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.