科学家研究尝试控制台风

本故事最初发表于我们 2022 年 11 月/12 月刊，题为“瞄准台风”。 点击此处 订阅以阅读更多类似故事。

日本横滨国立大学海洋系统工程师光雪太贺手中拿着一个小型塑料模型。这艘 3D 打印的船，拥有双体船身和安装在 A 形框架上的刚性风帆，旨在说明一个看似不可能的目的。如果建造一艘全尺寸的船，它就能从自然界最具破坏性的力量之一中获取能量。

光雪和他的同事对这艘船寄予厚望：科学家们希望到 2050 年将风暴工程变为现实。一旦部署，这些船将使团队能够利用螺旋桨和电池捕获和储存台风的能量。同时，一支伴随的无人机舰队将向风暴注入冷却剂，帮助削弱其强度。

随着袭击日本乃至世界大部分地区的风暴强度越来越大，这项任务变得越来越重要。虽然气候变化与天气之间的关系复杂，但科学家们认为，温暖的海洋正在助长更强的台风，而温暖的陆地表面正在吸引它们，导致更频繁的登陆。

日本气象厅的研究人员还发现，过去 40 年来，接近该国南部海岸（包括东京）的热带气旋数量急剧增加。根据《日本气象学会杂志》的一项研究，接近东京的年平均气旋数量在 20 年内增加了 50% 以上，从 1980 年至 1999 年的 1.55 个增加到 2000 年至 2019 年的 2.35 个。除此之外，这些风暴在接近陆地时正在加强，并且速度减慢，这可能使它们更具致命性。

正因为如此，为了应对这一日益增长的威胁，日本科学家团队启动了“台风射击”项目。除了尝试利用风暴的能量，这项大型研究项目还致力于调查是否真的有可能驯服台风——并减轻它们通常造成的破坏。

致命天气

纵观日本历史，人们不得不与太平洋风暴的原始力量抗衡。例如，臭名昭著的二战神风自杀式攻击机就以“神风”命名，据信这些“神风”在 13 世纪曾击沉入侵的蒙古舰队。

最近，来自天空最具破坏性的威胁以台风的形式出现，热带气旋的最大持续风速高于每小时 74 英里。当台风维拉于 1959 年 9 月登陆时，记录到的中心表面气压为 929 百帕，是历史第二低。（气压较低的热带风暴往往威力更大。）在日本主岛本州南部海岸名古屋港，潮汐达到 3.89 米——近 13 英尺——创下历史新高。

台风维拉，当地称为伊势湾台风，因为它对伊势湾地区造成的破坏最大，导致 5098 人死亡，40838 户房屋被毁，363611 户房屋被淹。事实证明，这是日本历史上最致命的台风。

这场灾难迫使政府不仅通过了一项额外的国家预算来弥补损失和救济，而且还建立了全面的防灾系统，并编入《灾害对策基本法》。在维拉之后几十年里，日本还建造了更坚固的海岸防御工事和更具弹性的住房和交通基础设施，以及尖端通信系统。“台风射击”项目则与该国以前的任何风暴防护措施都不同。

雄心勃勃的想法

除了削弱台风的威力外，该倡议还旨在利用其风力作为一种可再生能源。在德勤咨询等主要私营部门合作伙伴的支持下，支持者谨慎地相信研究人员可以在未来几十年内实现他们的计划：该项目网站声称，该项目背后的支持者承诺，到 2050 年左右，他们可以将台风变成一种“福祉”。

横滨国立大学台风科学技术研究中心 (TRC) 主任藤安宏则表示：“‘台风射击’背后的想法是基于台风具有脆弱结构的事实。”该中心于 2021 年成立，是日本首个此类研究中心。“计算机模拟表明，如果我们能冷却台风中心，其温度高于周围结构，风暴就会减弱。这是一个人人都能理解的机制。但如何做到这一点是一个非常困难的问题。”

