Помни о землетрясении; почувствовав землетрясение, помни о цунами; увидев цунами, убегай в сопки.
Надпись (иероглифами), вырезанная в камне
26 декабря 2004 г. в Индийском океане вблизи о. Суматра произошло сильнейшее землетрясение и последующее цунами, приведшие к беспрецедентным в истории жертвам и разрушениям (более 260 тыс. жертв). Катастрофа носила глобальный характер: пострадали не только районы в непосредственной близости от эпицентра, но и участки побережья, удалённые от него на тысячи километров. Волны были зарегистрированы повсеместно – в Атлантике, Тихом океане, на побережье Антарктиды и т.д. Фактически мы оказались свидетелями катастрофы планетарного масштаба, стоящей в одном ряду с падением Тунгусского метеорита, взрывом вулкана Кракатау и др. Поисковые группы обнаружили участки побережья на юге Суматры, где высота наводнения достигала 35 м! Это выше 12-этажного дома.
Что же такое цунами? Слово это японского происхождения и означает большая волна. Япония является страной, наиболее часто подвергавшейся атакам этих чудовищных волн. Там, на берегу, можно встретить старинные каменные столбы с надписями, предупреждающими об опасности цунами.
Учитывая специфический характер поражающих факторов цунами, это стихийное бедствие можно отнести к одному из наиболее неотвратимых природных явлений. Чудовищные объёмы морской воды, накатывающие на берег, в большинстве случаев не могут быть остановлены искусственными защитными сооружениями. Высота наводнения порой превышает 10 м, а в некоторых зонах побережья (в области мелководного шельфа, в устьях рек и др.) волна приобретает форму бора (бурлящего водяного вала, водной стены). Двигаясь с огромной скоростью в глубь берега, этот вал воды аккумулирует колоссальную динамическую энергию, уничтожая на своём пути суда и строения (рис. 1).
Рис. 1. Волна в виде бора
Возникают такие волны в большинстве случаев в результате сильного подводного землетрясения. Однако известны случаи, когда цунами возникало в случае взрывов подводных вулканов, падений скал в воду, подводных оползней и др. На рис. 2 показаны различные механизмы возбуждения волн цунами: сейсмический, вулканический, оползневый, метеорологический. Что же объединяет все эти механизмы? Общим является эффект быстрого вытеснения значительных объёмов воды: в результате сейсмо-тектонического разлома дна, вулканического взрыва на дне океана, внедрения в воду огромных масс оползня, движущегося по наклонному дну, или резкого изменения атмосферного давления (водная поверхность испытывает внезапное воздействие атмосферы, например, во время грозового фронта).
Рис. 2. Различные механизмы возбуждения волн цунами
Волны цунами относятся к так называемым длинным волнам – расстояние от гребня к гребню (длина волны) значительно превосходит глубину океана. С точки зрения гидродинамики волны цунами близки по своей природе к приливам. Цунами и приливы отличаются от обычных ветровых (штормовых) волн и морской зыби. Ветровое волнение затрагивает лишь верхний слой океана, на глубине 50 м волнение уже не ощущается. А приливы и течения, вызванные волной цунами, вовлекают в движение всю водную массу – от дна до поверхности (рис. 3).
Рис. 3. Траектории частиц воды ветровых волн и волн цунами
Скорость распространения волны цунами определяется глубиной океана H и ускорением свободного падения g: . (К сожалению, вывод формулы для скорости длинных гравитационных поверхностных волн сложен для школы. Однако с помощью размерного анализа её можно вывести с точностью до константы. Если жидкость бесконечно глубокая, единственная величина, имеющая линейный размер, это длина волны . Другой физический параметр – это гравитационная постоянная g, обеспечивающая возвращающую силу при колебаниях частиц воды Других физических параметров, влияющих на скорость, нет. Тогда размерность скорости можно составить только из комбинации . Соответственно , или, в простом случае, (когда . Для неглубокой жидкости
H и формула сложнее, размерным анализом не обойтись. Стоит заметить, скорость длинных волн записывается почти так же, как скорость истечения жидкости из сосуда с дырочкой в дне, высота заполнения которого равна H: .)
При приближении к берегу глубина океана уменьшается, и волна замедляется. Кинетическая энергия частиц жидкости, распределённая по вертикали, сосредотачивается во всё меньшем столбе жидкости. Именно поэтому высота волны возрастает при приближении к берегу. Высота волны цунами в открытом океане обычно невелика – не более 1 м (рис. 4). Однако, приближаясь к берегу, гребень волны становится выше и круче, и наконец на мелководье происходит его обрушение и образуется бор.
Рис. 4. Схема образования и распространения волны цунами
В глубоком океане (H = 4000 м) скорость распространения волны огромна: (720 км/ч). Такова примерно скорость реактивного самолёта! Когда волна выходит на мелководье (H = 10 м), скорость снижается до «автомобильной», (36 км/ч), но при этом высота гребня может достигать 10 и более метров!
Специалисты службы оповещения о волнах цунами, получив сведения о сильном подводном землетрясении (положение эпицентра), рассчитывают время подхода волны к берегу по формуле , где x и y – координаты точки на карте глубин. На рис. 5 приведена такая карта Тихого океана, на которой нанесены изолинии времён добегания волны Шикотанского цунами 4 октября 1994 г. Видно, что волна достигла побережья самой южной части Южной Америки примерно за сутки. На основе таких расчётов принимается решение: необходимо ли эвакуировать население немедленно или есть время, чтобы подготовиться к нему.
Как и все виды волн (звук, свет, радиоволны), цунами испытывает затухание, отражение, преломление и рассеяние.
