 |
Основные характеристики ветровых волн и волн цунами.
|
|
|
|
Свыше 99% волн цунами вызываются подводными землетрясениями. При землетрясении под водой образуется 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.
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ЦУНАМИ
Научное обозрение
В.М.Дуничев
Цунами вызываются тектоническими землетрясениями под дном морей и океанов. Поэтому, прежде чем выяснять механизм формирования цунами, необходимо рассмотреть причину и механизм возникновения землетрясений.
О них известно следующее. Место, где происходит землетрясение, называется гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность каменной оболочки именуется эпицентром. Именно там происходят наибольшие разрушения. Это – эпицентральная область. На поверхности литосферы форма ее овальная. Размер зависит от магнитуды землетрясения: при магнитуде 5 баллов по шкале Рихтера длина овала достигает 11 км, ширина – 6 км. При катастрофических землетрясениях (магнитуда 8) эти цифры соответственно возрастают до 200 и 50 км.
От гипоцентра распространяются продольные и поперечные сейсмические волны. Продольными называются дислокации типа расширения и сжатия. Скорость их распространения почти в два раза больше поперечных дислокаций типа сдвигов с образованием микропустот.
Если соединить границы эпицентральной области с гипоцентром, получим тело, испытавшее сотрясение при землетрясении. Им будет конус (рисунок 1), что естественно при сферической форме Земли. Тектонических (литосферных) плит (прямоугольных параллелепипедов) на земном шаре теоретически быть не может (рисунок 2).
|
|
|
Рисунок 1. Конус, объемное тело, сотрясающееся при землетрясении.
Рисунок 2. Так бы располагались тихоокеанская и евроазиатская плиты на земном шаре.
Такая плита коснулась бы поверхности планеты в одной точке, столкнулись бы две плиты высоко в воздухе. Литосферные плиты получаются при перемещении материков на географической карте, или по горизонтальной плоскости. Тем самым, неосознанно форма нашей планеты принимается плоской, как думали люди в древности, но Земля другая – шар.
Конус может погружаться в пустоту. Раз пустот на глубинах десятков и первых сотен километров нет, значит, они возникают и сразу же заполняются конусами. Причина формирования конусов в гравитационном поле Земли, обязывающим все тела на ее поверхности занять как можно более близкое положение к центру планеты, что ведет к сокращению объема каменной оболочки. Масса же ее не меняется. Следовательно, увеличивается плотность глубинного вещества. Вещество большей плотности занимает меньший объем от предыдущего с возникновением пустоты, в которую мгновенно проваливается конус вышележащих пород. Происходит землетрясение. Последующее полное заполнение возникшего свободного пространства фиксируется серий афтершоков с постепенным ослаблением сотрясений [1].
Итак, сейсмичность вызвана наличием гравитационного поля, сокращающего объем каменной оболочки земного шара, что увеличивает плотность глубинного вещества с образованием пустот, в которые мгновенно проваливаются конусы вышележащего вещества литосферы, что и фиксируется землетрясением. Это реальный мир нашей планеты. Людям необходимо принимать его таким, какой он есть, понимать, что тектонические землетрясения – обычные явления на Земле, происходящие постоянно и повсеместно. Предотвратить их нельзя.
|
|
|
Подготовка к увеличению плотности глубинного вещества идет длительное время: сотни и тысячи лет. Для земного шара с его временем существования миллиарды лет это ничтожно малые промежутки времени, а для человека – огромные, потому что миры времени Земли и человека различны. Отличен и мир пространства. При опускании конусов на поверхности литосферы возникают понижения, в которые сносятся глины, пески, накапливающиеся в виде слоев. В верхней части литосферы нет места, где бы не было слоев. Следовательно, везде и постоянно на Земле происходят землетрясения разных магнитуд, потому что объем ее каменной части постоянно уменьшается.
Переход вещества в более плотную модификацию, например, кварца – SiO2 с плотностью 2,65 г/см3 в коусит того же химического состава, но с плотностью 2,91 г/см3, сопровождается поглощением энергии в 1,2 ккал/моль. Следовательно, для начала землетрясения энергия из глубинного вещества не выделяется, а поглощается им. Как же быть с разрушениями от землетрясений? На это же тратится энергия!
Разрушения вызываются продольными и поперечными сейсмическими волнами, формирующимися при проваливании конуса вещества.
Механизм образования таких волн достаточно хорошо изучен при плоском моделировании корабельного волнообразования: взаимодействия корпуса корабля с водной средой [4].
При равномерном и прямолинейном движении модели судна по спокойной воде при (л/L) = 0,5; V = 13 узлов за кормой отчетливо просматривается система поперечных корабельных волн, ограниченная треугольником свободно расходящихся волн. Если в непосредственной близости от корпуса такое разделение корабельных волн на поперечные и расходящиеся весьма условно, то оно вполне справедливо при рассмотрении особенностей распространения волн на большом удалении от корпуса. Там поперечные волны ведут себя как вынужденные, а расходящиеся – как свободные, с ярким проявлением особенностей их групповой структуры. В расходящихся волнах отмечается чередование повышений уровней свободной поверхности с понижениями их.
