Cách hoạt động của Đài quan sát lốc xoáy hoàn toàn

Là một hiện tượng tự nhiên, các cơn lốc xoáy có thể đã gây hại cho loài người chừng nào chúng ta còn sinh sống trên hành tinh này. Nhưng phải đến thế kỷ 11, tài liệu sớm nhất về một cơn lốc xoáy mới được ghi lại. Vào ngày 30 tháng 4 năm 1054, một vụ lộn xộn đã xảy ra tại làng Rosdalla, Ireland [nguồn: TORRO ]. Cột xoắn đó sau đó được một nhà quan sát mô tả như một "tháp chuông lửa " trên bầu trời [nguồn: Hare và Hamlin ]. Cánh đồng mảnh vụn bao quanh "tháp chuông" này trông dân làng giống như một đàn chim, với một con chim đen đặc biệt khổng lồ - có thể là một đám mây hình phễu riêng biệt. Người ta có thể tưởng tượng được sự ngạc nhiên của dân làng khi con chim khổng lồ này bật gốc một cây sồi và "mang nó đi trong móng của nó" [nguồn: Joyce ].

Thư viện hình ảnh Storm

Theo thời gian, các nhà khoa học đã gánh vác việc tìm hiểu các cơn lốc xoáy từ phía sau của dân làng và của chính họ. Chúng tôi biết nhiều hơn về lốc xoáy so với trước đây; chẳng hạn chúng ta biết chúng không phải là tháp lửa. Nhưng khoa học vẫn còn rất nhiều câu hỏi về cách thức và lý do tại sao các cơn lốc xoáy hình thành. Lốc xoáy được biết là hình thành từ các siêu tế bào - giông bão sở hữu các trung gian (các luồng gió xoay tròn). Chính những cập nhật này có thể sinh ra lốc xoáy. Chính xác điều này xảy ra như thế nào và tại sao chỉ một số siêu tế bào tạo ra lốc xoáy vẫn còn là một bí ẩn.

 Sự hiểu biết chưa đầy đủ này không phải do thiếu cố gắng. Vấn đề là, để thực sự hiểu một cơn lốc xoáy, bạn phải nhìn thấy bên trong của nó. Chỉ có hai người được biết là đã chứng kiến ​​bên trong một cơn lốc xoáy và sống để kể về nó. Không may, không sở hữu bất kỳ thiết bị đo lường nào.

Đưa một người mang đầy dụng cụ cảm biến thời tiết vào đường đi của một cơn lốc xoáy là phi đạo đức, ngay cả khi nó tạo ra kết quả: Con người rất mong manh. Mặt khác, năm mươi lăm thùng phuy cứng cáp hơn nhiều. Chính kiểu lý luận này đã sinh ra TOTO , Đài quan sát lốc xoáy hoàn toàn .

Trong bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu cách TOTO hoạt động, tại sao nó không hoạt động cuối cùng và một số công nghệ mà nó đã phát triển. Tìm hiểu trên trang tiếp theo về sự sáng tạo của TOTO.

1. Thiết kế của TOTO
2. Tại sao TOTO không hoạt động
3. Di sản của TOTO
4. Đài quan sát lốc xoáy hoàn toàn: Ghi chú của tác giả
5. Đài quan sát lốc xoáy hoàn toàn: Cheat Sheet