根据计划，无人机机队将从空中和海上蜂拥而至台风，以削弱其力量或从中汲取能量。科学家们希望建造自主飞行器，可以向风暴中注入大量干冰或其他冷却材料，以改变其温度和结构。与此同时，无人机帆船将捕获巨大的风能，并随后将其运上岸。

藤安清楚这个目标看起来多么遥不可及。这就是为什么它被命名为“台风射击”，就像美国的所谓“登月计划”一样：在当时看似不可能的成就中，美国宇航局的阿波罗计划在 1969 年成功将人类送上月球。但藤安还是说服了日本政府，政府将该计划选为内阁府旨在造福国民和环境的雄心勃勃的科学倡议之一。根据日本内阁府的说法，日本渴望到 2050 年“通过控制和改变天气，实现一个免受极端风雨威胁的社会”。

除了应对台风带来的威胁，日本还在努力重塑其在科学和工程领域的全球领导地位。与世界其他地区相比，日本在自然科学期刊上的论文份额近年来有所下降，政府渴望支持拥有特别宏伟想法的研究人员。

关键测试

该团队控制台风的早期计划涉及将一种尚未确定的具有冷却效果的物质倾倒入空气中。为了增加这一挑战，这种物质必须对环境无害。干冰，即固态二氧化碳（CO2），是其中一个候选物质。理论上，它可以冷却台风的关键部分。通过干冰，CO2 晶体将作为微小过冷水滴冻结的核，形成云。

最终，这个过程会分散大量的能量，这些能量通常会导致风暴破坏。

“这听起来可能很奇怪，但台风对环境和结构的变化非常敏感，”名古屋大学空间-地球环境研究所（ISEE）教授坪木和久说。一个微小的差异都可以改变风暴的强度或路径，因此识别台风中高度敏感的点并对其进行修改可能会奏效。但坪木说，这个过程可能需要三十年才能实现。

然而，计算机模拟可以提供帮助。这些模型将指导研究哪些材料以及多少材料最有效，以及它们应该部署在哪里。该团队希望使用超级计算机“富岳”来推进该项目，“富岳”在 2020 年和 2021 年的 TOP500 最快计算机系统榜单中排名第一。该系统由国家支持的理化学研究所和 IT 公司富士通于 2020 年完成，每秒可进行 442 京次计算。“更强大的计算能力将为我们带来更多想法和更多测试不同想法的空间，”台风射击项目成员、东京大学大气与海洋研究所教授兼“富岳”天气模拟研究负责人佐藤正树说。

目前尚不清楚对抗超级台风到底需要多大的计算能力。但坪木兼具理论和实践经验，可以帮助回答这个问题。作为台风科学技术研究中心（TRC）台风观测实验室的负责人，坪木已经装备了一些世界上最强大的计算机来模拟台风行为。他深情地回忆起在地球模拟器上看到第一个高分辨率模拟结果时的情景，地球模拟器在 2002 年至 2004 年间是世界上最快的超级计算机系统。

坪木回忆说，当他看到台风的单个云团形成时，“感觉就像伽利略用自己的望远镜看到木星，或者巴斯德通过显微镜看到细菌一样。”“感觉就像看到了一个非常不同的世界。”

坪木还沉迷于计算机模拟之外的探索。作为一名不惧风险的冒险科学家，他曾多次飞入台风内部，直接测量它们的强度。在他的第一次这样的飞行中，在 2017 年，一架改装的格鲁曼湾流 II 喷气式飞机穿透了超级台风兰，该台风达到了每小时 105 英里的风速。坪木在 43000 英尺的高度进入风暴。他甚至没有系安全带；他忙着在机舱里走动，投放投落探空仪，这是一种从飞机上投放的机载传感器，用于测量压力和其他关键数据。这些足球大小的传感器在落入海洋之前将数据传回飞机。它们的飞行时间最长可达 15 分钟；随着低空空气密度的增加，它们会减速。

