Как ураганы заряжаются энергией Земли

Современное землеведение, изучающее систему геосфер, обнаруживает неполноту моделей тропических циклонов, которые используются для прогноза этого самого страшного стихийного явления. Необходимо учитывать, что ураганы и тайфуны получают значительную часть энергии от Земли благодаря передаче вращательного момента, а также поступлению в атмосферу тепла и влаги от источников глубинного водорода и донных гидротерм.

Загадка Лоренцо. Вместо введения

25 сентября 2019 года, на третий день после своего рождения у острова Зеленого Мыса, тропический циклон Лоренцо, двигаясь, как и все его предшественники, на запад, приобрел силу урагана (Рис. 1).

Рис. 1. Путь урагана Лоренцо с 23 сентября по 7 октября 2019 года

 

Вскоре его энергия стала убывать, глаз исчез. Данные, поступавшие каждые 6 часов от системы мониторинга, указывали на дальнейшее снижение активности. Однако 29 сентября неожиданно Лоренцо как бы обрел второе дыхание, повернув на север, он увеличил свою мощность до высшего уровня при давлении 925 гПа (Рис. 2).

Рис. 2. Ураган 5-й категории Лоренцо на пике своей активности (National Hurricane Center)

Лоренцо — единственный из 37 зарегистрированных с 1924 года ураганов 5-й категории, траектория которого отклоняется вправо уже в центре Атлантики (Рис. 3). В чем причина такого аномального поведения? Национальный центр ураганов США не дал ответа на этот вопрос.

Рис. 3. Движение ураганов 5-й категории в Северной Атлантике. Путь Лоренцо указан стрелкой

Случай Лоренцо уникален, но резкие изменения интенсивности и направления тропических циклонов время от времени наблюдаются. Объяснения им не найдено. Очевидно, что кроме повышенной температуры океана, пониженного давления атмосферы, высокого содержания в ней тепла и влаги, а также благоприятной стратификации масс воздуха и воды есть какие-то другие системообразующие факторы, которые до сих пор не принимаются во внимание при метеорологическом анализе и разработке моделей. Без выяснения их природы невозможно добиться значительного повышения точности долгосрочных прогнозов и тем самым сократить потери от самого опасного стихийного бедствия.

В решении проблемы динамики тропических циклонов свой вклад может внести современное землеведение, изучающее систему геосфер, объединенных наимощнейшей силой вращения планеты и массоэнергообменом. Величина глобального крутящего момента подвержена постоянным колебаниям, соответствующим переменам продолжительности суток. Отклонения от средних 86 400 секунд должны отражаться на энергии тропических циклонов благодаря передаче момента от океана к атмосфере, поскольку барическое образование при диаметре около 1000 км находится в контрастных условиях, когда линейная скорость точек на поверхности земного шара в южной части больше, чем в северной на 150 км/час. Теоретически ускоренное вращение Земли будет вести к усилению циклона с его циркуляцией против часовой стрелки (в Северном полушарии).

Рассмотрим особенности вращения Земли в течение жизненного цикла урагана Лоренцо (Рис. 4).

Рис. 4. Изменения продолжительности суток, точнее — отклонение продолжительности суток, Length of Day (LOD), при развитии урагана Лоренцо. Момент достижения максимальной силы отмечен стрелкой

Как видим, заполнение депрессии после 25 сентября было вызвано замедлением Земли, а последующее ускорение в сочетании с переходом на северное направление (при увеличении градиента линейной скорости движения подстилающей поверхности) стимулировало углубление циклона. Приведенный пример показывает зависимость момента критического порога в развитии ураганов 5-й категории от вращения Земли, в чем можно убедиться при анализе информации по всей группе.

Второй процесс, требующий выяснения роли в тропическом циклогенезе, — эмиссия водорода из недр, о чем писал еще 20 лет назад Владимир Леонидович Сывороткин в своей монографии «Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы» (2002). Предположение о влиянии выбросов водорода на атмосферные вихри через приток тепла и влаги поддается эмпирической проверке по материалам измерений общего содержания озона. В случае урагана Лоренцо существование тесной связи подтверждается выявлением крупной отрицательной аномалии, датируемой 28 сентября (Рис. 5).

Рис. 5. Общее содержание озона в атмосфере на пути движения урагана Лоренцо в точке с координатами 24°с. ш., 45° з. д., которая была пройдена 29 сентября 2019 г. (по данным OMI/OMPS Ozone Time Series Data)

Феномен разрушения озонового слоя объясняется тем, что в указанном месте акватории Атлантического океана 29 сентября в 3:50 UT произошло мелкофокусное землетрясение магнитудой mb 3,7 (координаты эпицентра: 23°16’ с. ш., 44° 53’ з. д.), которое сопровождалось выбросом водорода. Это событие было одним из многих, зафиксированных в данном районе Срединного Атлантического хребта, отличающимся высокой сейсмической активностью (Рис. 6). Здесь минимальные величины содержания озона в атмосфере, как правило, ниже, чем в окружающем пространстве на несколько единиц Добсона.

