Цунами как опасное природное явление. Что такое цунами? Где чаще всего встречается подобное явление
В конце декабря 2004 года недалеко от острова Суматра, расположенного в Индийском океане, произошло одно из самых сильных землетрясений за последние полстолетия. Последствия его оказались катастрофическими: из-за смещения литосферных плит образовался огромный разлом, а с океанического дна поднялось большое количество воды, которая со скоростью, достигающей один километр в час, начала стремительное движение по всему Индийскому океану.
В результате пострадало тринадцать стран, около миллиона человек осталось без «крыши над головой», а более двухсот тысяч — погибли или пропали без вести. Это бедствие оказалось самым страшным в истории человечества.
Цунами - это длинные и высокие волны, появляющиеся в результате резкого смещения литосферных плит океанического дна во время подводных или прибрежных землетрясений (длина вала составляет от 150 до 300 км). В отличие от обыкновенных волн, появляющихся в результате воздействия на водную поверхность сильного ветра (например, шторма), волна цунами затрагивает воду от дна до поверхности океана, из-за чего даже невысоко поднятая вода нередко может привести к катастрофам.
Интересно, что для кораблей, находящихся в это время в океане, эти волны не опасны: большая часть взбудораженной воды находится в его недрах, глубина которых составляет несколько километров – а потому высота волн над поверхностью воды составляет от 0,1 до 5 метров. Приблизившись к побережью, тыльная часть волны догоняет переднюю, которая в это время слегка притормаживается, вырастает до высоты от 10 до 50 метров (чем глубже океан, тем больше вал) и на ней появляется гребень.
Следует учитывать, что наибольшую скорость надвигающийся вал развивает в Тихом океане (она составляет от 650 до 800 км/ч). Что касается средней скорости большинства волн, то она колеблется от 400 до 500 км/ч, но были зафиксированы случаи, когда они разгонялись до скорости в тысячу километров (скорость обычно увеличивается после прохождения волны над глубоководным желобом).
Перед тем как обрушиться на побережье, вода внезапно и быстро отходит от линии берега, обнажая дно (чем дальше она отступила, тем выше будет волна). Если люди не знают о приближающейся стихии, они вместо того, чтобы как можно дальше уйти от берега, наоборот, бегут собирать ракушки или подбирать не успевшую уйти в море рыбу. А буквально через несколько минут прибывшая сюда на огромной скорости волна, не оставляет им на спасение ни малейшего шанса.
Необходимо учитывать, что если на побережье накатывает волна с противоположной стороны океана, то вода не всегда отступает.
В конечном счете огромная масса воды затапливает всю прибрежную линию и уходит вглубь суши на расстояние от 2 до 4 км, разрушая постройки, дороги, причалы и приводит к гибели людей и животных. Перед валом, расчищающий путь воде, всегда идёт воздушная ударная волна, которая буквально взрывает оказавшиеся на её пути здания и сооружения.
Интересно, что это смертельно опасное явление природы состоит из нескольких валов, а первая волна является далеко не самой большой: она лишь смачивает побережье, уменьшая сопротивление для следующих за ней валов, которые нередко приходят не сразу, и с интервалом в два-три часа. Роковой ошибкой людей является их возвращение на берег после ухода первого наскока стихии.
Причины образования
Одной из основных причин смещения литосферных плит (в 85% случаев) являются подводные землетрясения, во время которых одна часть дна поднимается, а другая – опускается. Вследствие этого океаническая поверхность начинает колебаться по вертикали, пытаясь вернуться к начальному уровню, формируя волны. Стоит заметить, что подводные землетрясения далеко не всегда приводят к образованию цунами: лишь те, где очаг расположен на небольшом расстоянии от океанического дна, а сотрясение было не менее семи баллов.
Причины образования цунами довольно разные. К основным относятся подводные оползни, которые в зависимости от крутизны материкового склона способны преодолевать огромные расстояния – от 4 до 11 км строго по вертикали (зависит от глубины океана или ущелья) и до 2,5 км – если поверхность незначительно наклонена.
