Orkanen onder controle

Diverse lezingen over het weer.
Plaats reactie
Gebruikersavatar
dvdijk
Senior Member
Senior Member
Berichten: 424
Lid geworden op: 31 okt 2004 16:24

Orkanen onder controle

Bericht door dvdijk » 01 dec 2004 16:08

Hier volgt het eerste deel van een artikel uit EOS van november 2004. Auteur is Ross Hoffman, hoofdwetenschapper en vice-voorzitter Onderzoek en Ontwikkeling Atmospheric and Environmental Research (AER).

ORKANEN ONDER CONTROLE

Elk jaar weer jagen enorme, rond hun as draaiende stormen over de tropische zeeën in de richting van het vasteland. Daar verwoesten ze, met windsnelheden van meer dan 120 kilometer per uur vaak grote stroken land. Als deze wervelstormen – in de Atlantische oceaan en het oostelijke deel van de Stille Oceaan worden ze orkanen genoemd, in het westelijke deel van de Stille Oceaan tyfoons en in de Indische Oceaan cyclonen – dichtbevolkte gebieden bereiken, kunnen ze duizenden slachtoffers maken en miljarden euro’s schade veroorzaken. Niets, maar dan ook niets, houdt ze tegen.

Vraag is of deze brute natuurkrachten voor altijd oncontroleerbaar zullen blijven? Mijn collega's en ik denken van niet. Om orkanen te beheersen, zullen onderzoekers de richting van een storm uiterst precies moeten voorspellen, de fysische veranderingen die zijn gedrag kunnen beïnvloeden (zoals schommelingen in luchttemperatuur) identificeren en middelen vinden om deze veranderingen uit te lokken. Dit onderzoek staat nog in de kinderschoenen, maar succesvolle computersimulaties van orkanen suggereren wel degelijk dat ingrijpen ooit mogelijk moet zijn. Meer zelfs, het blijkt dat wat het weer voorspellen zo moeilijk maakt - de extreme gevoeligheid van de atmosfeer voor kleine stimuli - wel eens de sleutel tot controle kan betekenen. Onze eerste poging om door kleine veranderingen bij het ontstaan van de storm de richting van een gesimuleerde orkaan te beïnvloeden, slaagde wonderwel. Ook de resultaten nadien waren veelbelovend.

DROMEN VAN BEHEERSEN

Om te begrijpen hoe de mens orkanen en andere tropische stormen kan beheersen, moeten we naar hun oorsprong en aard kijken. Orkanen ontstaan boven tropische oceanen als clusters van onweersbuien. Op geringe geografische breedtes gelegen zeeën voorzien de atmosfeer permanent van warmte en vocht, waardoor boven het zeeoppervlak een laag hete, vochtige lucht wordt gevormd. Wanneer deze lucht stijgt, condenseert de waterdamp erin, tot zich wolken en neerslag ontwikkelen. De condensatie geeft warmte af, de zonnehitte die nodig was om het water aan het zeeoppervlak te verdampen. Deze zogenaamde latente condensatiewarmte verleent de lucht een opwaarts drukkende kracht, waardoor die, in een zichzelf versterkend proces van terugstromen, steeds hoger stijgt. Ten slotte vormt zich een groeiende tropische depressie. Het bekende oog ontstaat, een rustig middelpunt waarrond de orkaan draait. Aan land gekomen wordt de orkaan van zijn voedingsbron (het warme zeewater) afgesneden, waardoor de storm snel in kracht afneemt.
Omdat een orkaan veel energie put uit warmte die vrijkomt wanneer waterdamp boven de oceaan tot wolen en regen condenseert, dachten wetenschappers er vroeger aan het condensatieproces te wijzigen door de wolken te "beschieten". Dat was inderdaad lang de enige praktische manier om het weer te beïnvloeden. In de vroege jaren zestig voerde de door de Amerikaanse regering gesteunde wetenschappelijke adviesgroep Project Stormfury een reeks stoutmoedige (of onbezonnen) experimenten uit om die aanpak te checken.
Project Stormfury trachtte de ontwikkeling van een orkaan tegen te houden door in de eerste regenstrook buiten de zogenaamde wolkenmuur - of "eye wall", de ring wolken en hoge winden die rond het oog cirkelen - de neerslag te vermeerderen. Ze wilden dit doen door de wolken met zilverjodidekristallen te beschieten. De resultaten van Stormfury waren in het beste geval ambigu te noemen. Vandaag beschouwen meteorologen de strooitechnieken als weinig efficiënt omdat, in tegenstelling tot wat vroeger werd verondersteld, de stormen weinig onderkoelde waterdamp blijken te bevatten.

