با صدای خش خش برگ‌ها، جیرجیر لولای درها و تکان درخت‌ها در باد شروع می‌شود. بعد از آن صدای کرکننده‌ای به گوش می‌رسد؛ مثل قطار باری که به سرعت نزدیک می‌شود، صدای میخی که به زور از تخته چوبی بیرون می‌کشند، و برخورد و کوبیده شدن تصادفی تکه‌پاره‌هایی که در هوا به پرواز درآمده‌اند. اینها توصیفات کسانی است که از تندبادهای مرگبار جان به در برده‌اند و لحظات فرار و پناه گرفتن خود از این توفانها را به یاد می‌آورند.
غالبا فرصت چندانی برای هشدار قبل از گردباد نیست اما خیلی وقت‌ها همان فرصت اندک هم جان بسیاری را نجات می‌دهد.
با وجود این صدای دیگری هم هست که همراه با گردباد می‌آید اما ما قادر به شنیدن آن نیستیم. فرکانس این صدا آنقدر پایین است که گوش انسان توانایی شنیدن آن را ندارد، اما این صدا می‌تواند امکان هشدار زودتر و دقیق‌تری برای توفان‌های ویرانگر فراهم کند.
سرعت باد در توفان‌هایی که گردباد می‌سازند، می‌تواند به بیش از ۴۸۰ کیلومتر در ساعت برسد و چنین بادهایی امواج صوتی با فرکانس پایین یا فروصوت تولید می‌کنند که می‌تواند صدها کیلومتر حرکت کند.
شنیدن یا در واقع دریافت این امواج فروصوت ممکن است مانع از ویرانی شهرها و پرواز ماشین‌ها مثل تکه‌های اسباب‌بازی در هوا نشود، اما می‌تواند به ایجاد نوعی سیستم هشدار زودهنگام کمک کند که ممکن است جان بسیاری را نجات دهد.
پیش‌بینی‌های غیر قابل اطمینان
در آمریکا سالانه به طور متوسط حدود ۱۲۰۰ گردباد در مسیر خود ویرانی و نابودی به جا می‌گذارند و بیشتر آنها از دشت‌های بزرگ مناطق مرکزی ایالات متحده می‌گذرند. این توفانها سالانه میلیون‌ها و در بعضی سال‌ها حتی میلیاردها دلار خسارت به بار می‌آورند و از سال ۱۹۵۱ تاکنون هر سال به طور متوسط جان ۸۷ نفر را می‌گیرند، هر چند که آمار کشته‌ها سال به سال به شدت متفاوت است.
به گفته «اداره ملی اقیانوسی و جوی» آمریکا در جریان ۱۴۰۰ گردبادی که از آغاز سال ۲۰۲۳ رخ داده، ۷۶ نفر جانشان را از دست داده‌اند. یکی از این تندبادها که عمرش به شکلی غیرعادی زیاد بود، بیش از ۲۰۰۰ خانه را در مسیر ۹۵ کیلومتری خود ویران کرد و ۲۶ کشته به جا گذاشت. در ماه دسامبر چندین گردباد قوی ایالت تنسی را در هم نوردید و جان دو نفر -یک مادر و پسر دو ساله‌اش- را گرفت.
پیش‌بینی این پدیده جوی بسیار دشوار است چون هنوز تصویر واضح و مشخصی وجود ندارد که چه می‌شود که یک گردباد در جریان توفانی شکل می‌گیرد یا چه می‌شود که شکل نمی‌گیرد. حتی زمانی که این گردبادها شکل می‌گیرند، ستون پرآشوب هوا در میان آنها از قاعده خاصی پیروی نمی‌کند و رفتاری نامعین دارد.
دهه‌هاست که هواشناسان در تلاش و تقلا بوده‌اند که بفهمند کدام توفانها باعث ایجاد گردباد می‌شود و کدام نمی‌شود.
