علم گردباد

هواشناسان در پی یافتن علت به وجود آمدن گردباد هستند
توضیح تصویر: گردبادی از مزرعه‌ای در شهرستان گوشن، وایومینگ(1) عبور کرده و در همین حال دانشمندان به سرعت یک گروه از ابزارها را در محل مستقر نموده و امیدوارند حائل گردباد شوند.
"گردباد مناطق جنوبی را ویران کرده و حداقل 251 نفر را کشته است"
چه چیزی می تواند قوی‌تر از این تیتر واقعی خبر شود؟
گردبادهایی که الهام بخش این خبر بوده‌اند.
گردبادها خشن‌ترین طوفان‌های طبیعت بوده که شدت باد آنها می تواند بیش از 480 کیلومتر بر ساعت (300 مایل در ساعت) باشد. آنها تنها اتومبیل‌ها را پرتاب نمی کنند (و گاهی اوقات گاو‌ها را). متأسفانه، گردبادها همچنین سالانه حدوداً جان 60 نفر را در ایالات متحده آمریکا می گیرند. اما این تنها یک میانگین است. گردبادهای عنوان شده در تیتر خبر در نهایت منجر به مرگ بیش از 316 نفر شدند. همگی آنها در یک روز، 27 آوریل، 2011، هنگامی که یک سیستم طوفان عظیم بیش از صدها گردباد به وجود آورد، کشته شدند.

صبر کنید، صدها؟

بله، گردبادها مخصوصاً در ایالات متحده آمریکا معمول و رایج هستند، که حدوداً 1300 گردباد در هر سال ضبط می شود. بسیاری از آنها در دشت بزرگی به نام "کوچه گردباد"(2) بروز پیدا می کنند. گردبادها همچنین در تمامی قاره‌ها به جز قطب جنوب گزارش شده‌اند.
شدت و خشونت گردبادها باعث شده است هواشناسان- دانشمندانی که رویدادهای جوی، از جمله آب و هوا را مطالعه می کنند – اطلاعات بیشتری درباره چگونگی، دلیل و زمان به وجود آمدن گردبادها از رعد و برقی شدید به نام ابر یاخته (3) کسب نمایند.
جاشوا ورمن (Joshua Wurman) می گوید: "چندین ماده تشکیل دهنده‌ی مخفی وجود داشته که باعث می شود برخی از این رعد و برق‌ها به گردباد تبدیل شوند، اما ما نمی دانیم این مواد تشکیل دهنده چیست". او یک هواشناس و بنیانگذار تحقیقات آب و هوای شدید(4) در بولدر، کلرادو(5) است.
آنچه او و دیگر محققان در حال آموختن هستند ممکن است پیش بینی گردباد را بهبود بخشیده و هشدارهای قبلی دقیق‌تری ارائه داده و مهم‌تر از همه، باعث نجات زندگی افراد شود.

