ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2010, № 1, с. 52-68
ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРНЫХ КАТАСТРОФ
© 2010 г. Е. А. Шарков
Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН, Москва
E-mail: e.sharkov@mail.ru
Генерация и эволюция атмосферных катастроф — тропических циклонов — представляет для человечества очень серьезную и пока неразрешенную проблему. В настоящей работе представлен критический анализ существующих физических гипотез и теоретических подходов, на основе которых формулируется целый ряд космических программ по исследованию физических условий генезиса и эволюции тропических циклонов. Отмечены наиболее значимые этапы истории развития научных взглядов и представлений о тропических циклонах, которые нашли свое отражение на страницах журнала "Исследование Земли из космоса". Проанализированы значение и роль дистанционного (оптического, ИК- и микроволнового) зондирования в эволюции научных взглядов. Подчеркивается принципиальный вклад, который внесли в современное научное понимание проблемы российские исследователи и, в первую очередь, специалисты Института космических исследований РАН, а также российские разработчики космических миссий и дистанционной аппаратуры в формировании современного научного облика микроволнового дистанционного зондирования (ДЗ) "возбужденной" атмосферы.
Ключевые слова: тропические циклоны, дистанционное зондирование, термическая и кинематическая гипотезы, локальный и множественный циклогенезы, ионосфера, солнечная активность, поверхностная температура океана, оптические, ИК- и микроволновые системы.
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что тропическая зона глобальной системы океан—атмосфера играет ключевую роль в динамике и эволюции синоптических и климатических метеорологических процессов на Земле. При этом система океан— атмосфера тропической зоны Земли обладает совершенно уникальным свойством генерации достаточно организованных и устойчивых мезомас-штабных вихревых структур — тропических циклонов (ТЦ) — из атмосферного турбулентного хаоса в системе глобальной циркуляции. Внимание к исследованию таких систем объясняется целым рядом обстоятельств. В первую очередь эти атмосферные процессы представляют собой непосредственную физическую опасность для человека и сопровождаются значительным материальным ущербом, а также возникающими при этом административно-хозяйственными проблемами (Riehl, 1979; Pielke, Pielke, 1997). И даже, в ряде случаев, инициируют политико-государственные преобразования. В течение значительного времени человеческое сообщество рассматривало ТЦ как наиболее деструктивные элементы системы океан—атмосфера, вызывающие значительные материальные потери и человеческие жертвы. Были предприняты серьезные усилия (в первую очередь в США и, отметим, совершенно безрезультатно) с тем, чтобы подавить теми
или иными техническими средствами этот вид активности системы океан—атмосфера. Не прекращаются эти попытки со стороны целого ряда административных (государственных) структур и по настоящее время.
В течение длительного времени процесс генерации этих вихревых систем в земной атмосфере рассматривался как чисто метеорологический феномен при рассмотрении его на базе стандартных метеорологических подходов (Шулейкин, 1978; Riel, 1979; Тараканов, 1980; Хаин, Сутырин, 1983; Bryant, 1993). И только начиная с 1983 г., после серии работ, выполненных под руководством академика Р.З. Сагдеева и профессора С.С. Моисеева (Моисеев и др., 1983а, б), стало понятно, что серьезный прогресс при изучении таких сложных систем может быть получен только при использовании новых физических подходов как в теоретическом, так и экспериментальном плане. Так, с точки зрения прогностического анализа таких сложных комплексов, в первую очередь необходимо достаточно ясное понимание пространственно-временной картины этого глобального явления как множественного процесса, и особенно это относится к поиску и выявлению возможных детерминированных компонент как в глобальном, так и региональном масштабах, что объясняется целым рядом обстоятельств как научного, так практического плана.
Более того, последние исследования с использованием данных космического ДЗ и последних достижений теории сложных систем указывают на принципиально иной взгляд на тропический циклогенез — мы с большой долей вероятности можем говорить об определяющей роли ТЦ в формировании глобального массо- и энергообмена в глобальной системе океан—атмосфера и установлении благоприятного для биологической жизни (в том числе и для человеческого сообщества) на Земле парникового эффекта (Кондратьев, 1992). Таким образом, глобальный тропический циклогенез, скорее всего, является необходимым и, возможно, определяющим фактором в экологическом равновесии (понимаемом в широком смысле) как в геофизической системе океан—атмосфера, так и в экосистемах Земли. Катастрофические атмосферные вихри представляют собой своеобразный механизм эффективного сброса избыточного тепла в атмосфере в условиях, когда действие обычных механизмов, основными из которых являются турбулентная конвекция и глобальная циркуляция, становится явно недостаточным. Таким образом, катастрофические явления играют важную (и, как это ни парадоксально звучит, полезную для человечества) роль при установлении климатического температурного режима Земли (парниковый эффект), отводя излишнее тепло и способствуя предотвращению чрезмерного перегрева планеты в тропической зоне.