坪木坚持对风暴进行直接观测，因为通常用于预测其行为的计算机模型充其量只是粗略估计。例如，有一天从台风兰中部获取的投落探空仪数据显示其中心气压正在升高，表明风暴正在减弱。但同一天，日本气象厅通过卫星图像证实兰正在增强。总的来说，坪木表示，观测和模拟对于理解（并最终修改）台风至关重要。

人工增雨

以前从未尝试过台风控制，但遏制风暴的努力并非新鲜事。事实上，飓风是二战后美国政府两个天气减灾项目的目标。（参见第 38 页的侧栏。）这些名为 Cirrus 和 Stormfury 的项目采用了名为人工增雨的天气改造方法，即向云中播撒小颗粒以改变其结构。最终，两者都被证明是不成功的——并招致批评。

“观测证据表明，播撒飓风是无效的，因为它们含有太少的过冷水和太多的天然冰，”飓风研究员休·威洛比及其同事在 1985 年发表在《美国气象学会公报》上的一篇论文中写道。这是因为此类努力将需要大量的过冷水来建立一个额外的眼墙——这将容纳飓风最危险的风和最强降雨——以剥夺原始眼墙并削弱整个风暴。

然而，台湾国立中央大学水文遥感实验室负责人李岳安表示，近年来日趋复杂的计算机模拟和传感系统等创新，使得冷却台风变得更具可行性，尽管他仍对人工增雨方法持怀疑态度。李岳安未参与“台风射击”项目，他与他人合著了数篇关于西北太平洋台风行为以及改进台风预报的遥感系统的文章。

2009年，台风莫拉克重创台湾，造成600多人死亡，损失超过140亿美元，此后李岳安提出了一个概念性的台风防御策略：如果能将深层冷海水泵到地表，以减少台风沿其路径或附近起源的有利条件，则风暴强度可能会降低。这种技术甚至可以阻止其形成。“众所周知，海面温度会影响台风的强度，”李岳安说。

然而，人类干预台风并非没有后果。李欧警告说，首先，它可能会扰乱大自然自身的平衡系统。他补充说，台风也有一些价值，他指出它们如何将深层营养物质搅动到海面，从而造福海洋物种和渔业。它们还可以缓解干旱。

另一位怀疑者是汤姆·德费利斯，科罗拉多大学博尔德分校的研究员，也是犹他州一家倡导人工增雨的非营利组织“天气改造协会”的前任主席。他长期研究天气改造的历史，包括“风暴之怒”项目。德费利斯表示，虽然模拟可能表明以这种方式控制台风是可行的，但现实要复杂得多。“该项目的概念视频暗示人工增雨可以摧毁台风，”德费利斯说。“这与现实相去甚远，并没有表现出任何科学的精明或利用科学实现这一目标的知识。”他指出，目前完全消除风暴是不可能的，尽管“风暴之怒”项目曾提出人工增雨可以将旋转风速降低约 10% 到 30%。

德费利斯确实认为“台风射击”项目的一些目标最终可能实现。人工增雨技术可以重新分配风暴中的降水，以减少对人类居民的危害并缓解干旱。它们还可以减少风灾。然而，德费利斯表示，由于研究资金的缺乏和当前人工增雨方法的局限性，即使是“非常乐观的估计”，这也不可能在 2080 年代之前发生。

对于现任佛罗里达国际大学气象学教授的威洛比来说，现有技术不足以实现“台风射击”的宏伟抱负。“这是一个 20 世纪中叶的想法，披上了 21 世纪的玩意儿——无人机、超级计算机等，”他说。

更重要的是，人工增雨模仿了自然界已经能够实现的功能：强度足以进行改造的热带气旋——风速超过每秒 164 英尺——可以在原始眼墙周围自然形成一个新的眼墙，这一过程通常会导致风暴减弱。因此，自然力量的影响与人工增雨的预期结果无法区分。事实上，威洛比说，人工增雨甚至可能加剧风暴潮和淡水洪水造成的损害。“在没有新发现的情况下，复兴‘风暴之怒’似乎希望不大，”他补充道。