دستورالعمل تولید یک گردباد

گردباد یک ستون چرخنده بسیار خشن از هوا بوده که از زمین تا رعد و برق بالا گسترش پیدا می کند. گردبادها می توانند مسیری با عرض تا 1.6 کیلومتر (1 مایل) را تخریب نمایند. آنها می توانند با سرعت بیش از 160 کیلومتر (100 مایل) در بالای زمین حرکت کرده و هر یک ممکن است از چند دقیقه تا بیش از یک ساعت به حرکت خود ادامه دهند.
تمامی گردبادها با رعد و برق شروع شده اما نیاز به مواد تشکیل دهنده‌ی دیگری نیز دارند. یکی از این مواد ناپایداری است. هوا زمانی که در نزدیکی سطح زمین گرم‌تر از هوای بالا است، ناپایدار می شود. هوای گرم درست مانند یک بالن هوای گرم بالا خواهد رفت.
در صورتی که هوا شامل بخار آب باشد، این بخار ممکن است در دماهای سرد بالاتر، متراکم و یا تبدیل به قطره شود. این قطرات در نهایت ممکن است به عنوان باران و تگرگ ببارند. تبدیل آب از گاز به مایع نیز باعث انتشار گرما می شود. این حرارت جریانی قوی و رو به بالا از هوا تولید کرده که مکش(6) نامیده می شود.
توضیح تصویر: این تصویر از شیشه آسیب دیده جلو اتومبیل است که در زمان VORTEX 2 آسیب دیده است. در حالی که دانشمندان این پروژه در حال تعقیب یک گردباد در نزدیکی لاگرانژ، وایومینگ(7) بودند این حادثه اتفاق افتاد.
گردبادها همچنین به باد قیچی(8) احتیاج دارد. باد قیچی زمانی اتفاق می افتد که بادهای موجود در فواصل مختلف در بالای زمین در مسیرها یا سرعت های مختلف بوزند. هنگامی که بادها وزیدن گرفتند، یک لوله افقی نامرئی از هوای چرخنده در جو شکل می گیرد. این لوله به موازات زمین می چرخد- یک توپ فوتبال بسیار بزرگ چرخنده یا یک سنجاق بزرگ در حال غلتش را در نظر بگیرید.
در نهایت یک مکش قوی می تواند لوله هوا را تا زمانی که اساسا بر روی انتهای خود قرار گیرد، بچرخاند (عمود به زمین). به زودی، کل مکش شروع به چرخش نموده و نوع خاصی از رعد و برق تشکیل می دهد که به عنوان اَبَر یاخته شناخته می-شود. گاهی اوقات، این چرخش تبدیل به یک گردباد می شود.
(گردبادهای غیر مکشی هنگامی شکل می گیرند که بادهای سطح زمین که از مسیرهای مختلف می وزند یک لوله عمودی از هوای چرخنده را تنظیم کنند. سپس یک مکش، لوله را امتداد داده و گردبادی کوچکتر و با خشونت کمتر تشکیل می دهد. هنگامی که این حادثه برروی آب اتفاق بیفتد، گردباد دریایی (گرداب)(9) نامیده می شود.)
یک مدل از تشکیل گردباد در طول چند دهه مطالعه در این زمینه، مورد توجه قرار گرفت. پل مارکوفسکی (Paul Markowski) یک فیزیکدان اتمسفر در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا(10) می گوید: "من در واقع تصور می کنم ما درک خوبی از چگونگی تشکیل گردباد داریم ... اطلاعات و دانسته‌های ما بیشتر از آن چیزی است که نمی دانیم".

مواد تشکیل دهنده ناشناخته

آنچه همچنان ناشناخته باقی مانده این است که چرا از هر پنج اَبَر یاخته تنها یکی از آنها به گردباد تبدیل می شود.
ورمان می گوید: "صادقانه بگویم، ما نمی توانیم آنهایی که باعث تشکیل گردباد شده و آنهایی که گردباد تشکیل نمی دهند را از هم تشخیص دهیم".
تمامی ابر یاخته ها می چرخند و این چرخش در نیمکره شمالی معمولا مخالف حرکت عقربه ساعت است. اما به طور متوسط، یک ابر یاخته چرخنده ممکن است دائماً و شدیداً قبل از این که به طور ناگهانی تبدیل به یک گردباد شود، به مدت یک ساعت تکان بخورد.
مارکوفسکی می گوید: "ما می دانیم که طوفان دارای پتانسیل بالایی برای تشکیل گردباد است، اما هیچ راهی وجود ندارد که بتوانیم بگوییم دقیقاً چه زمانی در طول زندگی خود چرخش را تشدید می کند."
و چه چیزی باعث می شود که یک ستون عمودی و چرخشی هوای ابر یاخته به اندازه‌ای سفت و محکم شود که یک گردباد تشکیل دهد؟
جف ترپ (Jeff Trapp)، یک متخصص گردباد در دانشگاه پوردو(11) می گوید: دانشمندان چگونگی ایجاد یک طوفان را درک می کنند. او همچنین می گوید مسأله‌ی ناشناخته این است که چه شرایطی باعث فشار آوردن بر روی یک یاخته‌ی چرخشی گسترده‌ی طوفان شده و باعث تشکیل یک – هواشناسان آن را مزوسیکلون(12) می نامند- گردباد می شود.