Большие волны могут вызвать упавшие в воду огромные предметы – горные породы или глыбы льда. Так, самое большое цунами в мире, высота которого превысила пятьсот метров, было зафиксировано на Аляске, в штате Литуйя, когда в результате сильного землетрясения с гор сошёл оползень – и в залив обрушилось 30 миллионов кубических метров камней и льда.
К основным причинам возникновения цунами также можно отнести извержения вулканов (около 5%). Во время сильных вулканических взрывов образуются волны, и вода мгновенно заполняет освободившееся пространство внутри вулкана, в результате чего формируется и начинает свой путь огромных размеров вал.
Например, в период извержения индонезийского вулкана Кракатау в конце XIX ст. «волна-убийца» уничтожила около 5 тысяч морских судов и вызвала гибель 36 тысяч человек.
Кроме вышеназванных, специалисты выделяют ещё две возможные причины возникновения цунами. Прежде всего это человеческая деятельность. Так, например, американцы в середине прошлого века на глубине шестидесяти метров произвели подводный атомный взрыв, вызвав волну высотой около 29 метров, правда, продержалась она недолго и упала, максимально преодолев 300 метров.
Ещё одной причиной образования цунами является падение в океан метеоритов диаметром более 1 км (удар которого обладает достаточной силой, чтобы вызвать стихийное бедствие). По одной из версий учёных, несколько тысяч лет назад именно метеориты вызвали сильнейшие волны, ставшие причинами крупнейших климатических катастроф в истории нашей планеты.
Классификация
При классификации цунами учёные учитывают достаточное число факторов их возникновения, среди которых – метеорологические катаклизмы, взрывы и даже отливы и приливы, при этом в список вносят низкие накаты волн высотой около 10 см.
По силе вала
Силу вала измеряют, учитывая его максимальную высоту, а также то, насколько катастрофические последствия он вызвал и, согласно международной шкале IIDA, выделяют 15 категорий, от -5 до +10 (чем больше жертв, тем выше категория).
По интенсивности
По интенсивности «волны-убийцы» разделяют на шесть баллов, которые дают возможность дать характеристику последствиям стихии:
- Волны, имеющие категорию один балл до того малы, что их фиксируют лишь приборы (об их наличии большинство даже не догадывается).
- Двухбалльные волны способны незначительно затопить берег, поэтому от колебания обыкновенных волн их способны отличить лишь специалисты.
- Волны, которые относят к трехбалльным, обладают достаточной силой для того, чтобы выбросить на побережье небольшие лодки.
- Четырехбалльные волны могут не только прибить к берегу крупные морские судна, но и выбросить их на побережье.
- Пятитибалльные волны приобретают уже масштабы катастрофы. Они способны разрушить невысокие строения, деревянные постройки, и привести к человеческим жертвам.
- Что касается шестибалльных волн, то нахлынувшие на побережье волны полностью опустошают его вместе с прилегающими землями.
По количеству жертв
По числу смертельных случаев выделяют пять групп этого опасного явления. К первой относятся ситуации, когда смертельные исходы зафиксированы не были. Ко второй – волны, повлёкшие за собой гибель до пятидесяти человек. Валы, относящиеся к третьей категории, вызывают смерть от пятидесяти до ста человек. К четвёртой категории принадлежат «волны-убийцы», погубившие от ста до тысячи человек.
Последствия цунами, относящиеся к пятой категории — катастрофичны, поскольку влекут за собой смерть более тысячи человек. Обычно такие катастрофы характерны для акватории самого глубокого в мире океана, Тихого, но нередко происходят и в других точках планеты. Это относится к катастрофам 2004 года возле Индонезии и 2011 года в Японии (25 тыс. погибших). Были в истории зафиксированы «волны-убийцы» и на территории Европы, например, в середине XVIII столетия тридцатиметровый вал обрушился на побережье Португалии (во время этой катастрофы погибло от 30 до 60 тысяч человек).
