آنها را از مراکز جمعیتى ساحلى دور کرده یا لااقل از سرعت بادهاى همراه آنها بکاهند.

طى دهه گذشته، شبیه سازى کامپیوترى و فناورى هاى حساس به تغییرات بسیار جزیى به قدرى رشد کرده اند که ظاهراً قادر به تحقق بخشیدن رویاهاى دوره جوانى من در کنترل پدیده هاى آب و هوایى در مقیاس بزرگ خواهند بود.

هم اینک، من و همکارانم در مؤسسه «تحقیقات جوى و زیست محیطى» (AER) که یک شرکت مشاوره اى در زمینه تحقیقات و توسعه محسوب مى شود، با حمایت مالى «مؤسسه مفاهیم پیشرفته ناسا» (سازمان فضانوردى آمریکا) مشغول بهره بردارى از مدل هاى کامپیوترى توفان ها با هدف تشخیص انواع عملیاتى هستیم که ممکن است نهایتاً در جهان واقعى به مورد اجرا گذاشته شوند.

به ویژه، ما از فناورى پیش بینى وضعیت آب و هوا براى شبیه سازى رفتار توفان هاى قبلى و سپس آزمایش نتایج مداخلات متعدد از طریق مورد ملاحظه قرار دادن تغییرات در توفان هاى مدل سازى شده استفاده مى کنیم.

مدل سازى آب و هواى مغشوش حتى بهترین مدل هاى کامپیوترى پیش بینى وضعیت آب و هوا در روزگار فعلى وقتى پاى پیش بینى به میان مى آید بسیارى چیزها را در حد رویا باقى مى گذارند، اما با توسل جستن به آنها مى توان مدل سازى توفان ها را ساده تر کرد.

مدل هاى کامپیوترى یاد شده به روش هاى عددى اى بستگى دارند که فرایند پیچیده گسترش یک توفان را با به محاسبه درآوردن شرایط برآورده شده جوى در فواصل زمانى کوتاه و پى در پى شبیه سازى مى کنند.

محاسبات عددى پیش بینى وضعیت آب و هوا بر این فرض اولیه استوارند که در جو زمین هیچ آفرینش یا انهدام جرم، انرژى، مومنتوم (اندازه حرکت) و رطوبتى میسر نخواهد بود [اصل بقاى جرم، انرژى و .

.

].

در یک سیستم سیال، نظیر یک توفان، این کمیت هاى تغییرناپذیر دوشادوش جریان توفان جابه جا مى شوند.

با این حال، نزدیک مرزها یا حواشى سیستم، بر پیچیدگى مسائل افزوده مى شود.

به عنوان مثال، در سطح دریا، شبیه سازى هاى ما باید بتوانند پاسخگوى به دست آوردن یا از دست دادن چهار کمیت تغییرناپذیر اصلى باشند.

مدل سازان وضعیت جوى را به عنوان یک ویژگى کامل متغیرهاى فیزیکى قابل اندازه گیرى، از جمله فشار، دما، رطوبت نسبى، و سرعت و جهت باد، تعریف مى کنند.

این کمیت ها معادل خواص فیزیکى تغییرناپذیرى هستند که شبیه سازى هاى کامپیوترى بر آنها استوارند.

در بیشتر مدل هاى آب و هوایى، این متغیرهاى رویت پذیر بر روى یک نمودار میله اى سه بعدى از اتمسفر به تصویر کشیده مى شوند، بنابراین مى توان نقشه اى از هر ویژگى را براى هر ارتفاع معینى رسم کرد.

مدل سازان به هیچ وجه مجموعه مقادیر همه این متغیرها را نقاط میله اى کیفیت مدل نمى نامند.براى انجام یک پیش بینى مناسب، یک مدل عددى پیش بینى وضعیت آب و هوا پى درپى کیفیت مدل را لحظه به لحظه در فواصل زمانى کوتاه (از چند ثانیه تا چند دقیقه بسته به مقیاس طرح مورد بررسى توسط مدل) بهبود مى بخشد.