تعقیب آغاز می شود

هواشناسی نیازمند آن است که دانشمندان اغلب مشاهدات و اندازه‌گیری‌هایی در شرایط خطرناک انجام دهند. این حوزه‌ی یک علم قابل انجام در محیط داخلی نیست.
ورمن می گوید: "ما نمی توانیم یک گردباد در آزمایشگاه درست کنیم، هر چند سعی می کنیم این کار را با استفاده از کامپیوترها انجام دهیم".
هواشناسان هر ساله و مخصوصا در فصل اوج، یعنی از مارس تا ژوئن، گردبادها را در سراسر دشت بزرگ(13) تعقیب می-کنند. در طول سال های 1994 و 1995 و دوباره در 2009 تا 2010، ده‌ها دانشمند تلاش‌های خود را ادغام نمودند. پروژه های میدانی عظیم آن VORTEX نامیده شد که اختصار عبارت تحقیق ریشه‌های چرخش در آزمایشات گردباد(14)است. دومین آزمایش شامل بیش از 100 دانشمند و دانش آموز بوده که برخی آنها بسیار جوان بوده و تنها 18 سال سن داشتند.
توضیح تصویر: شرکت کنندگان در پروژه VORTEX 2 به نام های مالی تات (Mallie Toth) (سمت چپ تصویر) و ماریک شوستر (Mareike Schuster) بسته های ابزار را در زمان رهگیری یک گردباد در 17 ژوئن 2010، مستقر نمودند.
در واقع، تازه ترین پروژه VORTEX بزرگترین تحقیق انجام شده برروی نحوه‌ی تشکیل گردباد بود. برای هفته‌ها، دسته‌ای از دانشمندان از وسایل نقلیه و ابزار بسیار برای مطالعه ابر یاخته ها و گردبادهایی که تشکیل می دهند، استفاده نمودند.
کامیون‌ها رادارهای قابل حمل را برای اندازه‌گیری سرعت و جهت باد حمل نمودند. هواپیماهای کنترل از راه دور و بالن‌ها درجه حرارت، رطوبت، فشار، سرعت و جهت باد را اندازه‌گیری نمودند. برروی زمین، ایستگاه‌های هواشناسی کوچک تعبیه شده برروی ماشین‌ها نیز همین کار را انجام دادند. دانشمندان کاوشگرها را در مسیر گردباد قرار داده تا بتوانند بادهای هسته‌ای آنها را اندازه‌گیری نمایند.
هواشناس کارن کوسیبا (Karen Kosiba) می گوید: "منصفانه است که بگوییم قبل از این گردباد هرگز به این صورت دقیق و با این تعداد ابزار مورد بررسی قرار نگرفته بود". او یک شرکت کننده در عملیات VORTEX 2 بوده و با ورمن در مرکز تحقیقات آب و هوای شدید همکاری می کند.
در طول تحقیقات VORTEX 2، دانشمندان 25 ابر یاخته که گردبادها را تولید می کردند و 25 ابر یاخته که منجر به تولید گردباد نمی شدند را اندازه گیری و شناسایی نمودند. تاکنون، محققان تجزیه و تحلیل سه ابر یاخته‌ی تولید کننده‌ی گردباد را به اتمام رسانده‌اند. آنها در نظر دارند برای تکمیل مطالعاتِ دقیق 45 ابر یاخته‌ی باقی مانده در سال‌های آتی برنامه ریزی نمایند. با این حال، نتایج اولیه‌ی آنها به تأیید فرضیه‌ها و یا ایده‌های آزمایشی و توضیحات ارائه شده در مورد تشکیل گردباد، کمک نموده است.
دان برگس (Don Burgess) می گوید، برای مثال، تا حدود 20 سال پیش، هواشناسان تصور می کردند یک مکش گرم که بتواند لوله چرخشی را تا زمانی که عمود به زمین قرار بگیرد، بالا بکشد برای تولید یک گردباد کافی است. او یک هواشناس در دانشگاه اوکلاهوما(15) در نورمان (16) و یکی از دانشمندان اصلی VORTEX 2 است. به لطف اطلاعات جمع آوری شده از این پروژه و پروژه اسبق (پروژه اصلی VORTEX)، امروزه هواشناسان می دانند که تشکیل گردباد آنقدرها هم ساده نیست.