Экономический ущерб
Что касается экономического ущерба, то его измеряют в американских долларах и подсчитывают, учитывая затраты, которые надо выделить на восстановление разрушенной инфраструктуры (утраченное имущество и разрушенные дома не учитываются, потому как относятся к социальным расходам страны).
По размерам убытков экономисты выделяют пять групп. К первой категории относят волны, не причинившие особого вреда, ко второй – с потерями до 1 миллиона долларов, к третьей – до 5 миллионов долларов, к четвёртой – до 25 миллионов долларов.
Ущерб от волн, относящийся к пятой группе, превышает 25 миллионов. Например, убытки от двух сильнейших стихийных бедствий, произошедших в 2004 году возле Индонезии и в 2011 – в Японии, составили около 250 миллиардов долларов. Стоит учитывать и экологический фактор, поскольку волны, повлёкшие за собой гибель 25 тысяч человек, повредили в Японии атомную станцию, вызвав аварию.
Системы опознавания стихийного бедствия
К сожалению, «волны-убийцы» нередко возникают настолько неожиданно и движутся на такой большой скорости, что определить их появление чрезвычайно трудно, а потому сейсмологи часто не справляются с возложенной на них задачей.
В основном системы предупреждения стихийного бедствия построены на обработке сейсмических данных: если есть подозрение на то, что землетрясение будет иметь магнитуду более семи балов, а его очаг будет находиться на океаническом (морском) дне, то все страны, которые находятся в зоне риска, получают предупреждения о приближении огромных волн.
К сожалению, катастрофа 2004 года произошла потому, что почти все близлежащие страны не имели системы опознавания. Несмотря на то, что между землетрясением и нахлынувшим валом прошло около семи часов, население о приближающемся бедствии предупреждено не было.
Чтобы определить наличие опасных волн в открытом океане, учёные используют специальные датчики гидростатического давления, которые передают данные на спутник, что позволяет довольно точно определить время их прибытия в тот или иной пункт.
Как выжить во время стихии
Если так получилось, что вы оказались в зоне, где велика вероятность возникновения смертельно опасных волн, обязательно нужно не забывать следить за прогнозами сейсмологов и запомнить все сигналы оповещения приближающейся беды. Необходимо также узнать границы самых опасных зон и о кратчайших дорогах, по которым можно покинуть опасную территорию.
Услышав сигнал, предупреждающий о приближающейся воде, следует немедленно покинуть опасную зону. Специалисты не смогут точно сказать, сколько есть времени на эвакуацию: может быть пару минут или несколько часов. Если вы не успеваете покинуть местность и проживаете в многоэтажном здании, то нужно подняться на последние этажи, закрыв все окна и двери.
А вот если вы находитесь в одно- или двухэтажном доме, его нужно немедленно покинуть и бежать к высокому зданию или взобраться на какую-либо возвышенность (в крайнем случае, можно залезть на дерево и крепко за него зацепиться). Если так получилось, что покинуть опасное место вы не успели и оказались в воде, нужно попытаться освободиться от обуви и мокрой одежды и попробовать зацепиться за плывущие предметы.
Когда схлынет первая волна, то необходимо покинуть опасный район, поскольку за ней, скорее всего, придёт следующая. Вернуться можно лишь тогда, когда волн не будет около трёх-четырёх часов. Оказавшись дома, проверьте стены и перекрытия на наличие трещин, утечки газа и состояние электричества.
Цунами относится к числу самых опасных катастроф, которые могут произойти на нашей планете. Только землетрясения и извержения подземной магмы способны сравниться с ними по своим последствиям.
Вполне естественно, что, как и большинство других страшных событий, цунами вызывает немалый интерес у человечества. Одни ищут информацию о том, к каким разрушениям привели гигантские волны на протяжении всей истории существования человечества или , другим интересно, как происходит цунами, а третьи хотят знать, какими параметрами оно характеризуются. И правильно делают — предупрежден, значит — вооружен.