免费能源？

抛开批评不谈，不难理解为何“台风射击”项目的另一项疯狂雄心——利用风暴巨大的能量储备——如此诱人。据美国宇航局称，在一个飓风的生命周期中，其释放的能量相当于 10000 枚核弹的能量。就总动能而言，它每天可以释放 1.3 x 10^17 焦耳，约占全球发电能力的一半。而就降雨和云层形成而言，根据美国国家飓风中心克里斯·兰德西的分析，一个飓风每天可以产生 5.2 x 10^19 焦耳，约为全球能力的 200 倍。

简而言之，每年大约有 85 个热带风暴从温暖的海洋中产生，其中蕴藏着惊人的天然免费能源。其中约 45 个会发展成台风、飓风或热带气旋。但所有这些原始力量真的能被利用吗？

“台风射击”项目成员、东海大学海洋科学与技术学院名誉教授寺尾丰，已花费十多年时间研究船只如何从台风中获取能量。在 2007 年第二届海洋研究与运输国际会议上发表的一篇论文中，他概述了由 1000 艘台风船组成的船队如何能够满足日本每年的电力需求，而且不排放二氧化碳。藤安表示，“台风射击”团队采纳了寺尾的想法，并与对该倡议感兴趣的各个领域的研究人员进行了讨论。

人们可能会想象，针对台风的船只将配备风力涡轮机来发电。但横滨国立大学工程师光雪说，那会使它们固有地不稳定并导致它们倾覆。相反，这些船只可能运行的是一种古老的技术：风帆和螺旋桨。如果建造出来，每艘船都将配备车载储能电池、自主和远程导航，以及返回陆地卸载捕获能量的能力。

假设每年在日本附近发生 20 次台风，每艘带有大型螺旋桨的台风发电机船理论上可以产生足够的能量，为超过 30,000 个中等大小的美国住宅供电。“然而，这些只是简单的估算，并且会根据船只的设计和操作而有很大差异，因此需要进一步研究，”光雪说。“我们认为应该投放大量台风发电船才能使其成为一项可行的业务。”

对德费利斯来说，这个计划仍然存在重大疑问。他警告说，该项目的支持者应该意识到高昂的成本和成功的低可能性。即使一艘船可以被设计成能够抵御猛烈的风、海浪和整个飓风，仍然存在许多障碍。首先，该项目目前仅限于电脑屏幕。台风射击的第一个目标是实现更高分辨率的模拟——这是团队尝试控制风暴之前必不可少的一步，团队成员佐藤正树说。

展望未来，科学家们着眼于长远。日本内阁府和日本科学技术振兴机构全力支持该项目，并于 4 月任命藤安为项目经理。尽管天气改造历史坎坷，质疑者众多，但研究团队仍然坚信，在海面温度升高和风暴加剧的情况下，他们能够减轻台风威胁。“我希望未来台风不再夺走人们的生命，”坪木说。“台风控制或改造就像科幻小说中的梦想——但这并非不可能。”

蒂姆·霍尼亚克 是驻东京的作家和记者，报道日本科技、商业和文化。

模拟完美风暴

在尝试改变天气之前，“台风射击”项目的科学家们必须能够模拟热带风暴复杂的内部运作。幸运的是，他们拥有“富岳”超级计算机，该计算机在 2022 年被超越之前，曾连续两年被评为世界上最快的计算机。这台超级计算机是少数几台速度足够快，可以运行高分辨率台风模拟的计算机之一，这将决定团队的下一步行动。