توضیح تصویر: محقق هواشناسی، دان برگس به یک رادار همراه استفاده شده در VORTEX 2 اشاره می کند. برگس از این آزمایش می‌گوید: "همه چیز همراه و قابل حمل بود. ما پایگاهی نداشتیم – به مکان‌هایی می رفتیم که طوفان‌ها وجود داشتند".
بلند کردن یک لوله چرخنده‌ی هوا به خودی خود باعث تولید یک گردباد نمی شود. چرا؟ زیرا زمانی که لوله چرخشی هوا به سمت بالا، یا عمودی، می باشد، بالاتر از سطح زمین و نه در تماس با آن قرار می گیرد. بنابراین چه شرایطی باعث می شود که چرخش به سمت زمین کشیده شود؟ و چه چیزی باعث فشار بیشتر و محکم نمودن ستون عمودی چرخنده در هوا به صورت یک گردباد می شود؟ اسکیت بازان نمایشی(17) بازوان خود را به داخل کشیده تا سریع تر چرخش کنند. ابر یاخته ها چه کاری انجام می دهند؟
برگس می گوید، تحقیقات اولیه VORTEX 2 نشان می دهند که ممکن است این به دلیل هوای گرم و مرطوبی باشد که از مکانی در بالا و سمت راست ابر یاخته به داخل کشیده می شوند.
پیش از یک رعد و برق، جریانی از هوای خشک و خنک به سرعت برروی زمین می ریزد. این را یک "جبهه تند باد اولیه"(18) می نامند. (شما می توانید آن را مانند یک انفجار ناگهانی هوای سرد به عنوان رویکردهای رعد و برق، احساس نمایید.) داده‌های به دست آمده از VORTEX 2 نشان می دهند که این جبهه تند باد باعث انحراف – یا بلند شدن- هوای گرم و مرطوب سطح زمین در جلوی ابر یاخته می شود.
این عمل بالا بردن هوای گرم و مرطوب تا حدود 1 کیلومتر (0.6 مایل) باعث به وجود آمدن یک الگوی جریان چرخشی در خلاف جهت عقربه ساعت می شود.
برگس، که پیشتر عضو مدیریت سازمان ملی اقیانوسی و آزمایشگاه ملی طوفان های شدید جوی(19) بوده است، می‌گوید: سرعت هوا در زمان چرخش افزایش پیدا می کند.
در نیمه‌های جریان طوفان، این هوا سپس دوباره توسط یک جریان رو به پایین هوا به سمت زمین کشیده می شود. این جریان یک حرکت شدید نزولی(20) جناح عقبی نامیده می شود. تجزیه و تحلیل جدید VORTEX 2 نشان می دهد که این حرکت شدید نزولی، ستون چرخشی هوای درون ابر یاخته را بیشتر فشار داده و فشرده نموده و در نتیجه باعث شتاب و سرعت بیشتر چرخش آن می شود. برگس همچنین عنوان نمود که این حرکت شدید نزولی همچنین آن هوا را به صورت بالقوه در تمام طول مسیر تا سطح، به سمت زمین می فرستد.
او می گوید: "دقیقاً در همین جا، گردباد به وجود می آید."
مارکووسکی (Markowski) که به پروژه VORTEX 2 کمک نمود، اظهار داشت: با این حال، این حرکت شدید نزولی بایستی برای چرخش هوا دقیقاً مناسب بوده تا بتواند گردبادی را تشکیل دهد. در صورتی که بسیار قوی یا بسیار ضعیف باشد، گردبادی به وجود نمی آید.
حداقل این ایده و تصویری است که در حال حاضر ارائه شده است. آیا این فرضیه تا زمانی که هواشناسان در حال بررسی دقیق اندازه‌گیری‌های خود از دیگر ابر یاخته‌های مورد مطالعه قرار گرفته در طول VORTEX 2 هستند، صحیح باقی خواهد ماند؟ ممکن است 10 سال طول کشیده تا آنها بتوانند تجزیه و تحلیل تمامی 50 طوفان را انجام داده و نتیجه را ارائه دهند.