Рис. 5. Расчёт времен добегания волны Шикотанского цунами 4 октября 1994 г. Изолинии нанесены в часах. Эпицентр отмечен чёрным кружком
Затухание волн. В открытом океане с ровным дном энергия волны затухает как 1/r, где r – расстояние от источника. Соответственно амплитуда (высота) волны уменьшается как . Такое затухание иногда называют геометрическим расхождением. Кроме эффекта геометрического расхождения волна испытывает затухание за счёт рассеяния на неоднородностях рельефа дна.
Отражение. Отражение волны от крутого берега приводит к удвоению её амплитуды на берегу. Если амплитуда набегающей волны 5 м, то при отражении на линии берега высота составит 10 м. Коэффициент отражения от берега-стенки близок к 1. Однако, если берег покатый, при выходе волны на мелководье происходит обрушение гребня. Оказывается, когда высота волны a сравнима с глубиной воды H, разница между скоростями движения «подошвы» волны и её гребня становится существенной. Вершина волны, скорость движения которой равна , догоняет подошву, движущуюся со скоростью , что и вызывает обрушение (рис. 6). Естественно, после этого коэффициент отражения становится существенно меньше единицы. Волновая энергия в этом случае расходуется на трение в бурлящем потоке.
Рис. 6. Обрушение волны цунами при выходе на мелководье
Преломление. В роли коэффициента преломления для волн цунами выступает скорость . Чем меньше глубина воды, тем скорость распространения меньше. Соответственно «луч» цунами всегда загибается в сторону мелководья. Особенности топографии дна могут создавать дополнительные эффекты. На шельфе, глубина которого в среднем 200 м, могут образовываться так называемые «захваченные» волны. Если источник цунами находится в пределах протяжённого шельфа, часть лучей цунами не может покинуть мелководную часть и уйти в глубокий океан из-за эффекта полного внутреннего отражения (рис. 7).
Рис. 7. Схема образования захваченных и излучённых волн
Захваченные шельфом волны, распространяясь вдоль берега, практически не затухают. Такая особенность волнового поля называется волноводом. Явление волновода может возникать не только вблизи берега. Академик М.М.Лаврентьев показал, что цунами-волноводы могут образовываться и над подводными хребтами. При этом эффект полного внутреннего отражения проявляется справа и слева от оси хребта.
Цунамиопасные зоны. Наиболее часто цунами возникают в зонах высокой сейсмичности. К ним прежде всего относятся так называемые зоны субдукции или, иными словами, зоны сочленения океанической и материковой тектонических плит. На карте Тихого океана (рис. 8) хорошо видно, что сильнейшие землетрясения и цунами возникали в ХХ в. по периметру океана в окрестности континентального склона в океане. Согласно теории плитовой тектоники океанические плиты постоянно «раздвигаются» в обе стороны от срединного океанического хребта в направлении материка (рис. 9) со скоростью несколько сантиметров в год. Источником такого движения плит является постоянный выход наружу магмы из глубины Земли в районе срединных океанических хребтов. Сталкиваясь с материковой плитой, относительно тонкая океаническая плита погружается в глубь Земли. Постоянный «напор» океанической плиты постепенно приводит к накоплению энергии упругого сжатия в земной коре, которая в конце концов высвобождается в виде мощного землетрясения – возникает тектонический разлом. Часть дна вздымается вверх, а часть опускается. Это смещение может достигать нескольких метров и более, при этом горизонтальные размеры очага порой превышают 1000 км. Именно это внезапное смещение дна, образуемое при возникновении тектонического разлома земной коры, и формирует гигантские волны цунами в океане.
Рис. 8. Карта Тихого океана. Показаны очаги цунами в ХХ в.
Рис. 9. Тектоническая схема возникновения землетрясений в зоне субдукции
Основные зоны субдукции расположены по периметру Тихого и Атлантического океанов. Наиболее тектонически активные участки прилегают к побережьям Японии, Чили, Курильских островов, Камчатки, Алеутских островов, Аляски и Индонезии. Здесь скорость движения океанической плиты достигает 6–8 см/год. Как следствие время от времени здесь происходят мощные подводные землетрясения и цунами. Самое страшное цунами в нашей стране обрушилось на побережье Курильских островов и Камчатки 4 ноября 1952 г. в результате подводного землетрясения. Тогда был полностью смыт п. Северокурильск и погибли около 3000 человек. Последнее цунами произошло у берегов о. Шикотан 2 октября 1994 г. Никто не погиб, но на о. Кунашир были затоплены и смыты дома в низине, несколько рыбацких судов выбросило на берег.
Оценка энергии цунами. Попробуем оценить энергию, которую несут волны цунами. Во время землетрясения над очагом формируется начальное смещение поверхности океана. Мы можем считать, что вся энергия цунами в этот момент представлена в виде потенциальной энергии поднятия столба жидкости над очагом. Обозначим среднюю высоту смещения поверхности океана через a. Тогда потенциальная энергия выразится формулой , где – плотность воды, а S – площадь очага. Размеры источника возьмём 100 . 1000 км . км – это типично для мощных землетрясений. Для источника со средней высотой смещения поверхности a = 0,5 м получается примерно 10 21 эрг (10 14 Дж), что равняется энергии бомбы, взорванной в Хиросиме. Однако, согласно расчётам канадского учёного Т.Мурти, энергия цунами 26 декабря 2004 г. оказалась в 390 раз больше! Это означает, что средняя высота начального возмущения уровня составила около 10 м.
Как видно из рис. 8, в ХХ в. в районе южнее Суматры не наблюдалось ни одного мощного землетрясения, способного вызвать цунами. Учёные предполагают, что такое длительное «молчание» зоны субдукции привело к накоплению огромной энергии сжатия, которая высвободилась 26 декабря 2004 г.