具体来说，计算机模型让研究人员能够研究台风初级和次级眼墙结构，这些区域风速达到最高。东京大学的佐藤正树表示，这些是削弱台风强度的关键目标。目标是形成一个次级眼墙，吞噬第一个眼墙，从而降低风暴强度。为了正确分析这些风暴，“台风射击”团队需要一台能够处理极高分辨率模型的计算机。日本气象厅用于天气预报的数值模型分辨率为 1.2 英里，但佐藤认为需要大约半英里或更精细的分辨率才能提供更清晰的云结构视图。

“富岳”可以帮助弥合这一差距。它每秒可以完成超过 415 万亿次计算，比美国橡树岭国家实验室的“顶点”计算机快两倍多，后者在 2020 年被“富岳”从榜首位置取代。设计者将“富岳”比作在一个房间里拥有 2000 万部智能手机的算力。

这台超级计算机在日本神户的理化学研究所建造，经过十年的研发，耗资约 10 亿美元，于 2021 年 3 月完工。组装期间，“富岳”被用于抗击新冠肺炎疫情。在政府紧急呼吁下，原计划模拟内燃机燃料喷射系统的科学家们迅速调整了代码，以模拟空气传播病毒颗粒的动力学。此后，研究人员利用“富岳”开发了人工智能模型，以改进海啸洪水预测，并可能挽救生命。现在，“台风射击”团队希望“富岳”不仅能预测自然灾害，还能帮助改造它们。

天气改造简史

“台风射击”项目是在多年来美国军方多次尝试控制天空之后诞生的。这一切始于二战后，当时通用电气（GE）试图了解为什么冰有时会形成在美国飞机上并使其失灵。

为此，1946 年，通用电气科学家在纽约州北部通过人工增雨——向云层释放干冰——创造了世界上第一场人工降雪。在随后的“卷云项目”中，物理学家伯纳德·冯内古特（作家库尔特·冯内古特的兄弟，也是小说《猫的摇篮》的部分灵感来源）用碘化银（一种也用于电影摄影的化合物）增强了团队的造雪能力。通用电气宣称这项研究具有深远的应用前景：“造雨、改造飓风和清除机场附近的地面雾气是一些重要的可能性。”

美国海军和空军很快就为通用电气的实验提供了飞机。1947 年，一架 B-29 和两架 B-17 载着 180 磅干冰飞入东海岸向海面汹涌而去的飓风。风暴改变了方向，袭击了佐治亚州萨凡纳。尽管没有证据表明人工增雨与风暴转向之间存在因果关系，但该项目在公众强烈抗议中被搁置。

然而，扮演上帝的梦想并未就此消亡。团队成员欧文·朗缪尔——一位诺贝尔奖得主，启发了《猫的摇篮》中的费利克斯·霍恩尼克博士——登上了 1950 年《时代》杂志的封面。他的肖像标题是：“人类能学会控制他们所生活的环境吗？”在 20 世纪 50 年代中期一系列风暴登陆之后，美国政府增加了飓风研究支出。随后，在 1962 年，美国海军和商务部联合开展了一项名为“风暴之怒”的项目，派遣飞机进入飓风，用碘化银对云层进行播撒。科学家们推测，碘化银会冻结风暴中的过冷水，形成额外的细长云和降水结构，称为雨带，以耗散能量并降低风速。虽然在飓风“比尤拉”（1963 年）和“黛比”（1969 年）中风速有所降低，取得了一些早期成功，但结果无法与自然力量明确区分。该倡议在 20 世纪 70 年代遇到了麻烦，当时在太平洋进行的实验由于担心播撒后的风暴偏离自然路径，袭击毫无防备的国家而带来了外交挑战。

“风暴之怒”于 1983 年终止，但这并没有阻止其他梦想家。目前，美国八个州和数十个国家都在使用人工增雨，在最近的研究中取得了适度的效果。一些国家正在发挥创造力：饱受热浪困扰的阿拉伯联合酋长国目前正在试验用无人机对云层进行电击以引发降雨。但目前尚不清楚几十年前的技术，以及更新、更雄心勃勃的技术，是否能在对抗气候变化的斗争中发挥显著作用。