Цунами (от яп., где 津— «бухта, залив», 波— «волна») — длинные волны, порождаемые мощным воздействием на всю толщу воды в океане или другом водоёме .
По мнению некоторых специалистов, являются солитонами, то есть структурно устойчивыми уединёнными волнами, распространяющиеся в нелинейной среде.
Скорость распространения цунами может достигать 900 км/час, при этом высота гребня волны чаще всего входит в диапазон 10–40 м. Самая большая волна, зафиксированная за всю историю человечества, имела высоту выше полкилометра.
Теоретические характеристики
При средней глубине 4 км скорость распространения получается 200 м/с или 720 км/ч. В открытом океане высота волны обычно не превышает 50 см, и поэтому волна не опасна для судоходства, её даже не могут заметить люди на борту лодки или корабля.
При выходе волн на мелководье, вблизи береговой черты, их скорость и длина уменьшаются, а высота увеличивается (Рис.1.). У берега высота цунами может достигать нескольких десятков метров. Наиболее высокие волны, до 40 метров, образуются у крутых берегов, в клинообразных бухтах и во всех местах, где может произойти фокусировка.
Высоту волны на прибрежном мелководье (Нмелк) , не имеющем защитных сооружений, можно посчитать по следующей эмпирической формуле: Нмелк=1,3 * Нглуб *( Вглуб/Вмелк)1/4 м, где :
· Нглуб — изначальная высота волны в глубоком месте;
· Вглуб— глубина воды в глубоком месте;
· Вмелк— глубина воды в прибрежной отмели;
Период волн цунами (T) лежит в диапазоне от 102 до 104 с (от нескольких минут до нескольких часов) [5].
Оценка, выполненная по этой формуле, показывает, что в открытом океане длина волны цунами должна варьироваться от 20 до 2000 км. В отличии от приливных волн, волны цунами не всегда имеют достаточную длину для соответствия модели длинных волн.
Короткопериодные цунами подвержены дисперсии, которая свойственна гравитационным волнам на воде. Амплитуда цунами в открытом океане даже для катастрофических событий обычно измеряется десятками сантиметров и редко превышает 1 м.
Малость амплитуды при большом периоде делает волну цунами в открытом океане практически незаметной для наблюдателя, находящегося на борту морского или воздушного судна. В силу того, что скорость распространения цунами зависит от глубины, картина распространения этих волн существенным образом связана с рельефом дна.
Для цунами свойственны эффекты захвата волновой энергии подводными хребтами и шельфом, эффекты фокусировки и дефокусировки при распространении волны над подводными возвышенностями и впадинами[2]. Неровности дна приводят к рассеиванию энергии волн цунами. Уменьшение глубины при подходе цунами к берегу сопровождается снижением скорости распространения волн, а, следовательно, и сжатием и увеличением амплитуды смещения поверхности воды и скорости горизонтальных течений.
Линейная теория длинных волн дает следующие связи амплитуды волны и скорости горизонтального течения с глубиной бассейна: скорости течений в волне растут существенно быстрее, чем амплитуда. Поэтому сильные прибрежные течения могут представлять угрозу для судов, находящихся в порту или на рейде. При объявлении тревоги цунами стандартной рекомендацией для судов является выход в открытое море .
Причины образования цунами
Подводное землетрясение . При землетрясении под водой происходит взаимное смещение дна по вертикали: часть дна опускается, а часть приподнимается. Поверхность воды приходит в колебательное движение по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, 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. Также, необходимо чтобы подводный толчок вошёл в резонанс с волновыми колебаниями.
Оползни.Цунами такого типа возникают чаще, чем это оценивали в XX веке. Зачастую землетрясение вызывает оползень, и он же генерирует волну. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 1100 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты более 524 м. Такие случаи редки,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 .
Вулканические извержения. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются не только волны от взрыва, но вода также заполняет полости от извергнутого материала или даже кальдеру, в результате чего возникает длинная волна. Классический пример — цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году.
Человеческая деятельность. В 1946 году США произвели в морской лагуне глубиной 60 м подводный атомный взрыв с тротиловым эквивалентом 20 тыс. тонн. Но для дальнего распространения волны нужно вытеснить или поглотить некоторый объём воды, поэтому волны от подводных оползней и взрывов всегда имеют локальный характер. Если одновременно произвести взрыв нескольких водородных бомб на дне океана, вдоль какой-либо линии, возможно образование более высокой волны, за счёт кумулятивного эффекта, но не попадающее в категорию цунами в силу того, что для формирования цунами требуется сдвиг всей толщи воды, тогда как взрыв формирует только поверхностные волны[5].