CHAOTISCH WEER

Onze huidige studies gaan terug op een intuïtief gevoel over chaostheorie dat ik dertig jaar geleden als postdoctoraal student al had. Een chaotische systeem lijkt zich willekeurig te gedragen, maar wordt wel degelijk door regels gestuurd. Het is ook zeer gevoelig voor zijn begintoestand, zodat ogenschijnlijk banale, abitraire inputs belangrijke effecten kunnen hebben, effecten die snel tot onvoorspelbare gevolgen leiden. In het geval van orkanen kunnen kleine veranderingen in bijvoorbeeld de oceaantemperatuur, de lokatie van grote windstromingen (die de beweging van een storm bepalen) of zelfs de vorm van de regenwolken die rond het oog draaien, de richting en de kracht van een orkaan beïnvloeden.

De grote gevoeligheid van de atmosfeer voor kleine invloeden - en de snelle opeenstapeling van kleine fouten in weermodellen - maakt weersvoorspellingen voor langere periodes (meer dan vijf dagen op voorhand) zo moeilijk. Ik vroeg me af of kleine, bedoelde ingrepen in een orkaan krachtige effecten konden teweegbrengen en zo de stormen konden beïnvloeden, bijvoorbeeld door ze van bevolkte gebieden weg te houden of door hun windsnelheid te verminderen.

Ik kon die ideeën toen niet verder uitwerken, maar in het voorbije decennium hebben computersimulaties en nieuwe technologieën voor afstandswaarneming mijn aandacht voor weerbeheersing op grote schaal nieuw leven ingeblazen. Met steun van het NASA Institute for Advanced Concepts gebruiken mijn collega's en ik bij Atmospheric and Environmental Research (AER) gedetaillerde computermodellen van orkanen, op zoek naar acties die we eventueel in de werkelijke wereld kunnen toepassen. Meer bepaald gebruiken we weersvoorspellingstechnologie om het gedrag van vroegere orkanen te simulerenen daarna de effecten van diverse interventies te testen.

WE MOETEN CHAOS EEN VORM GEVEN

Zelfs de beste computermodellen van vandaag laten, als het op voorspellen aankomt, veel te wensen over, maar om grote stormen te modelleren zijn ze met enige inspanning wel geschikt. De modellen hangen af van rekenkundige methodes die het complexe ontwikkelingsproces van een storm simuleren door de atmosferische voorwaarden korte, opeenvolgende tijdsperiodes te schatten. Dit soort numerieke berekeningen van weersvoorspellingen gaat ervan uit dat in de atmosfeer massa, energie, impuls en vochtigheid gecreëerd noch vernietigd kunnen worden. In een veranderlijk systeem zoals een orkaan worden deze behouden grootheden met de stroom van de storm meegedragen. In de buurt van de grenzen of de uiteinden van het systeem wordt het ingewikkelder. Aan het zeeoppervlak bijvoorbeeld, houden onze simulaties rekening met het feit dat de atmosfeer de vier behouden grootheden kan winnen of verliezen.
Modelmakers definiëren de toestand van de atmosfeer als een volledige weergave van alle meetbare natuurkundige variabelen, waaronder ook luchtdruk, temperatuur, relatieve vochtigheid en windsnelheid en -richting. Deze grootheden corresponderen met de behouden natuurkundige eigenschappen waarmee de computersimulaties aan de slag gaan. In de meeste weermodellen zijn deze waarneembare variabelen aangebracht op een driedimensionaal rooster dat de atmosfeer voorstelt. Zo kan voor elke eigenschap of elke hoogte een grafische voorstelling worden gemaakt. De verzameling waarden van alle variabelen op alle punten in het rooster wordt door de modelmakers de modelstaat genoemd.