Рис. 6. Эпицентры землетрясений магнитудой ≥ 3 в районе Срединного Атлантического хребта на пути движения урагана Лоренцо. Период 2010–2022 гг. (источник: International Seismological Centre, Event catalogue)

Изучение необычного урагана Лоренцо позволяет идентифицировать еще один процесс, нуждающийся в специальном исследовании как фактор циркуляции атмосферы. Суть в том, что в сейсмоактивном районе, о котором шла речь выше, на глубине около 3500 м расположено поле мощных гидротермальных источников Снейк Пит (Snake Pit) с температурой растворов, превышающей 350° (Рис. 7). Плюмы горячей воды способны менять стратификацию в океане и таким образом усиливать циклоны.

Рис. 7. Черный курильщик из гидротермы Снейк Пит (координаты: 23° 22’ с. ш., 44°57’ з. д.)

Пример урагана Лоренцо ориентирует на поиск подобных зависимостей.

Неоцененная роль вращения Земли

Относительно всех ураганов Северной Атлантики с точностью до часов известно время перехода в высшую, пятую силовую категорию (когда скорость устойчивого ветра достигает 252 км/час в течение 1 мин.). Пользуясь этой информацией, можно составить обобщенную картину поведения атмосферного вихря в обстановке перемен скорости вращения Земли (Рис. 8).

Рис. 8. Развитие североатлантического урагана 5-й категории в связи с изменениями продолжительности суток (LOD). Осреднение по 25 системам за 1966–2019 гг. (расчет по данным National Hurricane Center и International Earth Rotation and Reference Systems Service)

В среднем проходит 54 часа от появления в Северной Атлантике тропической депрессии до формирования урагана 1-й категории (со скоростью устойчивого ветра 119 км/час), а для накопления энергии вихря пятой категории нужно еще 48 часов. В общем, стадия восходящего развития самого сильного урагана от дня его рождения длится 4,2 суток. Обратим внимание: именно такой период отделяет момент достижения максимума силы урагана от физически очень важного события — перехода Земли от замедления скорости вращения к ускорению (см. Рис. 8). Далее, средний срок существования урагана в статусе пятой категории составляет 2,3 суток. Это как раз столько времени, сколько ещё продолжается ускоренное вращение планеты с точки зрения урагана (см. Рис. 8). Мы убеждаемся в том, что вращение земного шара контролирует вращение тропических циклонов, что представляется естественным явлением.

В ураганах 4-й категории больше всего энергии сосредоточивается в начале этапа ускоренного вращения Земли (Рис. 9).

Рис. 9. Изменения продолжительности суток по дням жизни североатлантического урагана 4-й категории. Осреднение по 58 системам за 1963–2021 гг.

Ураганы низких категорий мало чувствительны к ускорениям вращения Земли, они явно реагируют на скорость вращения (Рис. 10).

Рис. 10. Усиление урагана 3-й категории при малой продолжительности суток (LOD). Осреднение по 65 системам за 1963–2021 гг.

Показательно сопоставление благоприятных и неблагоприятных ротационных условий существования больших атмосферных вихрей. Возьмем, например, ураган 5-й категории Иван (Ivan), обладавший самым большим количеством накопленной энергии (индекс ACE 70,4) за всю историю метеонаблюдений (Рис. 11).

 

Рис. 11. Ураган Иван 16 сентября 2004 г.

Весь этап его восходящего развития от момента формирования до дня достижения максимума мощности пришелся на период увеличения скорости вращения Земли (Рис. 12), что бывает достаточно редко.

Рис. 12. Продолжительность суток (LOD) при жизни урагана Иван. Дни достижения силы ураганов 1-й и 5-й категорий отмечены стрелками (по данным National Hurricane Center и International Earth Rotation and Reference Systems Service)

Совершенно иная ситуация сложилась c нисходящей фазой развития урагана Ларри (Larry), который почти также быстро, как ураган Иван, достиг силы 3-й категории (Рис. 13).

Рис. 13. Ураган Ларри 6 сентября 2021 г.

Однако далее процесс углубления циклона Ларри прекратился, в итоге срок его жизни оказался вдвое короче, чем у циклона Иван. В чем причина этого контраста? Безусловно замедленное вращение планеты (Рис. 14).