Табл. 1. Типы источников и их доли
Распространение цунами
Скорость распространения волн цунами зависит от глубины воды. Если глубина воды уменьшается, скорость цунами также уменьшается. В средней части Тихого океана, где глубина воды достигает 4,5 км, волны цунами могут распространяться со скоростью более 800 километров в час. Интенсивность цунами измеряется по шкале .
Таб.2.Шкала интенсивности.
Следует рассмотреть несколько общих концепций о рефракции и дифракции волн. Эти явления имеют важное значение для понимания механизма распространения цунами.
Рефракция волн
Можно представить ,что это бегущие волны с длиной волны значительно превышающей глубину воды в том месте, где они проходят. Они называются волнами на мелкой воде или длинными волнами (Рис.2.). Так как волны длинные, различные части волны могут оказаться над различной глубиной (особенно возле побережий) в данный момент времени.
В связи с тем, что скорость длинной волны зависит от глубины, различные части волны распространяются с различными скоростями, вызывая искривление волн. Это называется рефракцией [1].
Дифракция волн
Дифракция - это явление можно грубо считать искривлением волн вокруг объектов. Именно такое движение позволяет волнам проходить через препятствия в гавани, так как энергия переносится поперечно по отношению к гребню волны, как показано на схеме ниже (Рис.3.). Такое искривление (которое довольно сложно объяснить) имеет значительно меньший масштаб, чем рефракция, о которой говорилось выше и которая является простой реакцией на изменения скорости [1].
Рис.3.Пример дифракции волн цунами
Когда цунами распространяются на большие расстояния через океаны, необходимо принимать во внимание сферичность Земли, чтобы определить воздействие цунами на удаленные побережья. Волны, которые расходятся в разные стороны возле источника образования, могут вновь сойтись в точке на противоположном конце океана. Примером этого явилось цунами 1960 года с источником на побережье Чили в точке 39,5 ю.ш. и 74,5 з.д.. Побережье Японии располагается между 30 и 45 градусами с.ш. и 135 и 140 градусами в.д. , что составляет разницу в 145 и 150 градусов по долготе от зоны источника. В результате схождения (конвергенции) непреломленных лучей волн на побережье Японии произошли сильные разрушения и погибло много людей (Рис.4.). На схеме на следующей странице проиллюстрировано схождение лучей волн из-за сферичности Земли.
Кроме указанного эффекта лучи волн цунами также отклоняются от своего естественного пути вдоль максимальных окружностей из-за рефракции лучей под воздействием разницы в глубине мест, стремясь к более глубоким местам. Влияние такой рефракции на волны цунами удаленного происхождения приводит к тому, что не всегда волны цунами сходятся в одном месте на противоположном конце океана [3].
Есть и другой механизм рефракции волн на воде, даже при больших глубинах и в отсутствии топографических неровностей. Было доказано, что течения, направленные под углом к волнам, могут изменить их направление распространения и повлиять на длину волны.
Когда цунами приближается к побережью, волны видоизменяются под действием различных характеристик прибрежного и берегового рельефа. Подводные гряды и рифы, континентальный шельф, очертания мысов и заливов, крутизна береговой полосы могут изменить период волны и высоту волны, вызвать резонанс волн, отражение энергии волн и/или преобразовать волны в приливной вал , который обрушивается на берег.
Океанические хребты очень мало защищают побережье. Хотя небольшое количество энергии цунами может отразиться от подводного хребта, большая часть энергии переносится через хребет к береговой линии. Цунами 1960 года, образовавшееся вдоль побережья Чили, является характерным примером этого. Волны этого цунами имели большую высоту вдоль всего побережья Японии, включая острова Сикоку и Кюсю, которые располагаются за хребтом Южного Хонсю.
Прогноз
Цунами, как и землетрясение, предотвратить невозможно. Но это катастрофическое явление можно прогнозировать, уменьшая тем самым человеческие потери и материальный ущерб. Методы прогноза вулканогенных и оползневых цунами пока находятся в зачаточном состоянии. Метоцунами можно прогнозировать, и такие системы ныне находятся в стадии становления, отметим, что задача прогноза метеоцунами тесно связана с задачей прогноза погоды. Цунами, образуемые взрывами или падением метеоритов, представляют собой особый класс явлений, для которых не подходят стандартные прогностические инструменты. Например, теория длинных волн, которая обычно применяется при моделировании цунами, может в этих случаях дать заведомо неверный результат. Скорость распространения цунами (~200 м/с в открытом океане) существенно уступает скорости сейсмических волн (~3 км/c), которые несут с собой информацию об факте и параметрах очага цунамигенного землетрясения.