Om een voorspelling te doen zal een numeriek voorspellingsmodel deze modelstaat herhaaldelijk een kleine tijdsinterval (afhankelijk van de schaal een paar seconden tot een paar minuten) vooruitschuiven. Het berekent tijdens elk interval de effecten van de winden die de verschillende atmosferische eigenschappen met zich mee dragen , en van de diverse processen (verdamping, regenval, oppervlaktewrijving, infraroodkoeling en zonnehitte) die in het bestudeerde gebied plaatsvinden.

Spijtig genoeg zijn meteorologische voorspellingen niet perfect. In de eerste plaats is de initiële modelstaat altijd onvolledig en niet exact. Begintoestanden van orkanen zijn extra moeilijk te bepalen doordat directe waarnemingen schaars en moeilijk zijn. Toch weten we van satellietbeelden van wolken dat orkanen uit complexe en gedetailleerde structuren bestaan. Ofschoon deze wolkenbeelden op zich bruikbaar zijn, hebben we meer informatie nodig. Ten tweede zijn de computermodellen van zware tropische stormen zelf aan fouten onderhevig, zelfs al hebben we de begintoestand perfect ingeschat. Zo is de atmosfeer alleen op een puntenrooster gemodelleerd. Eigenschappen die kleiner zijn dan de afstand tussen twee naburige roosterpunten, kunnen we niet als correct beschouwen. Zonder zeer hoge resolutie wordt de structuur van een orkaan nabij de wolkenmuur - het belangrijkste onderdeel - vlakker en zijn de details onduidelijk. Daarbij komt dat de modellen, net als de atmosfeer die ze simuleren, zich chaotisch gedragen en dat onnauwkeurighedendie het gevolg zijn van deze beide oorzaken zeer sterk toenemen naarmate de berekening vordert.

Nochtans is deze technologie voor ons onderzoek waardevol. Voor onze experimenten gebruikten we de vierdimensionale variationele data-assimilatie (4DVAR of four-dimensional variational data assimilation), voor weerweersvoorspellingen een efficiënt initialisatiesysteem. De vierde dimensie waarnaar de titel verwijst, is tijd. Onderzoekers van het Europese Centrum voor Weersverwachtingen op Middellange Termijn (ECMWF), een van de belangrijkste meteorologische centra ter wereld, voorspellen met deze gesofistikeerde techniek dagelijks het weer. Voor de eigenlijke voorspelling begint, worden alle waarnemingen verzameld door satellieten, schepen, boeien en sensoren in de lucht. Om deze meetgegevens zo efficiënt mogelijk te gebruiken, combineert 4DVAR ze met een doordachte eerste schatting van de atmosferische begintoestand. Dit proces wordt data-assimilatie genoemd. De eerste gissing is meestal een voorspelling voor zes uur, terekenen vanaf het tijdstip van de oorspronkelijke waarneming. Merk op dat 4DVAR rekening houdt met elke waarneming op het moment zelf, en ze niet groepeert in een tijdsinterval van meerdere uren. Het resultaat van de samenvoeging van waarnemingsgegevens met de eerste gissingwordt vervolgens gebruikt om de volgende zes urenvoorspelling in gang te zetten.

In theorie zorgt data-assimilatie voor een perfecte benadering van het weer, waarbij de mate waarin het model met de waarnemingen klopt, correspondeert met de mate waarin het met de eerste schatting overeenkomt. Ofschoon de statistische theorie over dit probleem duidelijk is, blijven de veronderstellingen en de informatie die voor de toepassing ervan nodig zijn, enkel benaderend. Als gevolg hiervan is praktische data-assimilatie deels wetenschap, deels kunst.