کریس نووتارسکی، استادیار دانشکده علوم جوی در دانشگاه ای اند ام تگزاس می‌گوید هر چند که کارشناسان در زمینه پیش‌بینی شرایطی که می‌تواند منجر به تشکیل گردباد شود عملکرد «نسبتا خوبی» داشته‌اند، اما پیش‌بینی این که این گردبادها به طور مشخص کجا و چه زمانی تولید می‌شود، بسیار سخت‌تر است.
او می‌گوید: «از میان چندین توفانی که به نظر می‌آید در شرایط مشابه جوی قادر به تولید گردباد هستند، تنها یک یا دو توفان در عمل گردباد به وجود می‌آورد.»
مخرب‌ترین گردبادها از «توفان‌های ابریاخته‌ای» به وجود می‌آید. این توفان‌های تندری سهمگین از یک جریان پایدار هوای چرخان رو به بالا به وجود می‌آیند که با نام «میان‌چرخند» شناخته می‌شوند. چنین پدیده‌ای ابرهای سندانی بلند به وجود می‌آورد و باعث ایجاد شرایط جوی شدیدی مانند باران‌های سنگین، بادهای شدید و بارش تگرگ‌های بزرگ می‌شود.
وقتی شرایط مهیا باشد جریان هوای رو به پایین در توفان ابریاخته‌ای، تمرکز هوای چرخنده را به لایه‌های پایین‌تر جو می‌برد و در نهایت این جریان هوا در ستونی باریک متمرکز می‌شود که وقتی به زمین می‌رسد تبدیل به یک گردباد می‌شود.
اما با وجود آن که نظریه‌های زیادی درباره دلیل وقوع این اتفاق وجود دارد -مثل اختلاف‌های دمایی در هوای خارج از توفان- اما شرایط دقیقی که باعث شکل گرفتن یک گردباد می‌شود، هنوز به طور کامل شناخته نشده است.
خود باد برای انسان قابل رویت نیست، بلکه تنها به دلیل وجود بخار آبی قابل دیدن می‌شود که در قالب ابری قیف‌شکل در داخل بخش میانی گردباد، جایی که فشار هوا پایین‌تر است، تقطیر می‌شود. علاوه بر این حرکت خاک و خرابه‌ها هم به رویت جریان باد کمک می‌کند.
رادار داپلر می‌تواند شیوه‌ای برای تشخیص میان‌چرخندها در هنگام شکل گرفتن آنها باشد، چون آبی که این توفانها به همراه خود می‌آورند، امواج رادار را بازتاب می‌دهد. اما متخصصان هواشناسی به ندرت قادر به تشخیص گردبادهای واقعی با استفاده از این روش هستند.
نووتارسکی می‌گوید چنین چیزی می‌تواند باعث آن شود که سیستم هشدار گردبادی که به این شیوه متکی است، در بسیاری از مواقع زنگ خطر را به اشتباه به صدا دربیاورد؛ یعنی زمان‌هایی که توفان ابریاخته‌ای که رادار آن را تشخیص داده، هرگز گردبادی تولید نمی‌کند. در اکثر مواقع سیستم‌های تشخیص توفان روی زمین لازم است تا تایید کنند که آیا گردبادی تشکیل شده یا نه.
نووتارسکی می‌گوید «بسیاری از توفان‌هایی که به نظر می‌آید قرار است گردباد به وجود بیاورند، هرگز این کار را نمی‌کنند. هشدارهای اشتباه دردسرساز است، چون یک هشدار گردباد می‌تواند خیلی چیزها از جمله کار و زندگی مردم را مختل کند. با این که چنین اختلالی به اندازه یک گردباد واقعی مخرب نیست اما تبدیل شدن این سیستم به ‘چوپان دروغگو’ باعث می‌شود که مردم بعد از مدتی با وجود اخطارها احتیاط‌های لازم را در پیش نگیرند و برای زمانی که واقعا قرار است گردباد بیاید آمادگی نداشته باشند.»
