تعقیب طوفان‌ها: علم پشت تحقیق بر روی هواپیماها و پیش‌بینی وضعیت‌های آب و هوای شدید

امروزه به لطف مشاهدات اولیه با استفاده از کایت‌ها و بالون‌ها، ابزارهای پیشرفته مدرن و هواپیماهای تحقیقاتی پیشرفته، بیشتر درباره طوفان‌ها و الگوهای آب و هوایی می‌دانیم. تغییرات اقلیمی نیاز به نوآوری بیشتر و مطالعه عمیق‌تر را افزایش داده و مرزهای تحقیقات هواشناسی را پیش برده است. با افزایش وقوع آب و هوای شدید، نقش فناوری‌های نوآورانه و دانشمندان متعهد فقط بیشتر خواهد شد.

برای دانشمندان، سوار شدن بر یک هواپیمای تحقیقاتی و پرواز نزدیک به یک طوفان می‌تواند هیجان‌انگیز باشد. با این حال، این همیشه یک تجربه دلپذیر نیست. آشفتگی‌های شدید، باران کوبنده و بادهای زوزه‌کش می‌تواند این پروازها را از نظر جسمی خسته‌کننده کند. با این حال، داده‌های بی‌قیمتی که در طول این ماموریت‌ها جمع‌آوری می‌شود، اغلب نارضایتی را جبران می‌کند.

دکتر گای گرتون ، استاد معاون حمل و نقل و محیط زیست در دانشگاه کرانفیلد، به اهمیت تمایز بین هواپیماهای تحقیقاتی و مشاهده پرداخت. هواپیماهای تحقیقاتی مجموعه‌داده‌هایی تولید می‌کنند که مدل‌هایی را برای درک شرایط آب‌وهوای شدید بهبود می‌بخشند. در عین حال، مشاهدات هواپیما، ماهواره‌ها و ایستگاه‌های زمینی اطلاعات بی‌درنگی فراهم می‌کنند که به این مدل‌ها تغذیه می‌شوند و پیش‌بینی دقیق‌تری از الگوهای آب‌وهوایی و نتایج آن‌ها را ممکن می‌سازند.

بیشتر مواقع، هواپیماهای تحقیقاتی از پرواز در طوفان‌های بالغ اجتناب می‌کنند. در عوض، آن‌ها اغلب بر روی طوفان‌های در حال ظهور تمرکز می‌کنند تا فرآیندهای منجر به شکل‌گیری آن‌ها را بهتر درک کنند.

پرواز در تاریخ

سفر علم جوی در سال ۱۷۴۹ شروع شد زمانی که دکتر الکساندر ویلسون و توماس ملویل یک کایت حامل یک دماسنج را در اسکاتلند به پرواز درآوردند تا شرایط هوایی را اندازه‌گیری کنند. در دهه ۱۷۸۰، بالن‌های هوای داغ و هیدروژن در فرانسه به وجود آمدند که به دانشمندان اجازه دادند با ابزارهای واقع در پرواز، جَو را کاوش کنند.

در سال ۱۹۰۳، اولین پرواز موفقیت‌آمیز برادران رایت با یک ماشین سنگین‌تر از هوا، نقطه عطفی در تاریخ هوانوردی را مشخص کرد. در چند دهه بعد، محدودیت‌های بالن‌ها و هواپیماهای اولیه توسعه انتقال داده‌های رادیویی را به انگیزه گرفت. در دهه ۱۹۳۰، "رادیوسوندها" به استراتوسفر پرواز کردند و اندازه‌گیری‌های دقیق و به موقع ارائه کردند.

جنگ جهانی دوم تقاضا برای داده‌های هواشناسی را تشدید کرد. در ژوئیه ۱۹۴۳، جوزف بی. داکورث و ستوان رالف اوهیر اولین پرواز طوفان را انجام دادند و راه را برای استفاده از هواپیماها در تحقیقات آب و هوایی هموار کردند. چشم‌اندازهایی چون ویلیام ناپیر شاو، که مقالات اساسی درباره جریان‌های هوای عمودی را در سال ۱۹۰۷ منتشر کرد، پایه‌گذاری پیشرفت‌هایی مانند پلتفرم تحقیقاتی محیطی هوابرد ابزارمدار با عملکرد بالا را بنا نهادند.