Hoa Kỳ nắm giữ gần như độc quyền địa lý đối với hoạt động tornadic. Một hiện tượng thời tiết bất thường được gọi là đường khô hạn có thể được tìm thấy chạy dọc theo vĩ độ về phía đông của Dãy núi Rocky qua Vùng đồng bằng Trung tâm. Nó giống như Hẻm Tornado khét tiếng kéo dài từ Texas đến Bắc Dakota và bắn về phía đông về phía Ohio. Đường khô này ngăn cách không khí khô với không khí ẩm, và khi hai loại không khí kết hợp với nhau, giông bão sẽ hình thành dọc theo ranh giới này. Những cơn bão này có thể sinh ra số lượng lớn các cơn lốc xoáy mà Hoa Kỳ trải qua mỗi năm, nhiều hơn bất kỳ khu vực nào khác trên thế giới thấy. Ví dụ, Nhật Bản hứng chịu trung bình 20,5 trận lốc xoáy mỗi năm, trong khi Ấn Độ hứng chịu 0,5 trận mỗi năm [nguồn: Tiến sĩ thời tiết]. Trung Âu chứng kiến ​​khoảng 10 cuộc mỗi năm và Canada tổ chức trung bình 80 cuộc vui chơi hàng năm [nguồn: Viện Max Planck , CBC ]. Ngược lại, Hoa Kỳ hứng chịu khoảng 1.200 cơn lốc xoáy mỗi năm [nguồn: Washington Post ].

Được trang bị dữ liệu này, không có gì ngạc nhiên khi các nhà khí tượng học Mỹ nảy ra ý tưởng về một thiết bị đo thời tiết có thể được đặt trong đường đi của một cơn lốc xoáy. Năm 1979, các nhà nghiên cứu của Cục Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA), Tiến sĩ Alan Bedard và Carl Ramzy đã xây dựng Đài quan sát Lốc xoáy TOtable (được cặp đôi này đặt tên là TOTO theo tên con chó của Dorothy trong "The Wizard of Oz"). Hai năm sau, nó sẽ là thiết bị cảm biến thời tiết nhân tạo đầu tiên được đặt cố ý trên đường đi của một cơn lốc xoáy đang tới.

TOTO là một thiết bị khá thô sơ theo tiêu chuẩn ngày nay. Bedard và Ramzy đã sử dụng một cái trống kim loại 55 gallon làm vỏ chứa các thiết bị thời tiết nhạy cảm được niêm phong bên trong. Thiết bị này bao gồm một máy đo gió (một thiết bị đo tốc độ gió với một loạt cánh tay hoặc cốc có móc treo trên đỉnh cột), nhiệt kế, máy đo áp suất khí quyển và cảm biến điểm sương [nguồn: NOAA ]. Dữ liệu thu thập từ tất cả các thiết bị này đã được ghi lại, có thể được truy xuất và phân tích sau [nguồn: Dự án Tornado ].

Các nhà khí tượng học đã tổng hợp dữ liệu về các điều kiện khí hậu được tìm thấy xung quanh và bên trong các cơn lốc xoáy thành các mô hình máy tính. Đến lượt nó, những mô hình này có thể được sử dụng để phân tích giông bão siêu tế bào khi chúng được phát triển để xác định xem có các điều kiện cần thiết để tạo ra hoạt động lốc xoáy hay không. Thông tin do TOTO cung cấp có thể giúp các nhà khí tượng học hiểu rõ hơn về lốc xoáy, giúp họ có thể đưa ra cảnh báo sớm cho công chúng và hy vọng cứu sống được nhiều người.

Tất cả đã nói, TOTO nặng 400 pound (181 k) [nguồn: PBS ]. Một gói hàng cồng kềnh như vậy đòi hỏi phải có một chiếc xe tải tùy chỉnh để vận chuyển nó. Khi được đưa đến một địa điểm, TOTO có thể được lăn xuống một đoạn đường dốc và được nâng thẳng đứng vào vị trí trong khoảng 30 giây. Kể từ khi TOTO ra đời trước định vị vệ tinh định vị toàn cầu ( GPS ), những người điều khiển phải sử dụng la bàn để định hướng các điểm đánh dấu trên thùng về phía bắc thực để làm đường cơ sở cho các phép đo. Sau đó, TOTO đã sẵn sàng hành động. Tất cả những gì nó cần là một cơn lốc xoáy để đo lường.

