Приход цунами в курортный город Ао Нанг застигает обитателей врасплох
Геоморфологическая природа цунами
Кацусика Хокусай, «Большая волна в Канагаве» — самый известный образ цунами в мировой культуре
В последние годы мы много слышали о цунами в средствах массовой информации, особенно после того, что произошло в Индийском океане в 2004 году и в Японии в 2011 году, когда произошло цунами, которое также вызвало аварию на АЭС Фукусима. В общем, мы знаем, что цунами вызываются землетрясениями в море. Но как? Мы также знаем, что они опасны только при приближении к берегу: почему они безвредны в открытом море? И что с ними происходит у побережья, что они становятся такими разрушительными? В этой статье мы ответим на эти вопросы.
Так образуются цунами
Цунами — это волна, которая распространяется в море и вызвана подводным землетрясением, оползнем, извержением вулкана или падением метеорита. Поскольку первая причина наиболее частая, мы сосредоточимся на ней. Подавляющее большинство землетрясений происходит по разломам. Это трещины в земной коре, накапливающие энергию, которая высвобождается при землетрясении: что-то вроде того, как если бы мы растягивали эластичный материал, пока он не ускользнул от нас.
Две части земной коры, разделенные разломом, скользят относительно друг друга. Это скольжение может быть полностью вертикальным, что буквально означает падение одной из сторон разлома, полностью горизонтальным или чем-то средним. Ключом к тому, чтобы подводное землетрясение могло вызвать цунами, является то, что движение имеет вертикальный способ. Движение разлома настолько быстрое, что «ступенька», возникающая на дне океана, мгновенно отражается на морской поверхности, которая деформируется точно так же, как дно. Все мы знаем, что «ступенька» в воде нестабильна, поверхность имеет тенденцию к восстановлению горизонтальности. Самая высокая вода спускается и наоборот, что вызывает серию волн, распространяющихся во всех направлениях от места землетрясения: цунами.
Как распространяется цунами?
Особенностью цунами является то, что их длина волны, то есть расстояние между двумя последовательными волнами, когда они возникают, обычно составляет от 10 до 100 км. Это предполагает гораздо большую глубину, чем у моря, поэтому они считаются «длинными волнами». Поскольку высота волны составляет несколько метров, уклон у нее незначительный — несколько метров неровностей в десятки километров, цунами совершенно безвредно. Конечно, свойство длинных волн состоит в том, что скорость распространения растет пропорционально квадратному корню из глубины, только в зависимости от этого. Например, если глубина составляет 4 км, волна движется со скоростью 700 км/ч, такой же скорости, какой достигает реактивный самолет. В итоге: цунами безвредно, но движется с огромной скоростью, пересекая океан за несколько часов.
Что происходит когда цунами добирается до берега?
Когда цунами приближается к берегу, его скорость уменьшается, как упоминалось выше, по мере уменьшения глубины. Если, например, глубина упадет до 30 метров, скорость волны будет всего 60 км/ч. По закону сохранения энергии, если скорость волны уменьшается, ее высота увеличивается. Мы также можем представить, что вода накапливается при торможении, увеличивая высоту волны.
Длина волны также уменьшается, так что наклон волны — выше на меньшем расстоянии — угрожающе возрастает. Волна может сломаться, если уклон превышает предел. Если береговая линия очень пологая, цунами проявляется как «быстрый прилив», при котором уровень моря повышается очень быстро: менее 10 минут. Иногда, Если наклон волны очень большой, цунами ведет себя как «водяная стена», которая движется под углом примерно 45º к земле. Это самый разрушительный, но менее частый случай.
Причины образования цунами
Ядерное испытание США «Hardtack Umbrella» бомбы мощностью 20 КТ в ТЭ в Тихом океане на фоне судна.
Я 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.
В принципе, такие данные уже есть (см. напр. недавнюю статью), с разрешением порядка 20 км, но для еще более надежного предсказания распространения цунами очень желательно разрешение улучшить. Имеется проект нового спутника (Abyss-lite), который за несколько лет и относительно небольшие деньги смог бы улучшить разрешение в 2-3 раза, а также нанести на карту подводные горы меньшей высоты, чем сейчас. На самом деле, такие данные будут очень ценны по многим причинам, цунами — лишь одна из них. Подробнее см. в 32-страничном сборнике Bathymetry from space (pdf, 9 Мб), откуда и взят последний рисунок.
