Прогноз цунамі

Причини виникнення хвиль цунамі. Термін «цунамі» в перекладі з японської мови означає «хвиля у гавані». Під цією назвою розуміють хвилі на поверхні моря, які спричиняються зміщенням ділянки дна океану при землетрусах, зсувом ґрунту та виверженням вулканів. Хвилі цунамі спостерігаються переважно у сейсмічно активних районах Світового океану, виникають внаслідок підводних землетрусів силою більш ніж 5…6 балів за шкалою Ріхтера, з епіцентром на глибині менше 50 км. Значні хвилі цунамі спричиняють великі руйнування вздовж узбереж морів та океанів, тобто розрахунок параметрів хвиль цунамі та їх прогноз має велике значення для господарської діяльності у прибережній зоні.

У наш час не існує надійних методів прогнозу виникнення цунамі. Звичайно, коли мова іде про прогноз цунамі, мають на увазі попередження про явище, яке вже існує та наближається до тієї чи іншої ділянки узбережжя. Засоби захисту від цунамі зводяться до винесення споруд за межі зони затоплення, а також організації служби попередження про цунамі. Такі служби створені у США, Японії, Росії та деяких країнах південно-східної Азії. Щоб система попередження цунамі була ефективною, вона повинна впродовж кількох хвилин визначити усі необхідні параметри землетрусу (положення епіцентру, час, магнітуду, глибину фокуса, відстань від джерела до узбережжя) та цунамі.

Основна причина утворення цунамі – тектонічні землетруси, які пов’язані з раптовим переміщенням великих мас земної товщі. Внаслідок різкого підняття та опускання дна океану у водній товщі відбувається зміна об’єму та тиску – хвилі стиснення та розрідження, які створюють на поверхні довгі хвилі. З епіцентру землетрусу хвилі цунамі розповсюджуються радіально-симетрично на всі сторони. Однак енергія хвиль розподіляється нерівномірно. Більша частина енергії сконцентрована вздовж нормалі до лінії розлому земної кори. Швидкість хвиль цунамі залежить від глибини, тобто вона змінюється при проходженні хвиль над ділянками з різними глибинами.

У глибоких районах моря швидкість хвиль може досягати
500…1000 км·год^-1, а відстань між послідовними вершинами хвиль досягає 500…700 км. Висота хвиль у центрі формування не перевищує 0, 5…1, 0 м, тому у відкритому океані хвилі цунамі непомітні. Однак при виході до мілководдя частина енергії хвиль переходить у потенціальну, внаслідок чого сильно збільшується висота та крутість переднього схилу хвилі. Потім відбувається руйнування хвиль та спад великих мас води назад до океану. В деяких випадках висота хвиль цунамі досягає 30…40 м.

Перед наступом цунамі на узбережжі звичайно відбувається зниження рівня моря та прихід невеликих хвиль. Потім може бути повторне зниження рівня, після чого приходить цунамі. За першою хвилею, як правило, приходить ще декілька хвиль більшої величини з інтервалами від 15 хв до 1…2 год. Звичайно максимальною буває третя або четверта хвиля.

Хвилі проникають в глибину суші в залежності від її рельєфу іноді на 10…15 км і, маючи велику швидкість, викликають величезні руйнування та людські жертви. Вплив цунамі залежить від форми берегової лінії, наявності чи відсутності бухт, заток, ширини входу в бухту та її довжини. Так, існує залежність висоти хвилі від ширини бухти при вході та в її вершині. Коли ширина бухти при вході в 6…8 раз більша, ніж у вершині, висота цунамі збільшується в 2…2, 5 рази. Навпаки, при розширенні бухти до її вершини висота цунамі зменшується.

Прогноз цунамі. Передбачення цунамі, в першу чергу, залежить від того, як буде передбачено землетрус. На цей час землетруси не прогнозуються, тому задача прогнозу цунамі в прямому сенсі цього слова поки що не розв’язувана. Загальні відомості про цикли сейсмічності в тих чи інших районах дають тільки очікувану картину в багаторічному плані, тобто відома ймовірність сильних підводних землетрусів у таких роках, наприклад, у 1995-2000 рр.