TOTO đã có cơ hội trong một vài dịp. Nhưng những gì hoạt động trên lý thuyết không phải lúc nào cũng hoạt động trong thực tế. Tìm hiểu lý do tại sao TOTO không hoạt động trong lĩnh vực này ở trang tiếp theo.

Ngày nay, những người theo đuổi và nghiên cứu các cơn bão một cách chuyên nghiệp hoặc để giải trí sử dụng Internet và máy tính xách tay để theo dõi chúng. Trước khi có sự ra đời của thông tin theo yêu cầu, thời gian thực, việc đuổi theo cơn bão chỉ là một trò chơi đoán mò. Chẳng hạn, bất cứ ai muốn đặt một cái trống 55 gallon chứa đầy thiết bị khí tượng cực nhạy trong đường đi của một cơn lốc xoáy đều buộc phải sử dụng thông tin ít phút được các đài thời tiết và phương tiện truyền thông địa phương phát trên đài . Một người theo dõi bão cũng phải sử dụng một chút trực giác và kinh nghiệm của mình khi tận mắt chứng kiến ​​các cơn bão để dự đoán ô bão nào có thể tạo ra lốc xoáy và ô bão nào có thể không.

Đây là một trong hai vấn đề chính vốn có của TOTO đã trở nên rõ ràng trong lĩnh vực này. Đặt TOTO trực tiếp vào đường đi của một cơn lốc xoáy đang đến đòi hỏi một sự may mắn lớn; xác suất của vị trí hoàn hảo là rất thấp. Vấn đề khác mà TOTO đưa ra là sự nguy hiểm mà nó gây ra. Việc dỡ và thiết lập TOTO có thể chỉ mất 30 giây, nhưng đó có thể là một khoảng thời gian dài khi một cú lộn xộn gây ảnh hưởng đến bạn - đó là ít hơn 30 giây mà các nhà nghiên cứu phải thoát ra. Và mặc dù TOTO nặng 400 pound (181 k), một cơn lốc xoáy có thể mang theo thiết bị đi cùng, biến TOTO từ một công cụ lành tính của khoa học thành một cái thùng bay chết chóc. (Những thứ lớn hơn đã bị cuốn bởi những chiếc máy xoắn. ​​Vào tháng 5 năm 1949 ở Oklahoma, 13 con gia súc đã bị cuốn đi bởi một cơn lốc xoáy [nguồn: Tornado Project ].)

Tất cả những lo ngại này chỉ là lý thuyết cho đến khi TOTO được triển khai phục vụ trên khắp các vùng đồng bằng miền Trung vào mùa xuân năm 1981. Sau đó những lo ngại đã được xác nhận. Các kỹ sư của TOTO, Bedard và Ramzy, đã bàn giao công trình sáng tạo của họ cho Tiến sĩ Howard Bluestein, giáo sư khí tượng học tại Đại học Oklahoma. Từ tháng 4 đến tháng 6 hàng năm, từ 1981 đến 1983, Bluestein và một số sinh viên của ông đuổi theo các cơn bão và đặt TOTO ở nơi mà họ cho rằng có khả năng xảy ra lốc xoáy nhất [nguồn: PBS ].

Bluestein đã xác nhận cả sự nguy hiểm gây ra và khả năng thành công của TOTO. Anh ta chưa bao giờ đặt nó thành công ở một vị trí đủ gần để thu thập dữ liệu từ một cơn lốc xoáy. Và anh đã tận mắt chứng kiến ​​TOTO có thể nguy hiểm như thế nào. Trong một lần đuổi theo cơn bão vào năm 1982, Bluestein và nhóm của ông đã quét gần một cơn lốc xoáy mà họ đang cố gắng đi tới phía trước để đặt thiết bị trên đường đi của nó [nguồn: PBS ]. Sau năm 1983, ông chuyển giao TOTO cho Phòng thí nghiệm Bão dữ dội Quốc gia, một phòng thí nghiệm nghiên cứu trực thuộc Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia (NOAA). NSSL là nhóm duy nhất từng đặt TOTO thành công vào con đường của một twister sắp tới.