С другой стороны, важнейшим вопросом при первоначальном циклогенезе и интенсификации различных форм ТЦ является выявление малоинерционного источника энергии, за счет которого чрезвычайно быстро (в течение нескольких часов на акватории с площадью порядка 40—100 тыс. км2) происходят интенсификация и формирование зрелых форм ТЦ. Точка зрения на то, что этим источником может быть только акватория океана с высокой поверхностной температурой, имеет длительную историю и множество приверженцев (Минина, 1970; Шулейкин, 1978; Ап^, 1982; Хаин, Сутырин, 1983; Хаин, 1984). Однако за последнее время появились явные признаки неудовлетворительности такой точкой зрения, например, в связи с катастрофически быстрой интенсификацией ТЦ КаМпа с последующим ударом по прибрежным районам США. Аналогичная ситуация произошла совсем недавно при катастрофическом воздействии ТЦ Могако! (август 2009 г.) на территорию о. Тайвань (рисунок). В первом случае специальные службы по чрезвычайным ситуациям США оказались не способны зарегистрировать сколько-нибудь заблаговременно процесс интенсификации ТЦ К^ппа, поскольку были ориентированы на стандартные процедуры, направленные на поиск термодинамических особенностей акваторий (т.н. модель "теплой" воды), над которыми проходит ТЦ. Во втором слу-
чае специальные службы на о. Тайвань не сумели вовремя предпринять соответствующие меры чрезвычайного характера, хотя все необходимые прогностические данные они имели.
Впервые идеи о том, что исследования взаимодействия ТЦ с системой океан—атмосфера не могут ограничиваться тропосферой и должны базироваться на рассмотрении крупномасштабного кризисного состояния как глобального явления, затрагивающего различные геофизические среды, начиная с океанической поверхности и тропосферы и кончая озоносферой и ионосферой, были высказаны в 1996 г. сотрудниками Института космических исследований (ИКИ) РАН (Бале-банов и др., 1996; Ба1еЪапоу е! а1., 1996). Изучение кинематических, термодинамических и электродинамических связей между элементами системы "океан—тропосфера—верхняя атмосфера—ионосфера" в кризисных состояниях, несомненно, должно явиться важнейшей компонентой космических исследований, и в настоящее время предпринимаются попытки организации комплекс -ных исследований при помощи ракетного, радиолокационного ионосферного зондирования.
С другой стороны, в течение длительного времени, начиная с конца XIX в. по настоящее время, исследователями предпринимались неоднократные попытки установления связей между возникновением ТЦ и солнечной активностью, что казалось в то время совершенно очевидным. Однако они не привели к однозначно и физически наглядно интерпретируемым результатам. Причины такого положения связаны (как теперь становится ясно) с многомасштабностью и нелинейностью процесса взаимодействия солнечной активности и циклогенеза, а также использовавшимися недостаточно корректными математическими процедурами.
Первые систематические исследования тропического циклогенеза с использованием новых физических подходов были выполнены отечественными исследователями и впервые опубликованы в целом ряде научных публикаций в журнале "Исследование Земли из космоса" в соответствии с ранее поставленными научными задачами (Сидоренко, 1980).
Цель настоящей работы — представить краткий критический анализ существующих физических гипотез и теоретических подходов, на основе которых формулируется целый ряд космических программ по исследованию физических условий генезиса и эволюции атмосферных катастрофических явлений — ТЦ, отметить наиболее значительные этапы истории развития научных взглядов и представлений о ТЦ и рассмотреть значение и роль ДЗ в эволюции научных взглядов.
Изображение ТЦ Moracot в стадии его наибольшего развития (стадия тайфуна) в Южно-Китайском море над о. Тайвань по данным спектрорадиометра MODIS спутника Aqua (9 августа 2009 г. в 5:15 UTC).
РАННИЕ НАУЧНЫЕ ВЗГЛЯДЫ
История развития и эволюции человеческих знаний и воззрений об атмосферных катастрофах весьма драматична и поучительна, начиная от примитивного (и, разумеется, некорректного) сопоставления ТЦ с гидродинамической воронкой уходящей воды из ванны до построения сложной термогидродинамики сжимаемой жидкости.
По современным представлениям, тропический циклогенез стабильно функционировал в акватории Мирового океана в течение очень длительного времени (по крайней мере с последнего ледникового периода). Однако европейцы узнали о существовании таких необычных явлениях природы лишь по данным второй экспедиции Христофора Колумба в 1494 г. При этом считалось, что это явление есть не что иное, как обычный шторм, но
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.