پیش‌بینی‌کننده‌های وضع هوا هم عادت دارند که در هنگام صدور هشدارهای جوی، جانب احتیاط را در پیش بگیرند که البته قابل درک است، چون پیامدهای پناه نگرفتن می‌تواند مرگبار باشد.
اما نووتارسکی می‌گوید هشدارهای اشتباه منجر به فرسودگی می‌شود و به خصوص در شرایط وقوع چند پدیده جوی با همدیگر، می‌تواند به شدت مشکل‌ساز شود که پدیده‌هایزمانی مشکل‌ساز می‌شود؛ زمانی که گردباد در هنگام فرود آمدن تندبادها یا هم‌زمان با سیلاب‌های ناگهانی رخ بدهند.
این مشکلات پیش‌بینی‌کنندگان وضع هوا را بر آن داشته که به دنبال شیوه‌های دیگری برای پیش‌بینی وقوع گردباد بگردند.
شنیدن صدای گردباد
از دهه ۱۹۷۰ میلادی تاکنون دانشمندان سعی می‌کنند به صدای گردبادها گوش دهند و تلاش می‌کنند دریابند که آیا آنها صدای منحصر به فردی تولید می‌کنند یا نه. شواهد تجربی نشان می‌دهد که در جریان شکل‌گیری یک گردباد و در دوره فعالیت آن، امواج فروصوت با فرکانس پایین -بین یک تا ۱۰ هرتز- تولید می‌شود.
مجموعه سنجش‌هایی که در ماه مه سال ۲۰۲۰ روی گردبادی در نزدیکی شهر لاکین در ایالت تگزاس انجام شد نشان داد که این گردباد امواجی متمایز، با فرکانسی بین ۱۰ تا ۱۵ هرتز تولید می‌کند. در بعضی موارد مجموعه‌ای از میکروفن‌های تشخیص امواج فروصوت، صدای تولیدی گردبادها را از فاصله بیش از ۱۰۰ کیلومتری شناسایی کرده‌اند و علاوه بر آن نشان داده‌اند که تولید امواج فروصوت حتی پیش از آغاز روند تشکیل گردباد شروع می‌شود.
پژوهشگران امیدوارند که با گوش دادن به این صداها، این امکان به وجود بیاید که نه تنها بتوان صدای گردبادهای در حال نزدیک شدن را شنید، بلکه شاید بتوان حتی تا دو ساعت قبل از شکل گرفتن این پدیده‌های جوی، وقوع آنها را پیش‌بینی کرد.
از سال ۲۰۲۰ تیمی از دانشگاه ایالتی اوکلاهما با استفاده از تجهیزاتی که در خودروهای تعقیب گردبادها نصب کرده‌اند، توان پیش‌بینی از طریق این امواج فروصوت را محک زده‌اند. کیت آزمایشی قابل حمل آنها «گلیندا» نام دارد، که هم مخفف نام کامل آن به زبان انگلیسی است (Ground-based Local Infrasound Data Acquisition) و هم ارجاعی به یکی از شخصیت‌های داستان جادوگر شهر اوز.
آنها امیدوارند که این سیستم به تعقیب‌کنندگان توفانها کمک کند تا بتوانند به صورت زنده و در زمان واقعی، رصد بهتر و دقیق‌تری از روند پیدایش گردبادها باشند. اما لازمه تحقق چنین خواسته‌ای این است که این تجهیزات در زمان مناسب در مکان مناسب قرار بگیرند.
بعضی محققان هم روی سیستم‌هایی کار می‌کنند که می‌توان آنها را به صورت دائمی رها کرد تا گردبادها را رصد کنند. گروهی که راجر وکسلر، از «مرکز ملی فیزیک آکوستیک» هدایت آن را بر عهده دارد، و در دانشگاه می‌سی‌سی‌پی فعالیت می‌کند، قصد دارند چهار مجموعه از حسگرهای پیشرفته را برای تشخیص امواج فروصوت، به صورت دائمی در جنوب می‌سی‌سی‌پی کار بگذارند. آنها امیدوارند که این سیستم شیوه‌ای برای رصد و تشخیص مداوم گردبادها فراهم کند.