На рис. 10 показана карта Индийского океана, где нанесён эпицентр основного сейсмического толчка и последующих афтершоков (меньших по мощности землетрясений). Протяжённость зоны разлома превысила 1000 км. Серым цветом отмечен предполагаемый очаг цунами. На карте нанесены изолинии времён добегания цунами. Хорошо видно, что для большей части пострадавших побережий «запас времени» был достаточный, чтобы организовать эвакуацию населения из прибрежной зоны. Однако службы оповещения о цунами в этом районе не было. Люди не знали, что такое цунами. Более того, когда вода стала отступать, многие находящиеся на берегу углубились в зону отлива, чтобы собрать раковины и кораллы. Спустя несколько минут пришла волна. В отдельных районах о. Суматра вал прокатился в глубь на 10 км! Последствия были ужасны. В прибрежной зоне и на мелких островах смыло целые деревни. Люди, попадая в бушующий поток, гибли от столкновения с плавающими предметами. Этот поток представлял собой «кашу» из обломков домов и деревьев, частей автомобилей и людей. Шансов выжить в нём было мало.
Рис. 10. Карта Индийского океана. Нанесён эпицентр основного землетрясения и последующих афтершоков. Чёрным обведена область предполагаемого очага цунами. Нанесены изолинии добегания волны цунами
На рис. 11 показано, как высоко была смыта растительность на маленьком острове. Две следующих фотографии (рис. 12) – снимки из космоса территории Андаманских островов до и после цунами. Хорошо видно, что в результате землетрясения часть суши погрузилась в море.
Рис. 11. Результат воздействия волны цунами 26 декабря 2004 г. на о. Суматра. Хорошо видно, как высоко поднимался уровень океана
Рис. 12. Последствия землетрясения и цунами 26 декабря 2004 г. в Индийском океане (снимки из космоса до и после цунами)
Как спастись от цунами? Максимальную амплитуду цунами имеет непосредственно вблизи сейсмического источника. Поэтому здесь первым признаком цунами является само землетрясение. Жителям Курильских островов и Камчатки хорошо известно, что после подземных толчков необходимо быстро уходить из прибрежной зоны. Иногда перед приходом волны море быстро отступает от берега, обнажая дно на сотни метров. Многие свидетели отмечают наступление «тишины» перед приходом основной волны. Этот необычный отлив является признаком приближающейся волны цунами. А наступление «тишины» обусловлено тем, что быстрое отливное течение «уносит» от берега ветровые волны – шум прибоя затихает. Появление на горизонте пенящегося вала означает приближение цунами. Необходимо немедленно уходить на возвышение! Многие люди спаслись, забравшись на крепкие деревья, укрывшись на крыше крепкого здания. Известно, что многие животные и люди из кочевых племён как-то почувствовали катастрофу и ушли в горы.
В глубине недр Земли постоянно происходят определенные процессы, причем в равной степени они затрагивают как области суши, так и часть коры под дном всемирного океана.
Тектонические плиты смещаются, пласты сталкиваются, вызывая колебания, подземные вулканы извергаются. Подводные землетрясения и извержения вулканов не остаются незамеченными: эти явления вызывают огромные волны, нередко докатывающиеся до материков. Эти волны называют цунами – в переводе с японского языка термин означает «гигантская волна, пришедшая в гавань».
Толща воды, приходящая в движение в результате колебаний морского дна, вдали от суши практически безобидна. Но чем ближе к берегу продвигается волна, тем большую мощь она обретает, и тем выше становится ее гребень. Нижние слои воды, проходя по дну и встречая сопротивление, еще более наращивают энергию верхних слоев.
Цунами может двигаться со скоростью до 800 километров в час, при этом высота волны нередко составляет и десять, и двадцать, и даже тридцать метров. Эта масса воды, обрушиваясь на берег, уничтожает все на своем пути, забрасывая обломки на много километров вглубь материка. Опасность цунами заключается еще и в том, что это – не одиночная волна: всего волн может насчитываться до десятка, причем самыми опасными являются третья и четвертая.
Но цунами может выглядеть и не как волны, а как серия быстро сменяющих друг друга сильных отливов и приливов, что несет в себе не меньшую опасность.
Причины возникновения цунами
До 7% всех цунами обусловлены оползнями, когда огромные глыбы земли, горных пород или льда обрушиваются в воду. В 1958-м году на Аляске такой оползень привел к образованию волны высотой 524 метра.
Опасны также подводные оползни в речных дельтах. Оползневые цунами регулярно случаются в Индонезии и приводят к появлению двадцатиметровых цунами. Еще 5% случаев приходится на извержения подводных вулканов. Может привести к появлению цунами и деятельность человека – например, испытания глубинного оружия.
До 85% всех случаев, когда были зафиксированы цунами, связаны с подводными землетрясениями. Дно океана при этом смещается по вертикали, и поверхность воды приходит в движение, стремясь вернуться к прежнему уровню. Цунами рождают в основном землетрясения с очагами, расположенными близко к поверхности.
При землетрясениях от места вертикального сдвига расходятся поверхностные волны, называемые местными цунами. Высота таких волн может достигать тридцати метров. Одновременно от эпицентра расходятся и подводные волны, которые проходят по всей толще воды, от дна до поверхности, и двигаются со скоростью от 600 до 800 километров в час.
При уменьшении глубины океана энергия такой волны концентрируется все ближе к поверхности, в итоге такие удаленные цунами обрушиваются на берег. Удаленная цунами может за сутки пересечь из конца в конец Тихий океан, дойдя от берегов Чили до островов Японии.
Причем заметить такую волну в океане практически невозможно – при длине в 200-300 километров она имеет высоту до метра. В этом и заключается основное коварство цунами.
Как понять, что приближается цунами?