Признаки появления цунами
Системы предупреждения цунами строятся главным образом на обработке сейсмической информации. Если землетрясение имеет магнитуду более 7,0 (в прессе это называют баллами по шкале Рихтера, хотя это ошибка, так как магнитуду не измеряют в баллах. Измеряют в баллах балльность, характеризующую интенсивность сотрясения грунта во время землетрясения) и центр расположен под водой, то подаётся предупреждение о цунами. В зависимости от региона и заселённости берегов условия выработки сигнала тревоги могут быть различными.
Вторая возможность предупреждения о цунами — это предупреждение «по факту» — способ более надёжный, так как практически отсутствуют ложные тревоги, но часто такое предупреждение может быть выработано слишком поздно. Предупреждение по факту полезно для телецунами — глобальных цунами, оказывающих влияние на весь океан и приходящих на другие границы океана спустя несколько часов. Так, индонезийское цунами в декабре 2004 года для стран Африки является телецунами. Классическим случаем являются Алеутские цунами — после сильного заплеска на Алеутах можно ожидать существенный заплеск на Гавайских островах. Для выявления волн цунами в открытом океане используются придонные датчики гидростатического давления. Система предупреждения, основанная на таких датчиках со спутниковой связью с приповерхностного буя, разработанная в США, называется (англ. Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis). Обнаружив волну тем или иным образом, можно достаточно точно определить время её прибытия в различные населённые пункты.
Существенным моментом системы предупреждения является своевременное распространение информации среди населения. Очень важно, чтобы население представляло, какую угрозу несёт с собой цунами. В Японии имеется множество образовательных программ по природным катастрофам, а в Индонезии население в основном не знакомо с цунами, что и стало основной причиной большого количества жертв в 2004 году. Также большое значение имеет законодательная база по застройке прибрежной зоны.
Наиболее крупные цунами
Вызвано мощным землетрясением (оценка магнитуды по разным источникам колеблется от 8,3 до 9), которое произошло в Тихом океане в 130 километрах от побережья Камчатки. Три волны высотой до 15—18 метров (по разным источникам) уничтожили город Северо-Курильск и нанесли ущерб ряду прочих населённых пунктов. По официальным данным, погибло более двух тысяч человек.
Вызвано землетрясением с магнитудой 9,1, произошедшим на Андреяновских островах (Аляска), которое вызвало две волны, со средней высотой волн 15 и 8 метров соответственно. Кроме того в результате землетрясения проснулся вулкан Всевидова, расположенный на острове Умнак и не извергавшийся около 200 лет. В катастрофе погибло более 300 человек.
Крупнейшее на Аляске землетрясение (магнитудой 9,2), произошедшее в проливе Принца Уильяма, вызвало цунами из нескольких волн, с наибольшей зафиксированной высотой (в момент появления) — 67 метров. В результате катастрофы (в основном, из-за цунами) по разным оценкам погибло от 120 до 150 человек.
Землетрясение с магнитудой 7,1, произошедшее на северо-западном побережье острова Новая Гвинея, вызвало мощный подводный оползень, породивший цунами, в результате которого погибло более 2000 человек.
Распространение цунами по Индийскому океану
В 110 км от побережья полуострова Кии и в 130 км от побережья префектуры Коти произошли два сильных землетрясения (магнитудой до 6,8 и 7,3 соответственно), вызвавших цунами, с высотой волн до одного метра. Пострадало несколько десятков человек.
В 00:58 произошло мощнейшее землетрясение — второе по мощности из всех зарегистрированных (магнитудой 9,3), вызвавшее самое смертоносное из всех известных цунами. От цунами пострадали страны Азии (Индонезия — 180 тыс. человек, Шри-Ланка — 31—39 тыс. человек, Таиланд — более 5 тыс. человек и др.) и африканская Сомали. Общее количество погибших превысило 235 тыс. человек.
Вызвано землетрясением магнитудой 8, произошедшим в южной части Тихого океана. Волны в несколько метров высотой достигли и Новой Гвинеи. Жертвами цунами стали 52 человека.
По состоянию на 2 июля 2011 года официальное число погибших в результате землетрясения и цунами в Японии составляет 15 524 человек, 7 130 человек числятся пропавшими без вести, 5 393 человек ранены.
- Локальные цунами: предупреждение и уменьшение риска: Сборник статей / Под ред. Б. В. Левина, М. А. Носова. — М.: Янус-К, 2002.
- Шойгу С. К., Кудинов С. М., Неживой А. Ф. и др. Катастрофические природные явления. М ЧС России, 1997.
Когда волна попадает на мелководье, она замедляется, а ее амплитуда (высота) увеличивается.
Распространение волн цунами на Тихом океане. Землетрясение в Японии (2011)