مدل عددى یاد شده میزان تأثیرات به وجود آمده را که حین هر فاصله زمانى معین در مقادیر خواص متعدد جوى و نیز فرایندهاى تبخیر، بارش، سایش سطحى، سرمایش مادون قرمز و گرمایش خورشیدى که در ناحیه مورد نظر اتفاق مى افتد، محاسبه مى کند.

خاصیت پیش بینى متأسفانه پیش بینى هاى هواشناسانه ناقص و اعتمادناپذیر هستند.

در وهله اول، کیفیت آغازین مدل ها همواره ناقص و غیردقیق است.

کیفیت اولیه مدل ها براى توفان ها نیز داراى نواقصى بوده و خصوصاً تعریف شان مشکل است، زیرا مشاهدات مستقیم بسیار معدود بوده و انجام شان نیز مشکل است.

با این حال ما از مشاهده تصاویر ماهواره اى ابرها به این نتیجه مى رسیم که توفان ها داراى ساختارهاى پیچیده و تودرتویى هستند.

اگرچه این تصاویر بالقوه بسیار سودمند خواهند بود، اما ما نیازمند آگاهى یافتن از مسائلى بسیار بیشتر و پیچیده تر از این هستیم.

ثانیاً حتى با کیفیت کامل اولیه، مدل هاى کامپیوترى توفان هاى گرمسیرى بزرگ به خودى خود مستعد بروز اشتباه هستند.

به عنوان مثال اتمسفر فقط در یک میله از نقاط مدل سازى مى شود.

وجوهى کوچکتر از طول میله که همانا مسافت بین دو نقطه میله اى مجاور را تشکیل مى دهد، به طور دقیق قابل لمس نخواهند بود.

بدون یک عزم بسیار جدى، ساختار یک توفان در مجاورت Eye Wall مهمترین وجه آن پوشیده باقى مانده و جزئیات آن نیز نامعلوم باقى خواهد ماند.

به علاوه، این مدل ها، درست شبیه اتمسفرى که شبیه سازى مى کنند، طبق یک الگوى بى نظم رفتار مى کنند و اشتباهات برآمده از هر دوى این منابع خطا به موازات اقدام براى انجام محاسبات پیش بینى وضع هوا سریعاً فزونى مى یابند.به رغم محدودیت هایش، این فناورى هنوز براى اهداف ما اجتناب ناپذیر جلوه مى کند.

ما براى پیگیرى تجربیات مان اقدام به طرح ریزى یک سیستم بسیار کارآمد اولیه پیش بینى آب و هوا به نام «شبیه سازى چهاربعدى داده هاى تغییرپذیر» 4 DVAR کرده ایم.

بعد چهارمى که در این روش به آن استناد شده «زمان» است.

محققان «مرکز پیش بینى هاى آب و هوایى متوسط اروپا» یکى از مهمترین مراکز هواشناسى جهان از این تکنیک پیشرفته براى پیش بینى وضع آب و هواى هر روز اروپا استفاده مى کنند.

براى تحقق بخشیدن به هدف متعالى استفاده بهینه از همه مشاهدات جمع آورى شده توسط ماهواره ها، کشتى ها، راهنماهاى شناور و حسگرهاى هوابرد پیش از آنکه عملیات پیش بینى آغاز شود4، DVAR این اندازه گیرى ها را با یک حدس اولیه قابل قبول از کیفیت اولیه اتمسفر طى فرآیندى به نام یکسان سازى داده ها ترکیب مى کند.

این حدس اولیه معمولاً یک پیش بینى 6 ساعته است که در هنگام مشاهدات اصلى معتبر خواهد بود.

توجه داشته باشید که4 DVAR براى هر مشاهده اى دلیل موجهى اقامه مى کند، درست زمانى که از آن به جاى گروه بندى آن مشاهدات در طول یک بازه زمانى چندساعته استفاده مى شود.

نتیجه ترکیب کردن داده هاى حاصل از مشاهده و حدس اولیه سپس براى گام برداشتن در مسیر پیش بینى 6ساعته بعدى مورد استفاده قرار مى گیرد.