Когда ураган "Ида" направлялся в Мексиканский залив, группа ученых внимательно следила за гигантским, медленно закручивающимся бассейном теплой воды прямо впереди на его пути.
Этот теплый бассейн - вихрь - был предупреждающим знаком. Он был около 200 километров в поперечнике. И он должен был дать "Иде" толчок, который менее чем за 24 часа превратит ее из слабого урагана в опасный шторм 4-й категории, который обрушился на Луизиану недалеко от Нового Орлеана 29 августа 2021 года.
Ник Шей, океанограф из Школы морских и атмосферных наук Розенштиля при Университете Майами, был одним из этих ученых. Он объясняет, как эти вихри, являющиеся частью так называемого петлевого течения, помогают штормам быстро усиливаться и превращаться в чудовищные ураганы.
Как образуются эти вихревые течения?
Петлевое течение является ключевым компонентом большого гира, или кругового течения, вращающегося по часовой стрелке в северной части Атлантического океана. Его сила связана с потоком теплой воды из тропиков и Карибского моря в Мексиканский залив и обратно через Флоридский пролив между Флоридой и Кубой. Оттуда оно образует ядро Гольфстрима, который течет на север вдоль Восточного побережья.
В Персидском заливе это течение может начать сбрасывать большие теплые вихри, когда оно уходит к северу примерно от широты Форт-Майерс, штат Флорида. В любой момент времени в заливе может существовать до трех теплых вихрей, медленно движущихся на запад. Когда эти вихри образуются в сезон ураганов, их тепло может стать причиной катастрофы для прибрежных населенных пунктов в Персидском заливе.
Субтропическая вода имеет другую температуру и соленость, чем обычная вода Персидского залива, поэтому ее вихри легко определить. Они имеют теплую воду у поверхности и температуру 26 C или выше в слоях воды, простирающихся на глубину около 120-150 метров. Поскольку сильная разница в солености препятствует перемешиванию и охлаждению этих слоев, теплые вихри сохраняют значительное количество тепла.
Когда тепло на поверхности океана превышает 26 C, ураганы могут формироваться и усиливаться. В вихре, над которым проходила "Ида", температура поверхности превышала 30 C.
Как узнали, что этот вихрь станет проблемой?
Ученые ежедневно отслеживают теплосодержание океана из космоса и следят за динамикой океана, особенно в летние месяцы. Не забывайте, что теплые вихри в зимнее время также могут активизировать атмосферные фронтальные системы, как, например, "шторм века", который вызвал снежные бури на глубоком Юге в 1993 году.
Чтобы оценить риск, который этот тепловой бассейн представляет для урагана "Ида", ученые пролетели над вихрем на самолете и сбросили измерительные приборы, в том числе так называемые расходные материалы. Расходный парашют спускается на поверхность и выпускает зонд, который опускается примерно на 400-1500 метров ниже поверхности. Затем он отправляет обратно данные о температуре и солености.
В этом вихре тепло доходило примерно до около 150 метров ниже поверхности. Даже если штормовой ветер вызвал некоторое перемешивание с более холодной водой у поверхности, эта более глубокая вода не собиралась перемешиваться до самого дна. Вихрь должен был оставаться теплым и продолжать поставлять тепло и влагу.
Это означало, что Ида вот-вот получит огромный запас топлива.
Когда теплая вода простирается так глубоко, мы начинаем наблюдать падение атмосферного давления. Перенос влаги, или скрытого тепла, из океана в атмосферу поддерживается над теплыми вихревыми потоками, поскольку вихревые потоки существенно не охлаждаются. По мере того, как продолжается выделение скрытого тепла, центральное давление продолжает снижаться. В конце концов, поверхностные ветры почувствуют большие горизонтальные изменения давления в шторме и начнут ускоряться.
Именно это мы наблюдали за день до выхода урагана "Ида" на сушу. Шторм начал ощущать очень теплую воду в вихре. По мере того, как давление продолжает падать, штормы становятся сильнее и более четкими.
Является ли быстрая интенсификация новым явлением?
Мы знаем об этом влиянии на ураганы уже много лет, но метеорологи не сразу обратили внимание на теплосодержание верхнего слоя океана и его влияние на быструю интенсификацию ураганов.
В 1995 году ураган "Опал" был минимальным тропическим штормом, блуждавшим в Персидском заливе. В то время синоптики не знали, что в центре залива находится большой теплый вихрь, движущийся так же быстро, как пробки в Майами в час пик, с теплой водой на глубине около 150 метров. Метеорологи видели в спутниковых данных только температуру поверхности, поэтому, когда "Опал" быстро усилился и в конечном итоге обрушился на Флориду Панхендл, это застало многих врасплох.