آیا به صورتی خطرناک نزدیک است؟

البته، هواشناسان برروی زمین تمرکز نموده تا دلایل دیگری نیز به دست آورند. زمین جایی است که افراد در آن زندگی نموده – و جایی است که گردبادها خسارات را ایجاد می کنند.
در کمال تعجب، هواشناسان اطلاعات بسیاری کمی در خصوص بادهای گردباد در سطح زمین دارند. رادار به دلیل مداخله کوه‌ها، درختان و خانه‌ها، کمک کمی می نماید. این فناوری نمی تواند تصویری دقیق و کامل ارائه دهد.
تیم ساماراس (Tim Samaras)، یک تعقیب کننده‌ی مستقل طوفان، می گوید، تنها راهِ اندازه‌گیری این که بادها تا چه اندازه قدرتمند و بی نظم هستند، جاسازی نمودن ابزار در گردباد است. "این قطعه ای از پازل است که من آن را برروی میز علمی قرار دادم".
"تعقیب نمودن" گردبادها در حقیقت به معنای جلوتر رفتن از آنها است. هنگامی که بنت (Bennett)، ساماراس(21) مستقر در کلرودا، موفق شد دقیقاً جلوی گردباد قرار گیرد، یک کاوشگر با روکش فلزی که توسط خودش طراحی شده بود را درون مسیر گردباد انداخت. سپس او فرار کرده و کاوشگر مخروطی قرار گرفته را در طوفان باقی گذاشت. ابزاهای داخل دستگاه موفق به ضبط فشار، رطوبت، سرعت و جهت باد شدند.
توضیح تصویر: تیم ساماراس (Tim Samaras) یک کاوشگر "لاک پشتی" که بتواند شرایط محیطی درون گردباد را ضبط کند، همراه داشت.
یکی از کاوشگرهای او بادهای گردباد را در 160 کیلومتر در ساعت (100 مایل در ساعت) فقط چند سانتی متر (اینچ) بالای زمین ضبط نمود. اندازه گیری های بسیار دیگر، با این حال، برای تکمیل این تصویر مورد نیاز است.
ورمن مخصوصاً در اشاره به وزش خشن در سطح زمین که باعث تخریب‌های بسیار می شود، می گوید: " شاید شما فکر کنید بسیار واضح باشد، اما ما نمی دانیم بادهای درون گردباد چه قدرتی دارند. هواشناسان همچنین نمی دانند کدام یک بدتر است: انفجار مختصر سریع‌ترین بادها یا فشار مداوم بادهای کندتر."
متأسفانه، برای تعقیب کنندگان طوفان، رسیدن به آنها کمتر از نرسیدن، رایج است. برای مثال، ساماراس گردبادهای بسیاری را تعقیب نموده، اما تنها به 20 یا 30 عدد از آنها رسیده است. او همچنین تنها چندین بار موفق به قرار دادن دقیق کاوشگر در مسیر گردباد شده است.
کوسیبا (Kosiba) از مرکز تحقیقاتی آب و هوای شدید به کنایه عنوان می کند که "نکته‌ی خنده دار این است: در صورتی که تلاش کنید به یک گردباد برخورد کنید، انجام آن واقعاً سخت خواهد بود".