4DVAR gaat op zoek naar de atmosferische toestand die voldoet aan de correcties aan het model en die zowel dicht bij de eerste gissing als bij de werkelijke waarnemingen ligt. Het doet dat door de modelstaat terug naar de begintoestand bij de start van het zes-uren-interval te corrigeren, rekening houdend met het verschil tussen de waarnemingen en de modelsimulatie tijdens die periode. 4DVAR gebruikt deze verschillen eigenlijk om de gevoeligheid van het model te berekenen: hoe beïnvloeden kleine wijzigingen in elk van de parameters de mate waarin de simulatie met de waarnemingen overeenkomt? Deze berekening, die gebruik maakt van het zogenaamde aangrenzende model, loopt zes uur, de duur van het interval, terug in de tijd. Een optimaliseringsprogramma bepaalt vervolgens hoe de modelstaat het best wordt gecorrigeerd, om ten slotte te komen tot een simulatie die het dichtst de voortgang van de orkaan benadert. Omdat deze harmonisering afhankelijk is van een benadering van de correcties aan het model, moet het hele proces (simulatie, vergelijking, aangrenzend model en optimalisatie) om tot steeds juistere resultaten te komen voortdurend worden herhaald. Zodra het proces is beeïndigd, levert de simulatie op het einde van de periode van zes uur de eerste gissing voor het volgende interval.

Nadat we een orkaan uit het verleden hebben gesimuleerd, kunnen we een of meer eigenschappen ervan op eender welk tijdstip veranderen en vervolgens de effecten van deze verstoringen bestuderen. Het blijkt dat de meeste van deze ingrepen gewoon uitdoven. Alleen interventies met speciale eigenschappen - een bijzonder patroon of een structuur die zichzelf versterkt - zullen zich voldoende ontwikkelen om een storm enigszins te beïnvloeden. Om hiervan een ideen te krijgen moet u zich 2 stemvorken voorstellen, waarvan de ene vibreert, de andere niet. Als de vorken voor verschillende frequenties zijn gestemd, dan blijft de tweede vork bewegingloos, ook al wordt die herhaaldelijk door de geluidsgolven van de eerste bestookt. Maar als de twee voorwerpen dezelfde frequentie delen, dan zal ook de tweede vork of de resonantie reageren en gaan vibreren. Op een gelijkaardige manier moeten we de juiste stimuli - veranderingen in de orkaan - vinden, die een gewenste respons losweken.

Bron: EOS-magazine, november 2004
Auteur: Ross Hoffman
Vertaling: Raf Scheers
Extreme Weather - Thunderstorms ! Devastating and Loud, Windy and Frightening but......always Exciting!

Gebruikersavatar
dvdijk
Senior Member
Senior Member
Berichten: 424
Lid geworden op: 31 okt 2004 16:24

DE STORM KALMEREN, deel 2

Bericht door dvdijk » 05 dec 2004 16:11

DEEL 2

DE STORM KALMEREN

Om de ontvankelijkheid van de atmosfeer voor deze veranderingen te testen, voerde onze onderzoeksgroep van het AER voor twee orkanen uit 1992 experimentele computersimulaties uit. In september 1992 raasde de orkaan Iniki over het Hawaïaanse eiland Kauai. Er vielen verscheidene doden, de materiële schade was enorm en hele bossen werden platgegooid. Een maand eerder sloeg Andrew verwoestend toe in Florida.

Rekening houdend met de onvolkomenheden van de huidige voorspellingstechnieken bleek onze eerste simulatie verrassend goed te lukken. Om de route van Iniki te veranderen, bepaalden we eerst waar we de storm na zes uur wilden krijgen, ongeveer 95 kilometer ten westen van het verwachte pad. Dit target hadden we nodig om kunstmatige waarnemingen te creëren, die we vervolgens in 4DVAR inbrachten. De computer berekende de kleinste verandering in de initiële eigenschappen van de orkaan, die letterlijk een weg naar het doel zouden opleveren. In het beginstadium lieten we elke mogelijke artificiële wijziging van de storm toe.