Землетрясение в любом случае может стать предвестником цунами для прибрежных регионов. Иногда перед приходом большой волны у берега наблюдается резкий отлив и обнажение широкой полосы морского дна, что может продолжаться от нескольких минут до получаса.
Животные проявляют перед приходом цунами повышенное беспокойство, стараясь забраться на возвышенные места.
Что делать, если вы оказались в зоне цунами?
Самые опасные с этой точки зрения участки – побережье, гавани, заливы с высотой не более 15-30 метров над уровнем моря. Если вы находитесь в таком районе и предполагаете, что скоро на берег придет цунами, держите документы, минимальный запас продуктов и вещей собранным на случай экстренной эвакуации.
Заранее стоит присмотреть возвышенности, высокие здания, куда можно было бы подняться, чтобы избежать опасности. Стоит помнить, что сравнительно безопасным может считаться расстояние в два-три километра от берега. Поскольку ни количество, ни частоту волн спрогнозировать невозможно, к побережью лучше не приближаться на протяжении двух-трех часов после последней пришедшей волны.
Знание этих простых правил могло бы спасти множество жизней во время цунами в Юго-Восточной Азии в 2004-м году. Тогда десятки людей бродили по отмели после резкого отлива, собирая раковины и рыбу. Еще сотни после первой волны цунами вернулись на берег, чтобы проверить, целы ли их дома, и не подозревая, что за первой волной придут следующие.
Самые страшные цунами нашего века
В 2004-м году беда пришла в Юго-Восточную Азию. В конце декабря в Индийском океане произошло землетрясение магнитудой более 9 баллов. Цунами прошла по Индонезии, Шри-Ланке, Таиланду и берегам Африки. Погибло более 235 тысяч человек. Ситуация усугубилась тем, что в это время года тысячи туристов приезжают в азиатские страны, чтобы встретить Новый год на теплом море. Цунами уничтожила массу курортных регионов в нескольких странах.
В марте 2011 года в Японии произошло мощнейшее землетрясение, вызвавшее сорокаметровую цунами. Стихия принесла гибель без малого 16-ти тысяч человек, еще семь с лишним тысяч до сих пор считают пропавшими без вести. Цунами и землетрясение разрушили атомную электростанцию «Фукусима-1», и последствия этой аварии люди устраняют до сих пор.
Физические причины цунами
Существует несколько причин возникновения волн цунами:
а) сейсмические (82%), б) вулканические (5%), в) оползневые (6%), г) метеорологические (3%), д) крайне мало вероятны, цунами, вызванные падением метеоритов и астероидов, е) цунами, возникшие в результате подводного ядерного взрыва.
При землетрясении происходит сдвиг вверх или вниз протяжённых участков дна. В силу малой сжимаемости воды и быстроты процесса деформации участков дна опирающийся на них столб воды также смещается, не успевая растечься, в результате чего на поверхности океана образуется некоторое возвышение или понижение. Образовавшееся возмущение переходит в колебательные движения толщ воды — волны цунами. Пусть при землетрясении под водой образовалась вертикальная трещина, и часть дна опускается. Дно внезапно перестает поддерживать столб воды, лежащий над ним. Поверхность воды приходит в колебательное движение по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, — среднему уровню моря, — и порождает серию волн.
В глубоком океане масса такой потерявшей опору колонны воды огромна. Когда сброс дна прекращается, эта колонна находит себе новый, более низкий «пьедестал» и таким движением рождает волны с высотой, эквивалентной расстоянию, на которое переместилась эта колонна. Подвижка при землетрясениях имеет высоту обычно порядка 50 см, но по площади огромна — десятки квадратных километров. Поэтому возбуждаемые волны цунами имеют маленькую высоту и очень большую длину, эти волны несут колоссальный запас энергии.
 Состояние океана до землетрясения. | |||||||||||||||
 Момент землетрясения. Опустился блок на дне, колонна воды потеряла опору. По краям блока образовываются две волны, бегущие навстречу. | |||||||||||||||
 Волны продолжают движение навстречу друг другу. Опустившийся уровень воды над блоком начал подниматься. | |||||||||||||||
 Уровень воды над блоком приближается к уровню океана. | |||||||||||||||
 Столкновение встречных волн, точка отражения. Образовавшаяся волна в месте столкновения имеет двойную высоту. | |||||||||||||||
 Отразившиеся друг от друга волны начинают разбегаться (меняют направление движения на противоположное). Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Цунами, порождающим катастрофическую волну, может быть лишь землетрясение с неглубоко расположенным очагом. Сила подземного толчка, конечно, важна, но, чтобы вызвать цунами, толчок должен произвести сброс участков морского дна. Несколько упрощая, можно сказать так: если очаг землетрясения лежит неглубоко под дном океана (10-60 км), землетрясение обладает большой силой (более 7.8 по шкале Рихтера), то возникновение цунами почти совершенно неизбежно. Другим источником цунами может служить вулканическое извержение. Крупные подводные извержения обладают тем же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических извержениях образуются кальдеры, которые моментально заполняются водой, в результате возникает длинная и невысокая волна. Но колоссальное парообразование от вод, заполнивших раскаленную зону кратера, может привести к взрыву, и тогда возникает мощное цунами.
На рисунке показано возникновение кальдеры в результате обрушения глыбы земной коры в расположенную под ней магматическую камеру. Кальдемра (исп. caldera — котёл) — циркообразная впадина с крутыми стенками и более или менее ровным дном, образовавшаяся вследствие провала вершины вулкана Классический пример — цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году. Огромные цунами от вулкана Кракатау наблюдались в гаванях всего мира и уничтожили в общей сложности 5000 кораблей, погибло 36 тысяч человек. Причиной возникновения цунами может быть и оползень. Образуются при срыве больших масс осадочных пород на краю шельфа. Цунами такого типа возникают очень редко. В 1958 году в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйяк возник оползень. Масса льда и земных пород обрушились с высоты 900 метров. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высотой 530 м. Но подобного рода случаи бывают весьма редко. Породитель — вулканический или скальный оползень.