Вне зависимости от формыкорпуса за кормой корабля образуется регулярная система поперечных корабельных волн, длина и период которых строго связан со скоростью хода корабля: lw = V02 x 2p/g; фw = V0•2 p/g.
|
|
|
Расходящиеся от корпуса свободные волны обладают как ярко выраженными дисперсионными свойствами (увеличение длины и периода волны при ее свободном распространении), так и групповыми свойствами (скорость распространения волнового возмущения в два раза меньше скорости движения фронта каждой из волн, образующих волновой пакет). К расходящейся корабельной волне неприменимы методы интерференционного анализа. Единственный способ понижения большей части энергии расходящейся волны в построении таких обводов корпуса, которые способствовали бы ее гашению непосредственно в момент зарождения. В морском деле это достигается «закручиванием» набегающего потока под днищем корпуса в тот момент, когда вихрь зарождающейся волны начинает отрываться от корпуса.
Поперечные волны ответственны за килевую (вертикальную) качку корпуса корабля, а расходящиеся – за бортовую (горизонтальную). Угол расхождения пакетов свободных расходящихся волн составляет 20°42'.
Если перейти с плоскостной модели волнообразования на объемную, а двигающееся тело определить конусом, то при погружении конуса должны генерироваться расходящиеся (продольные) волны, распространяющиеся вдоль стенок конуса в виде пакетов волн растяжения и сжатия вещества. На поверхности литосферы по границам проваливающегося овального блока продольные волны будут фиксироваться овальной структурой из множества высокочастотных вихрей, генерирующих волны цунами. Поэтому в момент формирования область волн цунами представляет собой овальное поле, быстро расширяющееся во все стороны. На выходе на дневную поверхность по границам опустившегося овального блока продольные волны вызывают горизонтальные сотрясения.
Конечно, нелинейный характер процессов волнообразования, неоднородность по простиранию и вертикали вещества проваливающегося конуса вызовут значительные отклонения от общей изложенной схемы, но общие черты закономерности сохранятся.
|
|
|
Поперечные волны на поверхности внутренней части опустившегося овального тела ответственны за вертикальные перемещения вещества литосферы, образуя трещины овальной формы, местных опустившихся блоков.
Таким образом, цунами – морские гравитационные волны, формирующиеся по границам провалившегося при землетрясении конуса вышележащего вещества литосферы [2]. Генерируются они высокочастотными вихрями продольных волн морском дне. Поэтому, первоначальное поле волн цунами представляет собой овальную область, быстро расширяющуюся во все стороны. Распространение продольных волн пакетами сжатия и расширения вещества вызывает образование нескольких разрушительных цунами с постепенным ослаблением их энергии.
Подобные явления наблюдались при катастрофическом (магнитуда 8) землетрясении 4 октября 1994 г., гипоцентр которого находился под дном Тихого океана на глубине 33 км в 70 км восточнее о. Шикотан (Малая Курильская дуга). Землетрясение сопровождалось цунами и серией афтершоков. Изучение записей сейсмических сигналов и вариаций уровня океана на приливных станциях В.В. Ивановыми др. показало, что в результате землетрясения на поверхности дна возник подвижный блок овальной формы, границы которого были очагами генерации высокочастотных цунами [3]. Расчеты показали [1], что при радиусе основания конуса 70 км и высотой 33 км угол встречи r с l – длина боковой поверхности конуса, будет около 200.
Близкая картина формирования цунами наблюдалась и при катастрофическом землетрясении 26 декабря 2004 г. в Индийском океане вблизи северной оконечности острова Суматра [2].
Предохранение от цунами – строительство жилых и производственных зданий на участках выше 30 м от уровня моря.
Классификация цунами
Цунами классифицируют по магнитуде (магнитудная шкала для цунами предложена японскими учеными). Магнитуда цунами (m) определяется, по аналогии с магнитудой землетрясений, как логарифм амплитуды колебаний уровня воды (h), измеренных стандартным мареографом у береговой линии на расстоянии от 10 до 3 км от источника цунами.
m = 3,39 • lg h,
где h -максимальная высота волны в метрах.
Такие формулы дают весьма изменчивые и грубые оценки, т.к. на высоту морских волн сильно влияют особенности береговой линии. Когда волна цунами входит в какой-нибудь замкнутый водоем, уровень воды резко повышается.
При очень крутых уклонах дна и прямолинейных берегах, а также на участках с достаточно высокими берегами цунами вырастает несильно и не причиняет сколько-нибудь значительных разрушений. Особую опасность представляют собой суживающиеся, с уменьшающимися глубинами бухты и проливы, в которых происходит значительное увеличение высоты, а стало быть, и разрушительное действие волн. При этом, в случае низменного побережья волна захватывает большие участки суши, сметая все на своем пути. Крайнюю опасность представляют устья рек, по которым цунами может проникнуть в глубь территории на расстояние до нескольких километров. Уменьшается высота волн только в закрытых расширяющихся бухтах с узким входом.
|
|
|
В случае залива, отгороженного от моря, явления резонанса и интерференции могут осложнить характер флуктуаций уровня воды, когда приходят разные по счету волны цунами.
|
|
|