Процесс образования цунами
Происходящее под водой или вблизи побережья землетрясение (реже – ) приводит к колебаниям поверхности океана. Перемещающиеся по вертикали массы воды вызывают появление не слишком высоких, но достаточно длинных волн, способных пройти со скоростью до 1000 км/ч несколько тысяч километров и достигнуть берега. Приближаясь к прибрежной зоне, сбрасывает скорость и уменьшается в длину, одновременно увеличиваясь в высоту. Чем уже залив или бухта, до которой докатились волны, тем они будут выше – иногда их размер превышает 50 м. Впрочем, даже десятиметрового цунами уже достаточно для создания значительных разрушений.
Основные признаки цунами
Узнать о возникновении цунами можно благодаря системам оповещения, которые непременно имеются в цунамоопасных районах. Хотя существуют признаки цунами, заметные даже невооруженным взглядом обычным людям, оказавшимся в прибрежной зоне незадолго до возникновения этого природного явления. Среди них можно назвать:
– быстрое отступление моря от берега;
– подземные толчки, свидетельствующие о происходящем неподалеку землетрясении, которые, как известно, могут привести к возникновению цунами;
– многочисленные плавающие на поверхности воды обломки различного происхождения, и резкие взбросы воды у кромки льда или же рифов.
Факторы, сопровождающие цунами
Как правило, возникновение цунами сопровождается разрушительными последствиями, которые вызваны такими факторами, как действие сначала морской, а затем воздушной волны, а также гидродинамического давления.
Вторичными факторами прохождения явления являются:
– затопленная местность;
– разрушенные здания;
– погибшие люди и животные;
– загрязнённые воды и почва (что может привести, в свою очередь, к возникновению и распространению инфекций);
– уничтоженные леса и сельскохозяйственные угодья.
Цунами и их характеристика
Основными характеристиками для этого природного явления являются:
– высота волны цунами, то есть вертикальное расстояние от её гребня до подошвы. При возникновении эта величина равняется 0,5–5 м, но возле берега может достигать и 70 м;
– длина волны, равняющаяся расстоянию между гребнями соседних волн. Обычно эта величина лежит в пределах от одного до нескольких десятков (реже – до двух–трёх сотен) километров и зависит от глубины океана;
– скорость, с которой движется цунами. Обычно находится в пределах 50–100 км/ч на протяжении основной части маршрута, хотя недалеко от эпицентра иногда бывает и 1000 км/ч.
Шкала интенсивности цунами
По своей интенсивности цунами разделяются на 6 основных типов. Подобная классификация цунами позволяет охарактеризовать последствия их действия:
– 1 балл означает, что стихию зарегистрировали только приборы. Большинство людей даже не догадываются о таких цунами;
– цунами с интенсивностью в 2 балла может немного затопить берег, но отличить его от обычного океанского волнения, опять же, способны лишь специалисты;
– 3 балла говорит о том, что цунами стало заметным. Небольшие лодки могут выбрасываться на берег;
– 4 балла. Разрушения достаточно серьёзны, здания повреждаются, корабли прибивает к берегу и даже выбрасывает на него;
– пятибалльное цунами разрушает здания и может привести к гибели людей;
– стихия, интенсивность которой достигает шести баллов, опустошает побережье практически полностью.
Вследствие подземного толчка на начинают происходить сдвиги, так как одна часть дна начинает возвышаться, а остальная опускается. Это все приводит к движению воды, доходящей до поверхности, когда же вся эта масса пытается вернуться в первоначальное состояние, происходит образование огромных волн.
Если подземные толчки происходят в открытом океане, высота рожденных там волн очень редко превышает показатель в 1 метр, считается, что глубинные океанические землетрясения не страшны для судоходства, так как волны имеют большую ширину между гребнями.