امروزه، پلتفرم‌هایی مانند NSF/NCAR C-130 پروازهایی با تحمل تا ۱۰ ساعت ارائه می‌دهند، در حالی که سازمان‌هایی مانند مرکز فضایی آلمان صدها ساعت پرواز سالانه برای تحقیقات علمی انجام می‌دهند. این کار با کمک ایستگاه‌های هواشناسی، رادارهای هواشناسی و فناوری‌های رایانه‌ای انجام می‌شود و درک ما از الگوهای آب و هوایی را به طور قابل توجهی بهبود بخشیده است.

چالش‌های پروازهای تحقیقاتی

دکتر زلجکا فوکس استون ، استاد پژوهشی فیزیک و مدیر کنسرسیوم آب و هوا و آب در تکنولوژی نیو مکزیکو، به طور متناوب به برخی از خطرناک‌ترین حوادث آب و هوایی جهان پرواز می‌کند. اولین پرواز تحقیقی او در سال ۲۰۰۱ در جریان تحقیقات اقیانوس آرام شرقی، انطباعی ماندگار به جا گذاشت—ضمن اینکه هواپیمای C-130 فاقد توالت بود. "پروازهایمان هشت ساعت طول کشیدند و بیشتر خدمه مرد بودند. خوشبختانه آن وضعیت تغییر کرده است،" او به مهندسی جالب گفت.

او خاطرنشان کرد که در حالی که هواپیماهایی مانند C-130 نیروهای هوایی امریکا و P-3های NOAA برای ماموریت‌های عملیاتی ساخته شده‌اند، پروازهای تحقیقاتی—که اغلب توسط NASA و NCAR انجام می‌شود—ابزارهای پیشرفته‌تری دارند. اگرچه هواپیماها زیاد تغییر نکرده‌اند، اما ابزارهایی که حمل می‌کنند به طرز چشمگیری تکامل یافته‌اند، او گفت.

دکتر فوکس استون بر اهمیت همکاری بین دانشمندان و خدمه پرواز تاکید کرد. "دانشمندان گاهی اوقات سرشان در ابرهاست—به معنای واقعی و مجازی—و همیشه محدودیت‌های یک هواپیما را درک نمی‌کنند. هنر گوش دادن و یادگیری بسیار مهم است."

نقش فناوری و هوش مصنوعی

با تسریع تغییرات اقلیمی، نیاز به ابزارهای نوآورانه رشد می‌کند. پهپادها، بالن‌های تخصصی و ابررایانه‌ها برای جمع‌آوری مشاهدات و بهبود مدل‌های اقلیمی ضروری می‌شوند. محققان در حال حاضر از بیش از ۲۰۰ مدل مختلف برای پیش‌بینی اقلیمی استفاده می‌کنند. "فناوری با سرعتی که رابطه معناداری با مشکل تغییر اقلیم ندارد، رشد نمی‌کند،" دکتر فوکس استون هشدار داد.

به عنوان مثال، همرفتی برای تنظیم جذب حرارت و تغییر شکل جرمی آب حیاتی است. با این حال، درک همرفتی به مشاهدات بیشتری نیاز دارد. هواپیماهای مجهز به رادار در ارتفاع بالا و مشاهدات ماکروویو ماهواره‌ای بسیار ارزشمند هستند. "همرفتی به طور مداوم بر فراز اقیانوس‌های گرمسیری رخ می‌دهد. انتظار برای طوفانی که به اسپانیا یا کرواسی برخورد کند، اطلاعات کافی را فراهم نمی‌کند،" او توضیح داد.

دکتر فوکس استون پروازی بسیار چالش‌برانگیز را از میان ابر کومولونیمبوس به یاد آورد. "هر چیزی که چسبانده نشده بود بالا پرواز کرد، از جمله قهوه‌های ما،" او گفت. باوجود چالش‌ها، چنین ماموریت‌هایی داده‌های حیاتی برای درک فیزیک همرفتی و بهبود پیش‌بینی‌های آب و هوایی فراهم می‌کنند.