Во время извержения вулканы «растут». Они выносят из недр земли многие кубокилометры расплавленного камня, который застывает на их склонах, увеличивая от извержения к извержению размеры вулкана и уменьшая его стабильность. Ибо, чем выше башня, тем сложнее ее удерживать. Спустя некоторое время масса скальной породы «зашкаливает» за критическую цифру и отяжелевший склон, оторвавшись от горы, скатывается вниз. Каменная масса миллионы тонн ударяет по воде и гонит получившуюся волну далеко в океан. В 1953 году искавшие на Аляске нефть геологи заметили, что в заливе Литуйя, прибрежные леса были как будто разделены одной аккуратной линией. От самого берега до этой линии росли только очень молодые деревья. Сразу за ней деревья были многократно старше. Этот феномен ученые могли объяснить только действием необычайно высокой, до нескольких сотен метров, рожденной в заливе волны. Их догадка подтвердилась 10 июля 1958 года, когда после более чем 7-балльного землетрясения в залив сползла часть прибрежной скалы. В результате на берег и его окрестности «набежала» волна высотой более 300 м. Гигантское цунами «зачистило» прибрежные горные леса на высоту до 524 м. Метеорологические цунами происходят из-за резкого изменения атмосферного давления, или вызываются прохождением тайфуна.
В наш век атомной энергии у человека в руках появилось средство вызывать по своему произволу сотрясения, раньше доступные лишь природе. В 1946 году США произвели в морской лагуне глубиной 60 м подводный атомный взрыв с тротиловым эквивалентом 20 тыс. тонн. Возникшая при этом волна на расстоянии 300 м от взрыва поднялась на высоту 28.6 м.
Самое опасное из всех возможных — астероидное мегацунами —рождается при падении в воду крупных (от 100 м в поперечнике) космических объектов. Высота волны может достигать 7 км.
Происходит такой катаклизм раз в несколько миллионов лет. Волна при астероидном мегацунами идет по океану высоким валом. При этом скорость ее передвижения — до 943 км/ч. Такая «океанская гостья» способна «зачистить» берег на глубину до нескольких сотен километров. Просчитали, что если самый опасный для нашей планеты астероид 1950DA упадет в Атлантику в 579 км от восточного побережья США, то рожденная астероидом волна достигнет ближайшего берега через два часа, а высота ее при этом будет примерно 120 м. Упав в океан, «небесный гость» пробьет океан до дна, передавая образующейся волне почти всю свою энергию. К счастью, произойдет это не ранее 2880 года. Частота возникновения — раз в несколько миллионов лет. Физика цунами. Меры безопасности (стр. 1 из 3)Тема: «Физика цунами. Меры безопасности» Цунами (с японского — волна в порту) — это морские гравитационные волны очень большой длины, возникающие в результате сдвига вверх или вниз протяжённых участков дна при сильных подводных и прибрежных землетрясениях и, изредка, вследствие вулканических извержений и других тектонических процессов [1]. В первом разделе я рассмотрю причины возникновения цунами, механизм формирования волн, их различные характеристики. На первый взгляд, тема реферата может показаться не актуальной для нашей местности. Несмотря на то, что в нашем регионе с цунами встретиться невозможно, все- таки необходимо знать признаки надвигающейся опасности. Эту необходимость продемонстрировала трагедия в юго-восточной Азии в 2004г., когда погибло более 230тыс. человек. Множество туристов, не знавших признаков надвигающегося цунами и правил поведения, могли бы спасти свои жизни с помощью этих знаний. Цунами способно приводить к катастрофическим последствиям и огромному количеству человеческих жертв. Именно вопросам распознавания угрозы цунами и правильного реагирования на эту угрозу и посвящен второй и третий разделы реферата. Целью данного реферата является рассмотрение сути процесса возникновения цунами и правил поведения при угрозе цунами. 11 марта 2011г. волны цунами разрушили многие населенные пункты в Японии. Точное число жертв еще не установлено, но оно будет всё же меньше, чем в менее развитых странах. Япония хорошо подготовлена к сильнейшим землетрясениям, но не к цунами. И все же, благодаря системе оповещения населения, его обучению поведению при ЧС, удалось избежать еще больших жертв. Это цунами также продемонстрировало опасность техногенных катастроф, следующих за природными катаклизмами. Столь большие и разрушительные цунами случаются не часто, но, как показал опыт, ни развивающиеся, ни развитые страны не готовы столкнуться с такой мощной стихией. Зачастую, число жертв стихии можно было сократить за счет предварительной подготовки населения: обучения распознаванию признаков опасности, правильному поведению при обнаружении этих признаков. Несоблюдение элементарных правил поведения при надвигающейся опасности унесло множество жизней в разных странах: в юго-восточной Азии в 2004г., когда при сильном отходе воды люди просто не знали, что это признак надвигающейся опасности; я Японии в 1983г., когда, почувствовав землетрясение, люди не восприняли его как признак возможного цунами и другие. Каждый человек, проживающий или приезжающий в цунамоопасный регион, должен знать простые правила, чтобы сохранить жизнь себе и окружающим. Раздел 1. Физика цунами §1. Причины возникновения цунами К наиболее распространенным причинам возникновения цунами относятся: подводные землетрясения, оползни, вулканические извержения. Рассмотрим каждую из них подробнее. · Подводное землетрясение (около 85 % всех цунами). При землетрясении под водой образуется вертикальное движение дна: часть дна опускается, а часть приподнимается. Поверхность воды приходит в колебательное движение по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, — среднему уровню моря, — и порождает серию волн. Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Цунамигенным (то есть порождающим волну цунами) обычно является землетрясение с неглубоко расположенным очагом. Проблема распознавания цунамигенности землетрясения до сих пор не решена, и службы предупреждения ориентируются на магнитуду землетрясения. Наиболее сильные цунами генерируются в зонах субдукции (место, где океаническая кора погружается в мантию) [2]. · Оползни . Цунами такого типа возникают чаще, чем это оценивали в ХХ веке (около 7 % всех цунами). Зачастую землетрясение вызывает оползень и он же генерирует волну. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 1100 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты огромной высоты. Подобного рода случаи весьма редки и, конечно, не рассматриваются в качестве эталона. Но намного чаще происходят подводные оползни в дельтах рек, которые не менее опасны. Землетрясение может быть причиной оползня и, например, в Индонезии, где очень велико шельфовое осадконакопление, оползневые цунами особенно опасны, так как случаются регулярно, вызывая локальные волны высотой более 20 метров [2]. Оползни могут приводить к возникновению локальных волн, но вряд ли к большим волнам, распространяющимся на весь океан[5]. · Вулканические извержения (около 5 % всех цунами). При сильных вулканических взрывах образуются не только волны от взрыва, но вода также заполняет полости от извергнутого материала, в результате чего возникает длинная волна [2]. Однако, при извержении подводного вулкана вряд ли возможно образование мощного цунами. Классическим примером является извержения Кракатау (когда от цунами погибло около 36 000 человек). Но этот случай нельзя считать доказательством цунамигенности извержений вулканов, поскольку во время извержения Кракатау под воду опустилось несколько близлежащих островов. Опускание островов говорит о том, что при извержении Кракатау опустилась часть земной коры. И, скорее всего, именно это быстрое опускание одного участка коры и поднятие другого было причиной цунами при извержении Кракатау [5]. Кроме рассмотренных выше существуют и другие возможные причины возникновения цунами: человеческая деятельность, падение крупного небесного тела. Кроме того, существуют так называемые метео-цунами. Рассмотрим подробнее эти причины. · Человеческая деятельность . В наш век атомной энергии у человека в руках появилось средство вызывать сотрясения, раньше доступные лишь природе. В 1946 году США произвели в морской лагуне глубиной 60 м подводный атомный взрыв с тротиловым эквивалентом 20 тыс. тонн. Возникшая при этом волна на расстоянии 300 м от взрыва поднялась на высоту 28,6 м, а в 6,5 км от эпицентра ещё достигала 1,8 м. Но для дальнего распространения волны нужно вытеснить или поглотить некоторый объём воды, и цунами от подводных оползней и взрывов всегда несут локальный характер. Если одновременно произвести взрыв нескольких водородных бомб на дне океана, вдоль какой-либо линии, то не будет никаких теоретических препятствий к возникновению цунами, такие эксперименты проводились, но не привели к каким-либо существенным результатам по сравнению с более доступными видами вооружений. В настоящее время любые подводные испытания атомного оружия запрещены серией международных договоров [2]. · Падение крупного небесного тела может вызвать огромное цунами, так как, имея огромную скорость падения (десятки километров в секунду), данные тела имеют также колоссальную кинетическую энергию, а масса их может достигать миллиарды тонн. Эта энергия будет передана воде, следствием чего и будет волна [2]. · Ветер может вызывать большие волны (примерно до 20 м), но такие волны не являются цунами, так как они короткопериодные и не могут вызывать затопления на берегу. Однако возможно образование метео-цунами (вызваны метеорологическими причинами) при резком изменении давления или при быстром перемещении аномалии атмосферного давления. Такое явление наблюдается на Балеарских островах и называется риссага [4]. Механизм возникновения волн цунами вследствие каждой из рассмотренных причин схематично показан на рисунке. §2. Формирование волн цунами и их характеристики Вследствие рассмотренных выше причин, в силу малой сжимаемости воды и быстроты процесса деформации участков дна опирающийся на них столб воды также смещается, не успевая растечься, в результате чего на поверхности океана образуется некоторое возвышение или понижение. Образовавшееся возмущение переходит в колебательные движения толщ воды — волны цунами. Эти волны распространяются с большой скоростью, составляющей от 50 до 1000 км/ч, пропорциональной квадратному корню из глубины моря. Расстояние между соседними гребнями волн меняется от 5 до 1500 км. Высота волн в области их возникновения колеблется в пределах 0,01—5 м. У побережья она может достигать 10 м, а в неблагоприятных по рельефу участках (клинообразных бухтах, долинах рек и т.д.) — свыше 50 м [1]. В соответствии с общей классификацией волн цунами относятся к длинным волнам. Длина их достигает несколько сотен километров, амплитуда над глубокой частью океана обычно порядка одного метра. Поэтому их трудно обнаружить с воздуха или с корабля [7]. Основные характеристики волн цунами приведены в таблице ниже.