Сегодня метеорологи внимательно следят за тем, где находятся очаги тепла. Не каждый шторм имеет все необходимые условия. Слишком сильный сдвиг ветра может разорвать шторм на части, но, когда атмосферные условия и температура океана чрезвычайно благоприятны, можно получить такие большие изменения.
Ураганы Катрина и Рита, оба в 2005 году, имели практически такую же сигнатуру, как и Ида. Они прошли над теплым вихревым течением, которое только готовилось отделиться от петлевого течения.
Ураган Майкл в 2018 году не проходил над вихрем, но он прошел над нитью вихря - как хвост - когда он отделялся от Петлевого течения. Каждый из этих ураганов быстро усиливался, прежде чем ударить по суше.
Конечно, такие теплые вихревые течения наиболее часто встречаются в сезон ураганов. Иногда такое происходит и на Атлантическом побережье, но Мексиканский залив и северо-западная часть Карибского бассейна более сдержанны, поэтому, когда шторм усиливается там, кто-то обязательно пострадает. Когда ураган усиливается вблизи побережья, как это произошло с "Идой", это может привести к катастрофе для жителей прибрежных районов.
Какое отношение изменение климата имеет к быстрой интенсификации?
Мы знаем, что происходит глобальное потепление, и мы знаем, что температура поверхности в Мексиканском заливе и в других местах повышается. Однако, когда речь идет о быстрой интенсификации, я считаю, что многие из этих термодинамических процессов носят локальный характер. Насколько велика роль глобального потепления, остается неясным.
Это область плодотворных исследований. Ученые проводят мониторинг теплосодержания океана в Персидском заливе уже более двух десятилетий. Сравнивая температурные измерения, сделанные нами во время "Иды" и других ураганов, со спутниковыми и другими атмосферными данными, ученые смогут лучше понять, какую роль играет океан в быстром усилении ураганов.
Получив эти данные, ученые смогут более точно настроить компьютерные модели, используемые в прогнозах, чтобы в будущем выдавать более подробные и точные предупреждения.
Многие биологи считают, что есть, такие типы вирусов: бактериофаги или вирусы, заражающие бактерии. Когда ДНК этих вирусов попадает в клетку, она может содержать инструкции, позволяющие клетке выполнять новые трюки.
Могучая сила бактериальных вирусов
Бактериофаги, или сокращенно фаги, держат под контролем популяции бактерий как на суше, так и в море. Ежедневно они убивают до 40% бактерий в океанах, помогая контролировать цветение бактерий и перераспределение органических веществ.
Их способность избирательно убивать бактерии также радует врачей. Природные и сконструированные фаги успешно используются для лечения бактериальных инфекций, которые не поддаются антибиотикам. Этот процесс, известный как фаговая терапия, может помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.
Последние исследования указывают на еще одну важную функцию фагов: они могут быть самыми лучшими генетическими мастерами природы, создающими новые гены, которые клетки могут перестраивать для получения новых функций.
Фаги являются самой распространенной формой жизни на планете: в любой момент в мире насчитывается не один миллион - это единица с 31 нулем после нее. Как и все вирусы, фаги имеют высокую скорость репликации и мутации, то есть при каждом размножении они образуют множество вариантов с различными характеристиками.
Большинство фагов имеют жесткую оболочку, называемую капсидом, которая заполнена их генетическим материалом. Во многих случаях оболочка имеет больше места, чем требуется фагу для хранения ДНК, необходимой для его репликации. Это означает, что у фагов есть место для хранения дополнительного генетического багажа: генов, которые на самом деле не нужны для выживания фага и которые он может изменять по своему усмотрению.
Как бактерии перенастроили вирусный переключатель?
Чтобы понять, как это происходит, давайте более подробно рассмотрим жизненный цикл фага.
Фаги бывают двух основных видов: умеренные и вирулентные. Вирулентные фаги, как и многие другие вирусы, действуют по программе "вторжение-репликация-убийство". Они проникают в клетку, захватывают ее компоненты, создают свои копии и вырываются наружу.
Фаги умеренного типа, с другой стороны, играют в долгую игру. Они соединяют свою ДНК с ДНК клетки и могут лежать в спящем состоянии годами, пока что-то не вызовет их активацию. Тогда они возвращаются к вирулентному поведению: реплицируются и вырываются наружу.
Многие умеренные фаги используют повреждение ДНК в качестве пускового механизма. Это своего рода сигнал "Хьюстон, у нас проблема". Если ДНК клетки повреждается, это означает, что ДНК фага-резидента, скорее всего, будет повреждена следующей, поэтому фаг мудро решает перепрыгнуть на другой корабль. Гены, которые направляют фаг на репликацию и вырываются наружу, выключены, если не обнаружено повреждение ДНК.