Когда же движение земной коры случается ближе к берегу, то скорость волны падает, а ее высота, наоборот, повышается и иногда может вырасти до 30 или 40 метров. Именно эти массивные толщи воды и обрушиваются на берег, и именно их называют цунами.
Причины рождения волны
Как выше уже говорилось, подводное землетрясение – это одна из самых распространенных причин образования огромных волн. На ее долю приходится до 85% всех цунами, но ученые говорят о том, что не все подземные толчки в океане провоцируют рождение высоких волн. Так, порядка 7% огромных волн образуются вследствие оползней. К примеру, можно привести случай, имевший место на Аляске: там случился оползень, который с высоты 1100 метров попал в воду и тем самым спровоцировал появление цунами с волной больше 500 метров. Конечно, такие случаи весьма редкие, ведь чаще случаются оползни под водой в дельтах рек, и они не несут опасности.
Еще одна из причин образования цунами – это вулканическое извержение, на его долю приходится до 4,99% цунами. Такое извержение под водой аналогично обычному землетрясению. Однако механизм и последствия движения коры принципиально различны. Если происходит сильное извержение вулкана, от него формируются не только цунами, в процессе извержения заполняется вычищенная лавой полость горной породы водой, после извержения образуется подводная впадина или так называемое подводное озеро. В результате извержения рождается очень длинная волна. Пример относительно недавнего рождения такого вида волн – это вулканическое извержение Кракатау.
Причиной образования цунами могут стать метеориты, вернее их падение в океан, но такие случаи очень редки. В каждом из перечисленных выше случаев происходит образование цунами практически по аналогичной схеме: вода перемещается вертикально, а затем возвращается в исходное положение.
Цунами - стихийное бедствие, с которым может столкнуться каждый. Даже если вы не живете в зоне, подверженной цунами, вы можете оказаться в таковой на отдыхе или в командировке. А поэтому любой человек должен знать, как вести себя, когда наступает подобное явление.
Нужно понимать, что цунами - это не просто большая волна, а гораздо более мощная сила, которая описывается отдельной физической формулой и имеет силу, почти равную силе взрыва. В море цунами практически не видно - свою высоту и мощь волна обретает, когда подходит к мелководью.
Что нельзя делать при цунами
Для начала мы расскажем, что нельзя делать при цунами, чтобы вы не совершили серьезных ошибок.
Во-первых, нельзя завороженно стоять и смотреть на огромную волну, как вкопанный. Возможно, вам покажется эта рекомендации странной: кому может прийти в голову стоять и смотреть? Но, как показывает практика, многие именно так и поступают. То ли от ужаса, то ли из интереса.
Во-вторых, если цунами уже очень близко, просто бег не поможет, потому что волна двигается со скоростью 800 км в час (скорость самолета), но чем ближе к берегу, тем она становится медленнее: скорость снижается до 80 км в час.
В-третьих, если цунами еще далеко, но о нем уже известно, скорее всего, у вас есть не более 15-20 минут для того, чтобы убежать. Поэтому вместо того, чтобы собирать свои вещи, используем время для побега. Берем только самое необходимое. Спасайте не вещи, а жизнь!
В-четвертых, не стоит бежать около русел рек: именно русла рек при цунами будут разливаться в первую очередь.
Признаки цунами
Когда в 2004 году цунами обрушилось на берега Таиланда, отдыхающие подивились тому, что дно обнажилось на много километров и стали видны различные ракушки, которые люди принялись собирать. Но на одном пляже отдыхающих спасли знания школьницы, которая накануне на уроке географии проходила тему цунами и вовремя распознала обнажение дна моря как верный признак наступления волны, а также сообщила об этом всем окружающим, так что они успели эвакуироваться.