Рис. 14. Продолжительность суток (LOD) при жизни урагана Ларри. День достижения силы ураганов первой и третьей категорий отмечены стрелками (по данным National Hurricane Center и International Earth Rotation and Reference Systems Service)

Информативно сравнение характеристик тропических циклонов из эпох короткого и длинного дня. С 1962 года, когда начались постоянные измерения продолжительности суток (LOD), минимальная скорость вращения Земли была зарегистрирована в десятилетие с 1969 по 1978 годы, а максимальная — в десятилетие с 2001 по 2010 годы. Накопленная энергия циклонов в условиях быстрого вращения значительно увеличивается (Рис. 15), в среднем в два раза. В десятилетие длинного дня насчитывается 17 дней с ураганами, в десятилетие короткого дня — 28 дней. Поразительно то, что эти различия создает уменьшение продолжительности суток всего на 0,0022 с (!).

Рис. 15. Накопленная энергия тропических циклонов (ACE) в десятилетия медленного и быстрого вращения Земли. Различия значимы по непараметрическому U-критерию Манна-Уитни

На уровне средних годовых величин обнаруживается связь между частотой движения тропических циклонов разного типа и скоростью вращения Земли (Рис. 16).

Рис. 16. Тропические циклоны доуроганной силы и скорость вращения Земли в 1962–2021 гг. Показан линейный тренд. Коэффициент корреляции 0,48

Наиболее устойчивая зависимость тропических циклонов от скорости вращения Земли отмечена в сентябре при наивысшей активности ураганов (Рис. 17).

Рис. 17. Продолжительность суток (LOD) в сентябре 1962-2021 гг. и средняя частота движения ураганов

Сокращение продолжительности суток, происходящее на наших глазах, судя по имеющейся информации, определяется дрейфом ядра Земли на север, и трудно ожидать, что в обозримой перспективе положение серьезно изменится. Поэтому велика вероятность сохранения высокого уровня активности ураганов.

Эффект Сывороткина

Процесс поступления тепла и воды в океан и атмосферу из недр при дегазации глубинного водорода, ставший одной из причин усиления известного нам урагана Лоренцо, часто встречается, о чем свидетельствуют факты разрушения озонового слоя по пути движения циклонов.

Вклад именно эмиссии водорода можно установить в первую очередь по синхронному сокращению общего содержания озона в атмосфере и образованию тропического циклона. Лучшим примером в данном случае может служить развитие урагана 5-й категории Ирма (Irma) — второго по величине накопленной энергии (индекс ACE 64,9) за всю историю наблюдений и третьего по величине причиненного ущерба (Рис. 18).

Рис. 18. Наводнение, вызванное ураганом Ирма на Кубе 9 сентября 2017 г.

Формированию урагана Ирма у западного берега Африки в конце августа 2017 года очевидно способствовало повышение содержания тепла и влаги в атмосфере за счет отрицательной аномалии озона (Рис. 19).

Рис. 19. Общее содержание озона в месте зарождения урагана Ирма (координаты: 16° с. ш., 29° з. д.). Показан полиномиальный тренд

Недавно этот механизм был воспроизведен в районе Кубы, где 27 августа 2021 года появился ураган Ида — второй в истории по масштабам материального ущерба (Рис. 20).

Рис. 20. След урагана Ида

Углубление циклона до степени урагана совпало по времени с возникновением дефицита озона в атмосфере (Рис. 21).

Рис. 21. Резкое падение общего содержания озона в атмосфере 27 августа 2011 г. по наблюдениям на станции Гавана (координаты: 23° с. ш., 83° з. д.). Показан полиномиальный тренд

Поступление масс воды и тепла при реакции глубинного водорода с кислородом, маркируемой отрицательной аномалией озона, помогает объяснить случаи ускоренного роста мощности тропических циклонов. Один из них — исключительно быстрое усиление самого разрушительного урагана Катрина (Katrina) 27–28 августа 2005 года (Рис. 22).

Рис. 22. Последствие прохождения урагана Катрина в штате Луизиана

Катрина за один день приобрела статус урагана пятой категории на фоне рекордного сокращения общего содержания озона (Рис. 23).

Рис. 23. Динамика общего содержания озона в атмосфере на участке пути урагана Катрина с минимальным атмосферным давлением (координаты: 25° с. ш., 88° з. д.). Показан полиномиальный тренд

 

В районе Мексиканского залива самым мощным был ураган Рита (Рис. 24).

Рис. 24. Ураган Рита (18–26 сентября 2005 г.)

Усиление циклона до максимальной степени — результат постепенного обогащения воздуха теплом и влагой при длительном снижении общего содержания озона в атмосфере (Рис. 25).