Сьогодні під прогнозом цунамі мають на увазі розрахунок часу, необхідного для підходу хвилі від епіцентру землетрусу в океані до заданого пункту узбережжя. Для цього необхідно знати різницю часу Δ t (в секундах) між приходом сейсмічної хвилі від епіцентру землетрусу, яка має швидкість V_с (в км·c^-1) та приходом хвилі цунамі, яка має швидкість розповсюдження хвилі С (формула Лагранжа-Ері):

 

(9.8)

 

де Н – глибина моря, g – прискорення вільного падіння;

 

Δ t = ((V_c - C) / V_c C) х,

 

де х – відстань (в км) від епіцентру землетрусу до заданого пункту.

Якщо прийняти, що середня швидкість розповсюдження пружних сейсмічних хвиль V_с = 10 км·c^-1, а швидкість довгої хвилі у відкритому океані С= 0, 2 км·c^-1, то Δ t ≈ 5х.

На сейсмічних станціях після отримання сигналу про землетрус, в першу чергу, визначають його інтенсивність та епіцентр. Для цього власні дані порівнюють з даними інших сейсмічних станцій (які надходять по радіо або телеграфом) і за азимутом визначають положення центру землетрусу. Велику допомогу у виявленні цунамі дають спостереження за рівнем океану вздовж шляху проходження хвилі, тобто на океанських островах та вздовж узбережжя. Дані про хвилі цунамі безпосередньо вимірювані мареографами, негайно передають в центр сповіщення, що дозволяє уточнити розмір хвилі цунамі та час її підходу до різних пунктів. Така система може функціонувати, якщо осередок землетрусу знаходиться досить далеко і вздовж шляху руху хвилі є острови та пункти, обладнані мареографами. Наприклад, для тихоокеанського узбережжя США та Гавайських островів найбільш небезпечними з точки зору виникнення цунамі є землетруси біля узбережжя Південної Америки. Час добігання хвилі цунамі в цьому випадку складає декілька годин (до десяти). За цей час відповідні служби встигають не тільки уточнити розмір хвилі, але й посилають назустріч літак, який скидає буйки - вимірювачі рівня моря - і з їх допомогою уточнюють час приходу хвилі з точністю до хвилин.

По іншому складаються обставини поблизу узбережжя Далекого Сходу. Найбільш небезпечний район, де виникають землетруси, віддалений від узбережжя лише на 100…150 км, хвиля цунамі добігає до узбережжя через 20…30 хв після землетрусу, а на шляху її розповсюдження немає жодного пункту, де можливо встановити вимірювачі рівня моря. Система сповіщення про цунамі заснована лише на аналізі сейсмічних даних групи станцій на Курильських островах, півострові Камчатка та острові Сахалін. Крім цього використовуються автоматичні донні вимірювачі рівня, які встановлені на відстані 20…50 км від узбережжя і по кабельних каналах чи радіоканалах передають інформацію про коливання рівня у відкритому морі.

В якості прикладу приведемо опис страшного землетрусу 26 грудня 2004 р., який тривав протягом 500…600 с і спровокував виникнення цунамі, що охопило територію Південно-Східної Азії. Був встановлений рекорд по довжині розриву (1200 км) земної кори, що утворився на межі Індійської та Бірманської тектонічних плит. Такий великий зсув призвів до виділення кількості енергії, порівняної з вибухом бомби потужністю
100 гігатон, а магнітуда землетрусу, по розумінню більшості вчених-геофізиків, досягала 9, 1…9, 3 балів за шкалою Ріхтера. Мережа гідроакустичних станцій, розташованих в Індійському океані, зафіксувала одразу після землетрусу акустичні хвилі низької та високої частоти; останні лежали в межах діапазону, що може чути людина. Низький звук належав сейсмічній хвилі, а високий – це реальний звук матерії дна океану, що розривається. Сейсмічна акустична хвиля розповсюджувалась зі швидкістю близько 10 тис. км·год^-1. Ці звуки чули морські тварини, що дозволило їм якнайшвидше покинути райони лиха. Гіпоцентр першого поштовху був неглибоким і знаходився на глибині близько 30 км, а тому майже миттєве зміщення океанської плити на десятки метрів викликало деформацію дна океану, що і спровокувало виникнення цунамі. Першими хвилі накрили Андаманські та Нікобарські острови, а потім і узбережжя Таїланду. Через дві години хвиля досягла Шрі-Ланки, східного узбережжя Індії, а через 6 год – східного узбережжя Африки. Загальна кількість загиблих склала близько 300 тис. чоловік.