Из таблицы видно, что на глубине волны цунами длинные и пологие, поэтому в море они не страшны. Достигнув континентального шельфа, волны цунами замедляют свое движение, а их высота возрастает. Подход цунами к берегу иногда сопровождается отливом, которому могут предшествовать короткопериодные колебания уровня воды малой амплитуды, называемые предвестниками. Этот отлив может длиться от нескольких минут до получаса. Чем дальше отступает океан от берегов после землетрясения, тем большей силы достигнут набегающие на сушу цунами. Однако надо помнить, что не все цунами начинаются с необычного отлива и что отход моря бывает иной раз незначительным и может остаться незамеченным. Характер распространения цунами вглубь побережья определяется рельефом суши. Иногда волны распространяются вглубь на расстоянии до 1 км и чрезвычайно редко на расстояние до 2-3 км и более. Что такое цунами с точки зрения физики
Знаете ли вы, что в открытом океане цунами безвредны? Вы задумывались почему? Мы расскажем вам обо всех секретах этих волн. В последние годы мы часто слышали в СМИ о цунами, особенно после произошедшего цунами в Индийском океане в 2004 году и совсем недавней трагедии в Японии в 2011 году, которое также стало причиной аварии на АЭС Фукусима. В общем, мы знаем, что цунами возникают благодаря землетрясениям в море. Но, как? Мы также знаем, что они опасны, когда они приближаются побережье, но в открытом море они безвредны? И почему именно у берега цунами становятся разрушительными? В этой статье мы ответим на все эти вопросы. Как формируются цунами Это происходит, когда две части земной коры воздействуют друг на друга. Это скольжение может быть полностью вертикальным, что буквально означает, что одна часть земной коры резко поднимается вверх, а другая опускается, полностью горизонтальным или то и другое одновременно. Основой для появления цунами является подводное землетрясение, когда происходит вертикальное движение земной коры, если это движение полностью горизонтальное, то цунами не формируется. Движение происходит настолько быстро, что в результате этого одновременного проседания и поднятия океанского дна мгновенно на поверхности океана формируется «ступенька», которая и перерождается в волну или цунами. Мы все знаем, что «ступенька» в воде не стабильна, поверхность стремиться занять горизонтально положение или попросту сравняться с уровнем океана. Вода, оказавшись на высоте, начинает падать, что и порождает серию волн, которые распространяются во всех направлениях от источника землетрясения: цунами. Как распространяется цунами
Фото. Расчеты скорости волны при цунами Когда они прибывают к побережью. Имитация цунами Статья написана при сотрудничестве с Севильским университетом. Что интересного происходит в науке28 февраля 2010 г.Физика цунамиЯ подумал, что полезно будет рассказать про некоторые физические свойства цунами. Всё это стандартный материал, но тем не менее. Волны на мелкой воде Вы будете смеяться, но в математической физике цунами считаются «волнами на мелкой воде». Этот термин означает, что длина волны намного больше глубины водоема. Длина волны цунами — десятки и сотни километров (так получается просто потому, что сейсмические цунами рождаются от сдвигов участков коры протяженностью десятки-сотни км). Поскольку глубина океана — несколько км, условие волн на мелкой воде выполнено. Цунами сильно отличаются от обычных ветровых волн. Во-первых, в открытом океане цунами имеет высоту меньше метра, а значит при длине волны в десятки км цунами практически незаметно. Во-вторых, если при ветровых волнах реально колеблется только приповерхностный слой воды, то из-за цунами вода движется вперед-назад по всей толще океана, вплоть до дна. Именно поэтому для распространения цунами так важен придонный рельеф океана — цунами реально натыкается на горы, которые могут находиться на глубине в километры. Вообще, цунами движется за счет перетекания воды в поле тяжести. Поэтому скорость цунами определяется ускорением свободного падения g и локальной глубиной океана h: Длина волны тут не важна, по крайней мере до тех пор, пока она много больше глубины. Если в эту формулу подставить числа, то для глубины 4 км получится 200 м/сек! Однако как только волна выходит на мелководье, скорость резко падает: при глубине 10 м скорость составляет всего 10 м/сек. Это очень важная формула. Она показывает, что цунами не надо представлять себе «баллистически» — т.е. так, словно большая масса воды «по инерции» разлетается во все стороны от очага с постоянной скоростью. Цунами — это «коллективный эффект», зависящий не столько от самой среды, сколько от «граничных условий», т.е. от формы водоема. Ну и конечно не надо смешивать скорость перемещения волны и скорость течения воды. Сама вода движется довольно медленно: ее скорость примерно в x/h раз меньше скорости волны, где x — это амплитуда волны, h — глубина океана; т.е. в открытом океане примерно на 4 порядка меньше скорости волны. Из такой формулы для скорости цунами вытекают еще два следствия. Первое — при выходе на мелководье высота волны растет. Картинка тут простая: передная часть колебания, выйдя на мелководье, резко притормаживается, задняя ее догоняет, и вода поднимается. Можно еще сказать так: в пренебрежении потерями энергии на трение о дно и вязкость, продольное сжатие волны означает повышение плотности энергии, а значит, рост высоты волны. Второе следствие — опрокидывание. Это уже нелинейный аспект волн на мелкой воде. Упрощенно, картинка такая (см. рисунок). В той формуле под h следует понимать локальную глубину, которая различная на гребне и во впадине волны. Это значит, что гребень будет стараться опередить впадину при своем движении вперед. Ясно, что чем мельче водоем, тем сильнее этот эффект (глубина уменьшается, а высота волны растет). Поэтому при подходе к берегу верх волны не только поднимается, но и стремится опрокинуться вперед. О некоторых других свойствах поведения цунами см. в популярной статье с картинками Физика цунами из журнала «1 сентября: физика», а математические подробности см. в книге Дж. Уизем (Whitham), «Линейные и нелинейные волны». Цунами, как и любая волна, может интерферировать. Если волна пришла в какое-то место сразу