К признакам цунами относят:
- землетрясение
- необычное поведение воды: она либо отступает на много метров, либо, наоборот, начинает как бы «смазывать» поверхность земли, выходя за пределы акватории
- животные сбежали с берега или ведут себя тревожно
- появление белой кромки волны на горизонте
- резкое поднятие горизонта моря
- все люди бегут от моря
- воет предупредительная сирена
Что делать во время цунами
Если вы еще не видите цунами, но уже воет предупредительная сирена, или же вы увидели цунами лишь на горизонте, значит, у вас есть от 10 до 20 минут, чтобы покинуть место.
Незамедлительно начинайте бежать в другую сторону от моря. Не останавливайтесь, пока не отойдете на 3-4 километра вглубь материка или не окажетесь на высоте 30 метров. Обычно этого хватает, чтобы спастись.
Если вы оказались в ловушке и не можете уйти с берега, поднимайтесь вверх. Это не лучшее решение, поэтому его используем, только если все остальные решения недоступны. Можно забраться на крышу здания, а можно выбрать для укрытия крепкое высокое дерево.
Когда вы займете позицию, откуда будете ждать наступления волны или же начнете бежать,постарайтесь на ходу освободиться от тяжелых деталей одежды (куртки и т.п.), которые в случае, если волна настигнет, вас потопят.
Если вы попали в воду, заберитесь на плывущий объект и используйте его в качестве плота. При любой возможности попробуйте перелезть на дерево, здание или в другое безопасное место.
Попав в цунами, вы имеете шансы погибнуть не от того, что утонете, а от удара какого-либо плавающего предмета. Поэтому старайтесь защититься от таких предметов.
Когда волна достигнет своего предела на суше, оно с огромной мощью начнет отступать обратно. Оказаться в воде в этой время чрезвычайно опасно, поскольку вас просто унесет в океан. Поэтому при любой возможности старайтесь выбраться из воды, пусть даже просто зацепившись за дерево, чтобы преодолеть силу, несущую вас в океан.
Что делать после цунами
Когда цунами отступило, нельзя возвращаться в свой дом или в отель, идти к берегу. За первой волной может наступить вторая и третья, причем они могут быть сильнее. Поэтому нужно оставаться вдалеке от берега, а еще лучше попытаться больше уйти вглубь острова или материка, чтобы вторая и третьи более сильные волны вас не настигли. Только когда власти дадут сигнал, что волны закончились, можно возвращаться в дом.
Когда вы будете заходить в дом, если от него что-то осталось, необходимо остерегаться предметов, которые могут обрушиться вам на голову. Также вас может ударить током. Поэтому в помещение можно заходить, только удостоверившись, что все в порядке.
Если вы только собираетесь на отдых
Конечно, не очень приятно перед поездкой на отдых думать о плохом. Но все же, предупрежден - значит вооружен. Поэтому сначала узнайте, обрушивались ли цунами на этот прибрежный регион раньше. Хотя если даже не обрушивались, это не гарантия. Стоит учесть, что большинство цунами происходит в месте под названием «вулканический пояс». Это область в Тихом океане, известная благодаря своей вулканической активности. Однако цунами бывают во всех океанах, поэтому если вы будете на океаническом побережье, это потенциально опасно. Не стоит отказываться от такого отдыха, просто нужно изучить признаки цунами и строго следовать всем правилам.
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.
Евгений Александрович Куликов – выпускник МФТИ 1973 г. В 1973–1986 гг. работал в Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН, в 1979 г. защитил диссертацию на звание кандидата физико-математических наук. Сейчас – заведующий лабораторией цунами в Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН, автор около ста научных публикаций по цунами, волновым процессам в краевых областях океана и др., в том числе двух монографий, один из самых крупных специалистов-любителей по идеям Чучхе (учения Ким Ир Сена), за что награждён значком с изображением Великого вождя, приверженец теоретической кулинарии (см. сайт http://www.proza.ru/author.html?kulikove) и основатель нового вида спорта бананометания (http://kulikov.korolev.net.ru). Имеет троих теперь уже взрослых детей.