وکسلر می‌گوید: «تحلیل داده‌هایی که طی سال‌ها در فصل گردباد جمع‌آوری شده، تردید اندکی درباره این موضوع به جا گذاشته که گردبادها امواج فروصوتی از خود ساطع می‌کنند که با مجموعه‌ای از حسگرهای فروصوت قابل تشخیص هستند و می‌توان از فاصله زیاد آنها را ردگیری کرد. این مسئله به ما اطمینان می‌دهد که می‌توان مسیر گردباد را با به‌کارگیری هم‌زمان مجموعه‌ای از تجهیزات شناسایی امواج فروصوت، تشخیص داد.»
مجموعه‌ای که او و تیمش در حال پیاده‌سازی آن هستند، دست کم در طول سه فصل وزش گردباد فعال می‌ماند و آنها امیدوارند که این دوره طولانی بتواند امکان تحلیل داده‌های فروصوت را به صورت زنده و هم‌زمان برای آنها فراهم کند.
تیم وکسلر ابتدا با استفاده از حسگرهایی که در اصل برای تشخیص آزمایش‌های مخفیانه تسلیحات هسته‌ای به کار می‌رود، شروع به جمع‌آوری داده برای تایید نظریه‌شان درباره امواج فروصوت کردند. او می‌گوید: «این تجهیزات از جمله پیشرفته‌ترین ابزاری هستند که برای تشخیص امواج حاصل از انفجارهای عظیم به کار می‌روند.»
سال ۲۰۱۱ بعد از وقوع چندین گردباد در ایالت اوکلاهما تیم او داده‌هایی را که گردآوری کرده بودند، بررسی کرد و توانست یکی از این گردبادها را که در توفان EF4 تشکیل شده بود در مسیری حدود ۱۶۰ کیلومتری دنبال کند. وکسلر می‌گوید «در آن مورد گردباد به اندازه‌ای نزدیک شد که امواج حاصل از آن بسیار قوی بود.»
آنها در ابتدا شروع به تعقیب گردبادها و رها کردن حسگرها در نزدیک‌ترین فاصله ممکن به آنها کردند، کاری که او الان می‌گوید «ایده واقعا بدی» بود. اما بعد به این نتیجه رسیدند که مجموعه تجهیزات تشخیص گردباد در نقاطی ثابتی نصب کنند.
بعدتر در سال ۲۰۲۰ پژوهشگران از این حسگرها برای شناسایی تقریبا تمام گردبادهایی که از منطقه شمال آلاباما عبور می‌کرد، استفاده کردند.
یکی از نگرانی‌ها درباره عملکرد سیستم هشدار زودهنگامی که به صورت بالقوه با تشخیص امواج فروصوت کار می‌کند، این است که آیا چنین سیستمی خواهد توانست بین امواج گردباد و صداهای مربوط به توفان،به صورت کلی، تمایز قائل شود یا نه.
وکسلر می‌گوید: «حتی یک مورد بود که ماهیت سیگنال تغییر کرد و ما می‌توانستیم ببینیم که گردباد در آسمان است. این تغییر می‌تواند برای برای تشخیص میان گردبادهایی که روی زمین تشکیل می‌شود با آنها که در آسمان شکل می‌گیرد، مفید باشد.»
چالش‌های بیشتری هست که باید بر آن غلبه کرد. صدای باد می‌تواند در اندازه‌گیری‌های مربوط به امواج فروصوت تداخل ایجاد کند و علاوه بر این درباره این موضوع که آیا امواج فروصوت در تشخیص بین انواع مختلف توفان قابل اعتماد هستند یا نه، تردید وجود دارد.