به شما هشدار داده شد

در صورتی که نمی خواهید با یک گردباد برخورد کنید، می توانید به دقت و صحت بیشتر هشدارها در خصوص گردباد اطمینان کنید. متاسفأنه، این که از مردم بخواهید به این هشدارها توجه کنند یک چالش مشکل دیگر است.
در 1980، هشدار قبلی تنها در خصوص یک گردباد از هر چهار گردباد داده می شد. امروزه، خدمات آب و هوایی ملی(22) هشدارهای قبلی را برای هر سه گردباد از چهار گردباد ارائه می دهد.
هارولد بروکس (Harold Brooks) می گوید: "و اگر ما تنها 100 یا 200 گردباد قوی در هر سال داشته باشیم، 90 تا 95 درصد از آنها از پیش هشدار داده می شوند." او یک هواشناس تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی طوفان های شدید(23) در نورمان، اوکلاهما است.
البته، هشدارهای کاذب بسیاری نیز وجود دارد: سه هشدار از هر چهار هشدار ارائه شده، گردبادی را به دنبال ندارد.
بروکس می گوید: "در صورتی که می خواهید در خصوص اکثر گردبادها هشدار دهید، بایستی هشدارهای کاذب بسیاری را بپذیرید".
توضیح تصویر: یک گردباد که در جنوب مرکزی کانزاس(24) در حال چرخش است. این عکس در تاریخ 29 مه 2004 و توسط تیم ساریناس یک تعقیب کننده طوفان گرفته شده است.
در سال 2011، به گفته خدمات هواشناسی ملی، زمان پیش هشدار گردباد حدوداً 15 دقیقه قبل از به وقوع پیوستن آن بود.
تمدید دوره هشدار حتی به مدت چند دقیقه می تواند باعث نجات جان‌های بیشتری شود – در صورتی که مردم به آن توجه و عمل کنند. زمانی که افراد موجود در مسیر یک گردباد به هشدارها توجه نمی کنند، هواشناسان ناراحت می شوند.
تراپ (Trapp) یک متخصص گردباد در پوردو می گوید: "ما سعی می کنیم بهترین تحقیقات دنیا را از لحاظ چگونگی شکل گیری این پدیده انجام داده و سپس سعی می کنیم آن را پیش بینی نماییم." اما در صورتی که محققان اطلاعات صحیح را در اختیار عموم مردم قرار داده – اما نتوانند آنها را به انجام اقدامات لازم ترغیب کنند- " در این مأموریت شکست خورده‌ایم".
در اوایل سال جاری، خدمات آب و هوایی ملی از زبانی بسیار جدی تر برای هشدار در خصوص گردباد استفاده نمود. برای مثال، هشدار بسیار قوی زیر را قبل از ویچیتا، کانزاس(25) در 10:27 دقیقه شب در تاریخ 14 آوریل ارائه داد.
این یک وضعیت خطیر و تهدید آمیز برای زندگی شما است. شما در صورتی که به زیرزمین یا پناهگاه گردباد نروید، ممکن است کشته شوید. نابودی کامل تمامی محله محتمل است.
آیا این هشدار شدید اللحن، نتیجه داد؟ قضاوت از روی تنها یک نمونه غیر ممکن است. با این حال، هیچ کس جان خود را از دست نداد.

کلمات کلیدی:
گردباد: یک ستون هوای بسیار خشن که از زمین تا رعد و برق بالا گسترده می شود.
هواشناسی مطالعه‌ی آب و هوا و تغییرات آب و هوایی است.
اَبَر یاخته یک رعد و برق چرخشی که می تواند باعث تشکیل یک گردباد خشونت آمیز شود.
بخار آب: آب در حالت گاز می باشد.
گردباد دریایی (گرداب): گردباد است که بر فراز آب شکل می گیرد.
مکش: یک جریان هوای رو به بالا است. یک حرکت شدید نزولی، یک جریان هوای رو به پایین است.
باد قیچی: تاثیر بادهایی که در سطوح مختلف در بالای سطح زمین و در مسیرها یا سرعت های مختلف می وزند.
فیزیکدان: دانشمندی که به مطالعه انرژی، ماده و رابطه میان این دو می پردازد.
مزوسیکلون: حرکت چرخشی گسترده درون یک رعد و برق اَبَر یاخته می باشد.
فرضیه (جمع: فرضیات): یک ایده یا توضیح پیشنهادی که می تواند با نظارت های گسترده یا انجام آزمایشات بیشتر، تست شود.
جبهه‌ی تندباد اولیه: حرکت سریع و رو به پایین هوای سرد و خشک که برروی زمین و پیش تر از رعد و برق برروی زمین جریان پیدا می کند.
انحراف: تغییر مسیر چیزی با ضربه زدن به آن است.
جناح: سمت یا کناره ی یک شیء بزرگ- برای مثال یک توفان رعد و برقِ ابر یاخته را می گویند.

پی‌نوشت‌ها:

1. Goshen, Wyoming
2. Tornado Alley
3. Supercell
4. Center for Severe Weather Research
5. Boulder, Colo
6. updraft
7. LaGrange, Wyo
8. Wind shear
9. waterspout
10. Pennsylvania State University
11. Purdue University
12. mesocyclone
13. Great Plains
14. Origins of Rotation in Tornadoes Experiment
15. University of Oklahoma
16. Norman
17. Figure skaters
18. gust front
19. National Oceanic and Atmospheric Administration’s National Severe Storms Laboratory
20. downdraft
21. Samaras
22. National Weather Service
23. National Severe Storms Laboratory
24. Kansas
25. Wichita, Kan