Vào ngày 29 tháng 4 năm 1985, các nhà nghiên cứu của NSSL, Steve Smith và Lou Wicker, đã chọn đúng nơi để xác định TOTO, bên ngoài Ardmore, Ark. Một cơn lốc xoáy yếu ớt lướt qua thiết bị, làm lộ ra một khiếm khuyết khác trong ý tưởng và thiết kế của TOTO: lực hấp dẫn . Khi cơn lốc xoáy đi qua, TOTO bị hất văng sang một bên, làm hỏng các thiết bị. Sau khi bàn chải gần nhất hoàn thành mục đích ban đầu, TOTO đã được triển khai không thành công trong hai năm nữa.

TOTO đã ngừng hoạt động vào năm 1987. Nó được trưng bày tại sảnh của Cơ quan Thời tiết Quốc gia ở Norman, Okla., Chào mừng du khách [nguồn: NOAA ]. Nhưng TOTO đã để lại một nhu cầu chưa được thực hiện là thu thập dữ liệu có giá trị về các cơn lốc xoáy bằng cách thực hiện trực tiếp. Về mặt đó, TOTO đã để lại một di sản. Đọc trang tiếp theo để tìm hiểu về con cháu của TOTO.

Khoảng thời gian mà việc triển khai của TOTO đang kết thúc, các công nghệ khác được xây dựng dựa trên khái niệm của TOTO đang dần phát triển. Công nghệ đầu tiên đảm nhận nhiệm vụ nguy hiểm được đặt trên con đường của một xe xoắn đang tới là con rùa . Những thiết bị tròn, nhỏ này trông giống như hubcaps và lần đầu tiên được đưa vào lĩnh vực này vào năm 1986 [nguồn: Tornado Project ]. Thiết bị đo tương tự như thiết bị được lắp đặt trong TOTO được đặt bên trong rùa để ghi lại áp suất khí quyển, độ ẩm và nhiệt độ. Hơn nữa, con rùa đã chuyển sang kỹ thuật số, cho phép các thiết bị nhỏ hơn tạo ra các kết quả đọc chính xác hơn.

Vì những con rùa nhỏ, chúng có thể được triển khai khắp một khu vực, làm tăng khả năng một con rùa có thể bị lật qua. Vào tháng 5 năm 1988, một con rùa đã bị ảnh hưởng bởi một cơn lốc xoáy ở Oklahoma, nhưng vào thời điểm các nhà nghiên cứu lấy nó ra, thiết bị này đã bị giả mạo, bề ngoài là do một con người tò mò [nguồn: Tornado Project ].

Các thiết bị khác cũng tiếp bước TOTO. Dillocams và OZ (Số không quan sát) đều được thiết kế để đặt trong đường đi của một cơn lốc xoáy. Cả hai đều được trang bị máy quay video để ghi lại dữ liệu có thể nhìn thấy về các điều kiện trong vòng xoay. Những con ốc sên , có bề ngoài tương tự như loài rùa, được trang bị các cảm biến địa chấn để xác định xem lốc xoáy có tạo ra những rung động có thể cảm nhận được trong lòng đất khi chúng đi qua hay không. Các nhà nghiên cứu hy vọng một hệ thống cảnh báo sớm có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các cảm biến địa chấn đã được sử dụng để phát hiện động đất , một hệ thống vẫn đang được phát triển [nguồn: MSFC ].

Tuy nhiên, tất cả các thiết bị này, như TOTO, đều gặp lỗi. Mỗi người là một thỏa thuận một lần. Thiết bị đo lốc xoáy tối ưu sẽ là sự kết hợp giữa tính di động của TOTO với các thiết bị tinh vi của cục thời tiết.