پرواز به سوی آینده

به گفته گرتون، هواپیماهای تحقیقاتی ابزارهای چند منظوره گران‌قیمتی هستند. "دانشمندانی که از آن‌ها استفاده می‌کنند، می‌خواهند مجموعه‌داده‌های بزرگتر و بهتری داشته باشند و قابلیت تغییر و تطبیق روتین ابزارها برای اجرای آزمایش‌های خاص را می‌خواهند. من انتظار دارم که در آینده هواپیماهای تحقیقاتی از کوچک‌سازی، قدرت محاسباتی و قابلیت برقراری ارتباط به منظور پرواز بیشتر و بهتر سنسورها، استفاده کنند،" او به IE گفت.

هواپیماهای تحقیقاتی ابزارهای چند منظوره گران‌قیمتی هستند، به گفته دکتر گرتون. "دانشمندان می‌خواهند مجموعه‌داده‌های بزرگتر و بهتری داشته باشند و قابلیت شخصی‌سازی ابزارها برای آزمایش‌های خاص را داشته باشند. کوچک‌سازی، قدرت محاسباتی، و بهبود قابلیت‌های ارتباطی به شما امکان می‌دهد تا سنسورهای بیشتر و بهتری را در آینده پرواز دهید."

درحالی که هواپیماهای پیشرفته وجود دارند، هزینه بالای آن‌ها دسترسی گسترده را محدود می‌کند. گرتون بر نیاز به هوش مصنوعی برای خودکارسازی پردازش داده‌ها تاکید کرد تا دانشمندان بتوانند بر وظایفی که به تخصص انسانی نیاز دارند تمرکز کنند.

"به طور نظری، با تمام ابزارهای محاسباتی موجود، باید بتوانیم تجهیزات بیشتری را سریع‌تر از همیشه عملیاتی کنیم. با این حال، به صورت عملی، عکس این موضوع در کل صنعت طراحی و ساخت هواپیما در حال وقوع است. ما تمایل داریم که این ابزارها را به اندازه‌های زیاد بی‌سابقه‌ای فشار دهیم و این موضوع مقدمات جدید را کُند کرده و هزینه‌ها را افزایش می‌دهد،" گرتون گفت. او همچنین هشدار داد که خطر آن وجود دارد که تنها تعداد کمی از متخصصان با آموزش خاص شایستگی کار با هواپیماهای تحقیقاتی را داشته باشند و اینکه هزینه و پیچیدگی برنامه‌های تغییرات هواپیمایی مدرن ممکن است دسترسی به تعداد کمتری از امکانات را محدود کند.

پیشرفت در پیش‌بینی آب‌وهوای شدید

پیش‌بینی از طریق طوفان‌ها در امریکا تا آب و هوای شدید در اسپانیا به دقت داده‌ها و مدل‌های قوی وابسته است. مدل‌های کنونی سختی در حل پدیده‌های کوچک‌مقیاس مانند سیستم‌های همرفتی ناحیه‌ای که باعث وقوع وقایع شدید آب‌وهوایی می‌شوند، دارند. "مدل‌های منطقه‌ای ما با وضوح ۲ تا ۴ کیلومتر عمل می‌کنند، در حالی که مدل‌های جهانی در ۱۰ کیلومتر قرار دارند،" دکتر فوکس استون گفت. قدرت محاسباتی بهتری برای بهبود پیش‌بینی‌ها لازم است."

با وجود چالش‌ها، سفر علم جوی به پایان نرسیده است. پیشرفت‌های فناورانه همچنان توانایی ما را در پیش‌بینی، آماده‌سازی و کاهش اثرات آب و هوای شدید تغییر می‌دهند. با این حال، عنصر انسانی همچنان برای این پیشرفت مرکزی است. با حمایت از دانشمندان و ابزارهایی که مرزهای تحقیق را پیش می‌برند، درک ما از جو تنها عمیق‌تر خواهد شد و به ما کمک می‌کند که با اقلیم به طور فزاینده غیرقابل پیش‌بینی سازگار شویم.