De meest opvallende veranderingen betroffen starttemperaturen en -winden. De meeste temperatuurcorrecties in het rooster waren slechts tienden van een graad groot, maar in de onderste laag ten westen van het centrum van de storm, noteerden we een opmerkelijke verandering: een toename van bijna twee graden Celsius. De berekeningen gaven wijzigingen in windsnelheden van drie tot vijf kilometer per uur. Op sommige plaatsen veranderde de snelheid maar liefst 32 kilometer per uur. Dat was te wijten aan kleine heroriëntaties van de winden in het centrum van de storm.

Ofschoon de originele en de aangepaste versies van de orkaan Iniki een bijna identieke structuur hadden, waren de veranderingen in de hoofdvariabelen groot genoeg om de tweede versie in de eerste zes uur van de simulatie meer naar het westen te verplaatsen. Daarna reisde de orkaan naar het noorden, zodat virtueel Kauai aan de meest verwoestende winden ontsnapte. De relatief kleine ingrepen aan de startpositie van de storm hadden zich voortgeplant doorheen de complexe reeks non-lineaire vergelijkingen die de storm in de simulatie na zes uur een nieuwe bestemming gaf. Dit gaf ons vertrouwen dat we op het juiste spoor zaten om echte orkanen te kunnen beïnvloeden. Voor de volgende simulaties gebruikten we hogere resoluties om de orkaan te modelleren en 4DVAR ertoe aan te zetten de schade te minimaliseren.

In een van de experimenten berekenden we de temperatuurstijging die nodig was om de schade die orkaan Andrew bij het bereiken van de kust van Florida veroorzaakte, binnen de perken te houden. We wilden de wijziging van de begintemperatuur zo klein mogelijk houden (om alles in het werkelijke leven zo goed mogelijk realiseerbaar te houden) en vooral de meest destructieve winden tijdens de laatste twee uur van het zes-uren-interval afremmen. In deze oefening bewees 4DVAR dat de beste manier om windschade te beperken erin bestond de grootste veranderingen door te voeren aan de begintemperatuur in de buurt van het oog van de storm. Deze simulatie voerden op enkele plaatsen kleine wijzigingen door van twee of drie graden Celsius. Kleinere temperatuurverschillen (minder dan een halve graad Celsius) reikten tot 960 kilometer van het oog vandaan. Deze verstoringen vertonen een golvend patroon van alternerende cycli van verwarming en afkoeling in het midden van de orkaan. Ofschoon enkel de begintemperatuur was gewijzigd, werden andere variabelen snel beïnvloed. In het geval van de oorspronkelijke simulatie bereikten winden (meer dan 90 kilometer per uur) de dichtbevolkte gebieden in Zuid-Florida. In het aangepaste model gebeurde dat niet. Om de waarde van de resultaten te testen voerden we dezelfde wijziging door in een meer gesofistikeerder, hogere resolutie-versie van het model. De resultaten waren gelijkaardig, wat aantoont dat onze experimenten voor onze bijzondere modelconfiguratie tamelijk ongevoelig zijn. Na zes uur verschenen de verwoestende winden in onze aangepaste simulatie echter opnieuw, zodat om Zuid-Florida rustig te houden nieuwe interventies nodig zouden geweest zijn. Het lijkt er inderdaad op dat, om en orkaan voor langere tijd te beheersen, een serie geplande verstoringen nodig is.

WIE KAN DE REGEN TEGENHOUDEN?

Als het klopt dat kleine wijzigingen in de temperatuur in en rond een orkaan die in een bepaalde richting kunnen sturen, of de windsterkte kunnen doen afnemen, dan wordt de hamvraag: hoe kunnen we dat bereiken? Natuurlijk kan niemand de temperatuur van zoiets groots als een orkaan van het ene moment op het andere veranderen. Wel kan het mogelijk zijn de lucht rond een orkaan te verwarmen en zo de temperatuur over een langere periode te beïnvloeden.