نووتارسکی می‌گوید: «نتایج یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که توفان‌های گردبادزا و آنها که منجر به تشکیل گردباد نمی‌شوند، ممکن است امواج فروصوتی بسیار مشابهی تولید کنند، بنابراین قابلیت استفاده از امواج فروصوت برای هدایت ما به سوی گردبادهای بالقوه ممکن است محدود باشد.»
وکسلر می‌گوید بعضی منابع تولید امواج فروصوت را در گونه‌هایی از توفانها مثل توفان تندری می‌توان به سادگی تشخیص داد. به گفته او «توفان تندری ویژگی‌های طیف متفاوتی دارد [مانند فواصل میان ضربات توفان، دامنه نوسان و طول امواج آن]. یعنی به سادگی می‌توان گفت که این یک گردباد نیست.»
اما این را هم اضافه می‌کند که تشخیص تفاوت میان گردبادها و توفان‌های ابریاخته‌ای که گردباد نمی‌سازند، کار دشواری است. بخشی از آن ممکن است به این دلیل باشد که بعضی توفان‌های ابریاخته‌ای گردباد تولید می‌کنند، اما شاهدان عینی نمی‌توانند آن را ببینند تا بتوان از این راه امواج فروصوت حاصل از آنها را تایید کرد. وکسلر می‌گوید که برای این کار به داده‌های بیشتری نیاز است.
اعلام هشدار مناسب
با وجود این وکسلر و تیمش امیدوارند آزمایش‌های آنها در طی یک دهه اخیر منجر به ساخت یک سیستم کارآمد هشدار زودهنگام برای تشخیص گردبادها شود، به ویژه با ترکیب شیوه‌ای که روی آن کار می‌کنن با منابع و تجهیزات دیگری مانند رادار داپلر.
وکسلر می‌گوید: «دور از ذهن نیست که ما بتوانیم مکان یک گردباد را با دقتی به اندازه نصف یک زمین فوتبال درگیری کنیم. می‌توانم نقشه‌ای را تصور کنم که وقتی روی اپلیکیشن هشدار باز می‌کنیم، نقطه‌ای را نشان دهد که در واقع گردبادی است که مثلا در حال نزدیک شدن به یک خیابان مشخص در شهر است.»
درد دهه‌های گذشته سیستم‌های هشدار پیشرفت کرده است: از سال ۲۰۰۳ تا ۲۰۱۷، سیستم‌های هشداردهنده حدود ۸۷ درصد از گردبادهای مرگبار را زودتر تشخیص داده‌اند، اما هنوز هم مردم تنها بین ۱۰ تا ۱۵ دقیقه زمان دارند تا خود را به پناهگاه برسانند.
نتایج تحقیقی که بر اساس مصاحبه با ۲۳ بازمانده دو گردباد ویرانگر انجام شده، نشان داده است که مردم هم‌زمان با افزایش خطر تلاش می‌کنند با ارزیابی موقعیت به آن واکنش نشان دهند، اما مسئله این است که بعضی از آنها جایی ندارد که در فرصت کوتاه به آن پناه ببرند.
کارشناسان بر این باورند که هشدارهای مربوط به گردباد به دلیل تکراری شدن هشدارهایی که به غلط داده می‌شود و ساعت‌ها پوشش تلویزیونی آنها، در بیشتر مواقع نادیده گرفته می‌شود. نتایج یک پژوهش نشان داده است که ۳۷ درصد مردمی که از آنها سوال شده، لزوم در نظر گرفتن اقدامات احتیاطی را در زمان هشدار گردباد متوجه نشده‌اند.
وکسلر امیدوار است که ساخت یک سیستم هشدار زودهنگام دقیق می‌تواند شیوه واکنش مردم را در هنگام نزدیک شدن توفان تغییر دهد. او می‌گوید: «اگر بدانید که گردباد کجاست، ممکن است به جای پناه گرفتن در وان حمام یا انبار، بهتر باشد که سوار خودروهایشان شوند و از آن منطقه دور شوند.»