по нескольким путям (за счет преломления и отражения), то она накладывается сама на себя. В результате локально может наблюдаться как очень слабый, так и очень сильный всплеск. «Узор» из больших всплесков на глобусе из-за интерференции как правильно очень сложный и сильно зависит от профиля океанического дна (см. картинку, взятую из статьи Tsunami Scattering and Earthquake Faults in the Deep Pacific Ocean; ссылку подсказал Дмитрий Чубаров). Поскольку волна сильнее отражается от резких перепадов глубин, то даже относительне небольшие (высотой несколько сот метров), но крутые подводные горы или трещины, могут повлиять на картину интерференции и дальнейшее распространение волн. Это наверно самая главная трудность в надежном предсказании времени прихода и высоты волны в тот или иной пункт. Профиль океанического дна известен всё еще довольно плохо. В принципе в некоторых районах океана специальные суда всё промеряли довольно хорошо, но весь океан они пока не покрыли. Оценивается, что для покрытия всего океана нужно время 100-200 корабле-лет и вложения порядка 1 млрд. долларов. Однако есть и другой выход — спутниковые измерения из космоса. Это вообще довольно нетривиальная вещь. Всё основано на гравитации: подземные горы слегка притягивают к себе воду, из-за чего непосредственно над горой на поверхности океана будет небольшое вспучивание, высотой порядка сантиметров. Это вспучивание океана надо заметить со спутников (а точнее, измерить отклонение от вертикали), причем для этого приходится вычитать намного более сильные эффекты от волн. 21 комментарий:А что тут понимается под линой волны — классическая длина (та, что обратна частоте) или ширина фронта? Обычная длина волны, т.е. расстояние между соседними гребнями. А я чо то думал что цунами это солитон. Разве не так? У солитонов же нет интерференции? Нет, не солитон. Солитон — это очень специфический объект. Цунами — это обычный, правда довольно короткий поначалу, цуг волн. Я так понял, что цунами — это часто порождение океанского солитона. Давайте я скажу аккуратнее. Цунами — это точно не «классический солитон», т.к. это не уединенная волна типа всплекс вверх и всё, а содержит несколько колебаний вверх-вниз. Автор книжки называет такой цуг «групповым солитоном» (впрочем, автор называет предлагает считать солитоном и неврынй импульс). Пожалуйста, называть так можно, но изучать-то волну всё равно придется, свойства настоящих солитонов на нее просто так переносить нельзя, особенно при распространении по такому рассеивающему дну. Описаны 2 метода определения рельефа: эхолокация и гравиметрический. Но странно вот что: почему нельзя рельеф зондировать самими цунами? Ведь ядро земли «просвечено» волнами землетрясений, что мешает аналогично восстановить карту дна по сьёмке волн со спутника? В некотором смысле их и используют — инфу, полученную после каждого цунами, используют в дальнейшем, для уточнения данных о подводном рельефе. Но только детектируемые цунами происходят на порядки реже, чем детектируемые землетрясения. Поэтому имеющихся данных заведомо не хватает для того, чтобы решить обратную задачу — т.е. восстановить рельеф по рассеянию волн. В предыдущем моем посте неправильна вторая ссылка. Извините. Вот исправления: Данный под рукой у меня нет, возможно их можно нагуглить. По поводу блуждающих волн. Я лет 10 назад читал немножко про них. Ничего определенного тогда не было известно, т.к. не было экспериментальных данных. Теория, вроде бы, склонялась к мысли, что причиной является не просто обычное наложение разных волн друг на друга, а взаимодействие между волнами разной длины волны. Т.е. это какой-то нелинейный эффект. Мне так кажется, что я тех пор ситуация сильно не изменилась. Но ничего нового я внимательно не читал. Кстати, в последнем номере Троицкого варианта есть интервью с Захаровым, там как раз про эти волны есть кое-что. A 26-foot rogue wave hit the Cyprus-based cruise ship the Louis Majesty today March 3, 2010 while the ship was sailing near the French Mediterranean port of Marseilles. . Two passengers were killed and six others were injured. The Louis Majesty, operated by Louis Cruise Lines, was sailing from Barcelona to Genoa with 1350 passengers and 580 crew onboard. A Louis Cruise Lines spokesman told the media that the ship was hit by three «abnormally high» waves up to 26 feet high that broke glass windshields in the forward section. The waves hit as high as deck 5 on the 10-deck ship. У Захарова не нашел, если можно подробнее. Вот его интервью, начиная со слов «Мне бы хотелось вам рассказать о том, чем я занимаюсь последнее время. « На всякий случай скажу, что проводить аналогии с колебаниями на поверхности твердого тела на основании одной только визуальной схожести не стоит. Большое спасибо за ссылку. А то меня вынесло на другую его статью в ТРВ о Петрике. «на основании одной только визуальной схожести не стоит.» — Тут было как раз с точностью наоборот. Явился теоретик с предсказанием волн совершенно невообразимой амплитуды. Экспериментатор долго выкручивался типа «. этого не может быть никогда». А вышло все по теории. На Ваш пост в «Базз», куда я не могу комментировать. Я насчитал более дюжины теорий, как линейных так и не. «Явился теоретик с предсказанием волн совершенно невообразимой амплитуды.» — что интересно, сей теоретик какое-то время работал с Захаровым в одном заведении. Спасибо! Я ссылки в базз запостил. Спасибо за превосходное описание. Очень актуальная статья в свете недавнего цунами в Японии. Советую рассмотреть Так тогда выходит, что по форме волн цунами можно рассчитать рельеф дна. В принципе, да, если бы смогли настолько хорошо промерять высоту цунами и ее распределение по океану. Но это не могут. Та картинка у Давида, это результат компьютерных расчетов по известному профилю дна, а вовсе не результаты измерения. |
- http://www.vseznaika.org/priroda/chto-takoe-cunami-opredelenie-i-prichiny-vozniknoveniya/
- http://studbooks.net/1857491/matematika_himiya_fizika/fizicheskie_prichiny_tsunami
- http://mirznanii.com/a/23355/fizika-tsunami-mery-bezopasnosti
- http://ubratana.com/chitalka/stati-novosty/kak-zarozhdayutsya-cunami.html
- http://igorivanov.blogspot.com/2010/02/physics-of-tsunami.html