Ons team wil experimenten uitvoeren waarin we het precieze patroon en de sterkte van de hitte kunnen berekenen, hitte die nodig is om de intensiteit of de route van een orkaan te wijzigen. Er zouden ongetwijfeld enorme hoeveelheden energie nodig zijn, maar een serie rond de aarde draaiende krachtcentrales zou daarvoor kunnen zorgen. Deze satellieten zouden reuzenspiegels kunnen gebruiken om zonlicht op zonnecellen te richten en vervolgens de verzamelde energie microgolfontvangers op aarde te sturen. Huidige ontwerpen van zonne-energiestations in de ruimte voorzien voor de uitstraling van microgolven frequenties die de atmosfeer niet opwarmen, zodat geen energie verloren gaat. Als de microgolf op lagere frequenties uitzendt, frequenties die beter door waterdamp worden geabsorbeerd, dan zouden diverse niveaus in de atmosfeer kunnen worden verwarmd. Doordat regendruppels microgolven goed absorberen, blijven delen van de orkaan binnen en onder regenwolken beschermd, en kunnen dus niet worden opgewarmd.

Tijdens onze eerdere experimenten berekende 4DVAR grote temperatuurverschillen op die plaatsen waar verwarming door microgolven niet mogelijk was. We zetten dus een experiment op waarin we de temperatuur in het centrum van de orkaan gedurende onze berekening van de optimale verandering dwongen constant te blijven. De eindresultaten leken op de oorspronkelijke, maar om het ontbreken van initiële temperatuurveranderingen in het centrum te compenseren moesten de overige temperatuurwijzigingen groter zijn. Met name de veranderingen in de buurt van het centrum van de storm ontwikkelden zich in de simulatie snel.

Een andere methode om zware tropische stormen te beïnvloeden bestaat erin de voorraad energie te beperken door het oceaanoppervlak te bedekken met bioafbreekbare olie die de verdamping vertraagt. Nog een andere mogelijkheid is het doorvoeren van graduele veranderingen enkele dagen voor de orkaan aankomt, duizenden kilometers van zijn eventuele doel vandaan. Door de luchtdruk aan te passen zouden we veranderingen in grootschalige windpatronen (op het niveau van de straalstroom) kunnen teweegbrengen, die een groot effect hebben op de intensiteit en de route van een wervelstorm. Verder is het mogelijk dat relatief kleine veranderingen in gewone activiteiten voor de juiste aanzet zorgen. Voorbeelden zij het precies aanbrengen van condensatiestrepen door vliegtuigen om extra bewolking te creëren of het variëren van de irrigatie van gewassen zodat verdamping af- of toeneemt.

WAT ALS HET LUKT?

Als in de toekomst meteorologische controle mogelijk wordt, dan duiken onvermijdelijk politieke problemen op. Wat gebeurt bijvoorbeeld als door een interventie een orkaan naar een ander land wordt gestuurd? Ofschoon het gebruik van weersveranderingen als wapen op het einde van de jaren zeventig door de Verenigde Naties verboden werd, zullen sommige landen zich misschien wel laten verleiden.

Alvorens ons hierover zorgen te maken, zullen we onze methodes op andere atmosferische fenomenen dan orkanen moeten testen. Meer bepaald denken we aan het laten toenemen van neerslag. Dit kan dienen als een testcase waarbij we een relatief klein gebied intens met sensoren in kaart brengen. Op zo'n kleine schaal kunnen we veranderingen induceren via vliegtuigen of vanaf de grond. Als onze kennis van wolkenfysica, computersimulatie van wolken en data-assimilatietechnieken snel blijft groeien, dan zijn deze bescheiden pogingen binnen tien tot twintig jaar mogelijk. Zijn ze succesvol, dan is het volgende, haalbare doel grootschalige weercontrole door verhitting vanuit de ruimte. Als de meeste landen het daarmee eens zijn, natuurlijk.


Bron: EOS-magazine, november 2004
Auteur: Ross Hoffman
Vertaling: Raf Scheers
Extreme Weather - Thunderstorms ! Devastating and Loud, Windy and Frightening but......always Exciting!

Plaats reactie