Với sự ra đời của radar Doppler , điều này đã trở nên khả thi. Radar Doppler sử dụng sóng vô tuyến để xác định mật độ, hướng và lượng mưa của một cơn bão. Một cơn bão di chuyển về phía radar sẽ gửi lại sóng vô tuyến tần số cao hơn tới ăng ten bắt nguồn và nhận sóng. Một cơn bão di chuyển khỏi ăng-ten quay trở lại với tần số thấp hơn [nguồn: USA Today ]. Radar Doppler có thể thu thập một lượng lớn thông tin về một cơn bão đến mức dữ liệu này có thể được hiển thị thành biểu diễn 3-D của nó. Các nhà khí tượng học hiện có thể quan sát một cơn bão để xem xét các đặc điểm của nó, chẳng hạn như nó tạo ra mưa đá hay sở hữu một mesocyclone.

Dự án Doppler On Wheels (DOW) từ Trung tâm Nghiên cứu Thời tiết Khắc nghiệt và Dự án Electra Doppler Radar (ELDORA) từ Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia là những dự án đầu tiên sử dụng Doppler khi đang di chuyển. DOW là một ăng-ten Doppler được gắn phía sau xe tải và ELDORA là một máy bay hỗ trợ được trang bị một ăng-ten. Cả hai đều được sử dụng trong dự án VORTEX, được cho là dự án lốc xoáy di động đầu tiên tạo ra dữ liệu quan trọng. Vào tháng 6 năm 1995, VORTEX theo dõi các cơn bão ở Texas bằng máy bay và xe tải, tổng hợp dữ liệu từ trên cao và xung quanh cơn bão và cung cấp cho các nhà khí tượng học thông tin thô mới được sử dụng để dự đoán thời điểm và địa điểm xảy ra lốc xoáy [nguồn: UCAR ].

Mặc dù TOTO có thể chưa bao giờ thực hiện một phép đo chính xác nào về một cơn lốc xoáy, nhưng thiết bị độc nhất vô nhị đã giúp mở đường cho sự hiểu biết thấu đáo về lốc xoáy, những tháp lửa trên bầu trời.

Để biết thêm thông tin về lốc xoáy và các chủ đề liên quan khác, hãy truy cập trang tiếp theo.

Tôi không nhớ bằng cách nào tôi đã hạ cánh được nhiệm vụ viết về Đài quan sát Lốc xoáy Hoàn toàn. Tôi nhớ lại rằng nó chìm vào rất nhanh, chỉ sau một chút nghiên cứu sơ bộ, rằng tôi đã thấy một thứ giống như một lời ca ngợi nó trong bộ phim "Twister." Tôi nghĩ đó là một sự kính trọng thú vị và giúp bộ phim có trọng lượng hơn một chút. Tuy nhiên, theo thứ tự khá ngắn gọn, tôi bắt đầu thích câu chuyện thực sự của TOTO hơn.

Thiết kế lộn xộn, bao gồm nhà bếp-bồn rửa của TOTO mà các nhà khí tượng học được đào tạo chuyên sâu này phải tự nghĩ ra gần như rất hài hước. Điều này có thể sử dụng một máy đo áp suất, tôi có thể tưởng tượng một nhà khí tượng học nói. "Chà, đặt một cái vào đó," tôi có thể nghe thấy một câu trả lời khác. Và cái tên, bản thân nó là một sự tôn kính đối với "The Wizard of Oz," thực sự đã làm sáng tỏ ranh giới mờ nhạt giữa người yêu thích và nhà khoa học giữa cộng đồng săn đuổi bão, mà tôi vô cùng kính trọng.

Và tôi cũng nhớ đến nhận thức mà những người tạo ra TOTO đã đến vào một thời điểm nào đó: Làm cách nào để đưa đài quan sát vào chính xác đường đi của một cơn lốc xoáy? Điều này thực sự thú vị và thú vị để viết.

Nguồn

­

Stuff You Need to Know

Now, test your knowledge with these quizzes!

Check out these image galleries!