Рис. 25. Общее содержание озона в атмосфере и развитие тропического циклона Рита (участок пути с координатами 24° с. ш., 86° з. д.). Показан полиномиальный тренд

Роль дегазации глубинного водорода в энергетике тропических циклонов, думается, трудно преувеличить.

Внутреннее тепло

Гидротермальные источники на дне Атлантического океана оказывают прямое и косвенное (через дегазацию водорода) влияние на стратификацию водных масс и режим приводных слоев атмосферы, на что реагируют тропические циклоны. Есть ряд свидетельств, указывающих на реальность этой связи. Хороший пример — случай углубления депрессии Катя (Katia) 1 сентября 2011 года до урагана (Рис. 26) при не вполне благоприятных синоптических условиях в районе гидротермы Логачев (Logatchev, координаты: 14°45’ с. ш., 44°58’ з. д.; глубина 3000 м), активность которой проявилась в землетрясении магнитудой mb 4,2 и уменьшении общего содержания озона.

Рис. 26. Путь урагана Катя от места рождения

Гидротерма Логачев, говорит статистика, как бы притягивает к себе тропические циклоны (Рис. 27).

Рис. 27. Значительное увеличение частоты движения тропических циклонов в районе гидротермы Логачев (осреднение за 1851–2021 гг.)

Интересно, что разность положений гидротермы Логачев и гидротермы Снейк Пит, о которой шла речь в первом разделе, составляет по долготе всего 00°01’, хотя их разделяет по широте около 1000 км. Линия «Снейк Пит — Логачев» трассирует зону сосредоточенного выделения эндогенной энергии, приуроченную к оси Срединного Атлантического хребта, что видно по распределению очагов землетрясений (Рис. 28).

Рис. 28. Частота землетрясений магнитудой ≥3 на дне Атлантического океана по меридианам на широтах 14-24° с. ш., %% от средней. Осреднение за 2000–2021 гг.

Число пересечений тропическими циклонами меридианов 46-47° к западу от линии «Снейк Пит — Логачев» существенно повышается, что объясняется адвекцией тепла и влаги от плюмов в обстановке восточного пассатного переноса (Рис. 29).

Рис. 29. Частота движения тропических циклонов в Атлантическом океане по меридианам на широтах 14-24° с. ш., %% от средней

Указанная сопряженность процессов литосферы и атмосферы в области атлантического спрединга, конечно, есть итог действия разных сил, и эндогенное тепло занимает среди них свое место.

Заключение

Логичным продолжением вышеизложенного должна быть постановка вопросов о граничных условиях.

Первый вопрос: поскольку изучение связей имеет смысл тогда, когда создаются предпосылки для прогнозирования, сохраняет ли познавательную ценность информация, относящаяся к эпохе до современных изменений климата. Ответ: да, сохраняет. Наблюдения за тропическими циклонами в Северной Атлантике ведутся с 1851 года, и результаты их могут быть проанализированы в связи с продолжительностью суток — единственным системообразующим фактором, по которому есть достаточно точные данные (Рис. 30).

Рис. 30. Скорость вращения Земли и энергия тропических циклонов в Атлантике, осреднение по 10 лет

Как видим, определенное соответствие между выбранными показателями сохраняется на протяжении всего рассматриваемого периода, и нет никаких оснований считать ряд неоднородным.

Второй вопрос: выведенные зависимости касаются бассейна Северной Атлантики, но насколько правомерно принимать их в качестве универсальных? Ответ: в первом приближении достаточно сравнить энергии тропических циклонов в северо-западном секторе Тихого океана, которые развивались в десятилетия медленного и быстрого вращения Земли. Обнаруживается подобие ураганов и тайфунов с точки зрения динамической роли продолжительности суток.

Установлен факт связи между характеристиками ураганов в Северной Атлантике и продолжительностью суток, однако остаются неясными детали механизма передачи крутильного момента атмосфере от океана, имея в виду ничтожные приращения линейной скорости водной поверхности и минимальную её шероховатость. Необходимы исследования тропических циклонов в планетарном контексте, так как понимание того, что существует определенная зависимость разрушительной силы вихрей от движения Земли (Рис. 31), открывает перспективу снижения потерь общества от стихийных бедствий.

Рис. 31. Вращение Земли и ущерб от атлантических ураганов в США (1990-2021 гг.). Показан линейный тренд

Немало средств в последние годы было затрачено на рассмотрение возможной роли современного потепления климата в увеличении частоты погодных аномалий. Проблема в том, что реальность иная: это следствия одной причины — развития планеты в Солнечной системе.