Именно поэтому волны цунами сейсмического происхождения – это прогнозируемая природная катастрофа. Интервал между приходом сейсмических волн и волн цунами может варьироваться от нескольких минут (локальные цунами) до десятков часов (трансокеанские цунами). В ряде случаев локальные цунами, из-за недостатка времени, не могут быть спрогнозированы в принципе или такой прогноз не имеет практического смысла, так как эвакуационные мероприятия не могут быть реализованы.
Первый прогноз цунами в дальней зоне, основанный на интерпретации сейсмических данных, по-видимому, относится к Камчатскому землетрясению 03.02.1923. Томас Джагер– директор вулканологической обсерватории на Гавайях – придя утром в лабораторию, обнаружил, что сейсмометр, предназначенный для мониторинга вулканического тремора, зарегистрировал сильное и далекое землетрясение. Определить положение эпицентра, обладая данными только с одного сейсмометра, было невозможно. Но по разнице вступления P и S волн можно было оценить эпицентральное расстояние. Оценки показывали, что землетрясение большой силы произошло где-то в бассейне Тихого океана. Несколькими месяцами ранее Гавайские острова уже подвергались воздействию волн цунами с высотами заплеска около 2 м, источник которых располагался у Чилийского побережья. Из анализа этого события Томасу Джагеру была известна скорость распространения цунами в океане. По известному эпицентральному расстоянию он рассчитал время прибытия цунами, вызванного Камчатским землетрясением, к Гавайским островам и сообщил о своем прогнозе местным властям в Хило. К сожалению, этот прогноз расценили просто как фантазию ученого. Тем не менее волны цунами действительно достигли Гавайских островов, причинив ущерб в $1.5 млн. и вызвав гибель 1 человека. Через 10 лет, во время землетрясения 02.03.1933 (Япония, Санрику), история повторилась. На этот раз местные власти отнеслись к прогнозу с большим уважением и эвакуировали население из опасных областей. Цунами было разрушительным, но никто не погиб.
В настоящее время оперативный прогноз цунами базируется на сейсмических данных и предустановленных критериях. Решение об объявлении тревоги цунами принимают, если магнитуда сейсмического события превышает некоторое пороговое значение. Пороговое значение магнитуды варьируется в зависимости от региона.
Сильная зависимость характеристик цунами от механизма очага землетрясения и его глубины приводит к тому, что далеко не каждое подводное землетрясение с магнитудой, превышающей пороговую, сопровождается образованием волн, которые представляют реальную опасность.
Практика российской СПЦ говорит о несовершенстве магнитудно-географического критерия. Речь идет о ложной тревоге цунами, которая в соответствии с регламентом информационно-обрабатывающего центра была объявлена по охото-морскому побережью Сахалина и Курильских островов при землетрясении в Охотском море 24.05.2013. Позднее был объявлен отбой тревоги в связи с глубоким расположением гипоцентра. Второй случай относится к проявлению Чилийского цунами 2010 г. на российском побережье. Этот случай свидетельствует как о несовершенстве применяемых методик, так и о сложности явления цунами. Волны максимальной амплитуды (около 2 м) достигли острова Парамушир спустя несколько часов после вступления относительно слабой лидирующей волны и спустя час после отбоя тревоги цунами.
Методики прогноза, опирающиеся исключительно на сейсмические данные, не могут являться панацеей. Для подтверждения или отмены тревоги цунами важно обладать объективной информацией о самом факте возникновения волны. Такая информация может быть получена, когда волна окажется зарегистрированной ближайшей к источнику станцией уровня моря или каким-либо иным способом. Изначально для регистрации вариаций уровня моря, обязанных волнам цунами, использовались исключительно береговые измерения.
В конце 1960-х годов С.Л.Соловьев предложил принципиально новый метод оперативного прогноза, основанный на регистрации волны вдали от берега .Получив существенное техническое развитие, этот метод в настоящее время активно используется: вариации уровня моря регистрируются сетями высокочувствительных датчиков давления, которые расположены на дне океанов и морей (DART, NEPTUNE, DONET). Точность измерения высоты столба жидкости обычно не хуже 1 мм. По сравнению с береговыми измерениями глубоководная регистрация цунами имеет целый ряд важных преимуществ.