Бактерии перенастроили механизмы, контролирующие этот жизненный цикл, чтобы создать сложную генетическую систему, которую ученые изучают уже более двух десятилетий.
Бактериальные клетки также заинтересованы в том, чтобы знать, не повреждается ли их ДНК. Если это так, они активируют набор генов, которые пытаются восстановить ДНК. Эта реакция известна как бактериальная реакция SOS, потому что если она не сработает, клетка погибнет. Бактерии организуют SOS-ответ с помощью белка, похожего на переключатель, который реагирует на повреждения ДНК: Он включается, если есть повреждение, и выключается, если его нет.
Возможно, что бактериальные и фаговые переключатели эволюционно родственны. В связи с этим возникает вопрос: Кто изобрел переключатель, бактерии или вирусы?
Предыдущие исследования и работы других исследователей показывают, что фаги сделали это первыми. В нашем недавнем докладе мы обнаружили, что SOS-реакция бактерий Bacteroidetes, группы бактерий, составляющих до половины бактерий, живущих в вашем кишечнике, находится под контролем фагового переключателя, который был перенастроен для реализации собственных сложных генетических программ бактерий. Это позволяет предположить, что бактериальные SOS-переключатели на самом деле являются фаговыми переключателями, которые были перенастроены много веков назад.
Не только бактериальные переключатели оказываются изобретениями фага. Прекрасная детективная работа показала, что бактериальный ген, необходимый для деления клеток, также возник в результате "одомашнивания" гена токсина фага. А многие системы бактериальной атаки, такие как токсины и генетическое оружие, используемое для их введения в клетки, а также камуфляж, который они используют для уклонения от иммунной системы, известны или подозреваются в фаговом происхождении.
Положительные стороны вирусов.
Хорошо, подумаете вы, фаги - это здорово, но вирусы, которые нас заражают - это, конечно, не круто. Тем не менее, появляется все больше доказательств того, что вирусы, заражающие растения и животных, также являются основным источником генетических инноваций в этих организмах. Например, было показано, что одомашненные вирусные гены играют ключевую роль в эволюции плаценты млекопитающих и в поддержании влажности кожи человека.
Последние данные свидетельствуют о том, что даже ядро клетки, в котором находится ДНК, также могло быть вирусным изобретением. Исследователи также предположили, что предки современных вирусов могли быть пионерами в использовании ДНК в качестве первичной молекулы для жизни. Не такой уж маленький подвиг.
Поэтому, хотя вы привыкли считать вирусы квинтэссенцией злодея, они, возможно, являются мощным двигателем генетических инноваций в природе. Люди существуют сегодня, скорее всего, благодаря им.
Этот прорыв в медицине обычно приписывают одному человеку, Фредерику Бантингу, который искал лекарство от диабета. Но создание надежного средства для лечения диабета зависело от исследований двух других ученых, Оскара Минковского и Сёрена Сёренсена, которые ранее проводили исследования на, казалось бы, несвязанные темы.
История инсулина иллюстрирует тот факт, что медицинские инновации строятся на фундаменте науки, а затем требуются квалифицированные инженеры, чтобы вывести лечение из лаборатории и доставить его людям, которые в нем нуждаются.
Эта идея, в некотором роде, заложена в правилах легкой атлетики. В соревнованиях с несколькими забегами - от студенческого уровня до Олимпийских игр - люди, показавшие более высокое время в ранних забегах, назначаются на средние дорожки в последующих забегах. Другими словами, самые быстрые бегуны получают вознаграждение в виде, как предполагается, лучших дорожек.
Моя недолгая беговая карьера давно позади, но в своей профессиональной деятельности я много думаю об использовании статистики для извлечения смысла из данных. В преддверии Олимпийских игр я решил проверить достоверность фольклора о распределении дорожек, оставшегося со времен моей спринтерской карьеры.
Используя данные Международной ассоциации легкоатлетических федераций за 20 лет, я обнаружил, что давние убеждения о преимуществе дорожки не подтверждаются данными. И на самом деле, в спринте на 200 метров данные свидетельствуют о том, что дорожки, которые часто воспринимаются как наименее желательные, на самом деле являются самыми быстрыми.
Первым шагом в создании модели затонувшего корабля было обучение компьютера тому, как выглядит затонувший корабль. Также важно было научить компьютер отличать затонувшие корабли от рельефа морского дна. Для этого понадобилось множество примеров кораблекрушений. Также нужно было научить модель тому, как выглядит естественное дно океана.
Удобно, что Национальное управление океанических и атмосферных исследований ведет общедоступную базу данных о затонувших кораблях. У нее также есть большая общедоступная база данных различных видов изображений, собранных по всему миру, включая сонарные и лидарные снимки морского дна.
Техническая поддержка проекта ВсеТут