Во-первых, в силу того, что скорость распространения цунами возрастает при увеличении глубины океана, глубоководный датчик быстрее зарегистрирует волну, чем береговой мареограф, расположенный на том же расстоянии от очага. Во-вторых, при подходе к побережью волна цунами сильно искажается и отчасти «забывает» о свойствах породившего ее источника. В тоже время в открытом океане сигнал цунами не является искаженным или фильтрованным. В-третьих, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) донных датчиков давления является абсолютно плоской в диапазоне волн цунами, в то время как многим береговым мареографам свойственна сложная и непостоянная АЧХ. В-четвертых, частотный диапазон волн цунами характеризуется чрезвычайно низким уровнем фонового шума (~0.001 м), что позволяет легко различать сигнал цунами с амплитудой порядка 0.01 м. Еще одним важным преимуществом глубоководных измерителей, по сравнению с береговыми, является их «неуязвимость» по отношению к разрушающему воздействию катастрофических волн цунами, которое всегда приурочено к береговой мелководной зоне. Развитие плотной сети донных измерителей уровня моря уже в недалеком будущем способно поднять оперативный прогноз цунами на качественно новый уровень. При этом не исключено, что роль сейсмической информации в прогнозе будет уменьшаться, а роль распределенных измерений уровня моря выйдет на первый план.
Такой подход, несомненно, позволил бы избежать многочисленных ошибок в оперативном прогнозе, которые связаны со сложной и неоднозначной связью между землетрясением и цунами. Оригинальный способ оперативного прогноза цунами реализован в конце 20-го века в Японии. Методика основана на том, что очаги цунами имеют свойство повторяться. Поэтому задача гидродинамического моделирования цунами, требующая длительных расчетов, решена заранее. Результаты расчетов сведены в специальной базе данных. Когда происходит реальное подводное землетрясение, то в соответствии с его магнитудой и местоположением эпицентра, из базы выбираются необходимые данные, по которым с помощью метода интерполяции оперативно рассчитываются возможные высоты заплесков.
Защита от цунами
Невозможно полностью защитить какой-либо берег от разрушительной силы цунами. Во многих странах пытались строить молы и волноломы, дамбы и другие сооружения с целью ослабить силу воздействия цунами и уменьшить высоту волн.
В Японии инженеры построили широкие набережные для зашиты портов и волноломы перед входами в гавани, чтобы сузить эти входы и отвести или уменьшить энергию мощных волн.
Ни один тип защитных сооружений не смог предоставить стопроцентную защиту низко расположенных побережий. Фактически барьеры иногда могут только усилить разрушения, если волны цунами пробьют брешь в них, с силой бросая на дома и другие сооружения куски бетона, как снаряды.
В некоторых случаях деревья могут предоставить защиту от волн цунами. Рощи деревьев сами по себе или в дополнение к береговым защитным сооружениям могут гасить энергию цунами и уменьшить высоту волн цунами.
Система предупреждения о цунами
Система предупреждения о цунами - это международная программа, требующая участия многих служб, которые занимаются вопросами сейсмичности, приливных явлений, связи и распространения информации из различных стран Тихоокеанского региона. Административно страны-участницы объединены в рамках Международной океанографической комиссии как члены Международной координационной группы по Системе предупреждения о цунами в Тихоокеанском регионе (ICG/ITSU). По просьбе Международной океанографической комиссии был создан Международный центр информации о цунами, который выполняет многочисленные задачи в поддержку участников ICG/ITSU и с целью уменьшить риск, связанный с цунами в Тихоокеанском регионе. Тихоокеанский центр предупреждения о цунами (ТЦПЦ) является оперативным центром Системы предупреждения о цунами в Тихоокеанском регионе.
Центр предупреждения о цунами в Тихоокеанском регионе (PTWC = ТЦПЦ) собирает и производит оценку данных, предоставляемых странами-участницами, и издает соответствующие информационные бюллетени для всех участников о сильных землетрясениях и возможной или подтвержденной вероятности образования цунами.
Функционирование Системы начинается с момента определения любой сейсмической станцией одной из стран-участниц землетрясения такой силы, что срабатывает устройство сигнала тревоги, установленное на данной станции.
Когда в ТЦПЦ получат достаточно данных для определения координат эпицентра землетрясения и его магнитуды, принимается решение в отношении дальнейших действий. Если землетрясение достаточно сильное и способно вызвать цунами, ТЦПЦ посылает запросы на станции наблюдения за приливами стран-участниц, расположенных ближе к эпицентру, чтобы они проводили контроль показаний с целью выявления цунами. Оцениваются данные, полученные от станций наблюдения за приливами; если они показывают, что образовалось цунами, опасное для части или всего населения Тихоокеанского региона. Бюллетень предупреждения / наблюдения за цунами расширяется или обновляется как Предупреждение для всего Тихоокеанского региона. Соответствующие организации затем проводят эвакуацию людей из опасных областей по заранее разработанным схемам. Если станции наблюдения за приливами показывают образование не представляющего опасности цунами (или отсутствие цунами), ТЦПЦ аннулирует содержание ранее разосланного Бюллетеня предупреждения / наблюдения за цунами.