Розрахунок параметрів хвиль цунамі. Явище цунамі - це серія гравітаційних хвиль, які розповсюджуються на великі відстані з незначною втратою енергії. Період хвиль знаходиться у діапазоні від 10 до 45 хв. Коливання звичайно спостерігаються впродовж кількох годин, а іноді й днів.

Через те, що час добігання хвиль цунамі від епіцентру до узбережжя замалий, розрахунок параметрів хвиль цунамі виконується завчасно для різних ділянок узбережжя моря. Для цього складають карти часу розповсюдження цунамі від епіцентру землетрусу до пункту узбережжя з урахуванням рефракції. Для складання карт застосовують методи, які засновані на теорії розповсюдження довгих хвиль у океані з мінливими глибинами. Відстань від епіцентру до пункту прогнозу розбивають на рівні відрізки, для яких глибини приймаються помірними. Розрахунок розповсюдження цунамі через деякий відрізок робиться за формулою:

 

, (9.9)

 

де S – довжина відрізка, на якому глибина приймається незмінною.

На глибокій воді розрахунок проводиться за формулою (9.8) Лагранжа-Ері, на мілководді використовується формула Скотта-Рассела:

(9.10)

 

де h – висота хвилі.

Загальний час пробігу хвилі визначається як сума часу кожного відрізку, для якого проводилось осереднення глибин. Для визначення висоти хвилі цунамі при виході на узбережжя необхідно знати висоту хвиль у епіцентрі землетрусу. Розрахунок виконується за співвідношенням:

 

(9.11)

 

де Н ₀, Н – глибина океану на початку та кінці розрахункового відрізку;

h ₀, – початкова та кінцева висота хвилі;

Т – період хвилі; γ ₁, γ ₂ – коефіцієнти тертя та деформації;

α – кут ухилу дна до лінії горизонту.

Для розрахунку висоти хвиль цунамі у бухтах будь-якої форми використовується емпірична залежність:

 

(9.12)

 

де - відношення висоти хвиль цунамі до висоти хвиль на вході до бухти; в ₀/ в - відношення поперечного перерізу входу в бухту до поперечного перерізу бухти у заданому районі (визначається за батометричними картами).

Визначені завчасно карти розповсюдження хвиль цунамі використовуються для складання попередження при реєстрації землетрусу.

 

Цунамі у Чорному морі. У районі Чорного моря велика сейсмічна активність не спостерігається, однак іноді тут відбуваються сильні землетруси, які можуть супроводжуватись хвилями цунамі. Наприклад, катастрофічний турецький землетрус 1939 року забрав життя більш як
23 тисяч людей. Хоча епіцентр землетрусу знаходився у північно-східній частині Туреччини, епіцентральна область розповсюджувалась і на Чорне море. Внаслідок цього виникли хвилі цунамі, які спостерігались майже на всіх пунктах чорноморського узбережжя Криму та Кавказу, а висота хвилі цунамі у Новоросійську та Севастополі досягла близько півметра.

У районі Кримського півострова сильні землетруси, які супроводжувались хвилями цунамі, спостерігались 11 жовтня 1869 р.,
25 липня 1875 р., 8 січня 1902 р., 31 травня 1908 р., 26 грудня 1919 р.,
26 червня та 12 вересня 1927 р. Карта епіцентрів землетрусів Кримської сейсмічної зони показує, що вони зосереджені головним чином у смузі континентального схилу і глибина осередків складає від 10 до 40 км. Фокуси кримських землетрусів витягнуті в довжину (наприклад, 26.12.1919 р. протяжність фокусу – 40 км), внаслідок чого осередки цунамі також мають продовгувату форму.

Ялтинські землетруси 1927 р. (26 квітня та 12 вересня) є найбільш сильними землетрусами в Криму, котрі супроводжувались хвилями цунамі (табл. 9.13).

 

Таблиця 9.13 – Час добігання хвиль цунамі до узбережжя при землетрусах на Чорному морі 26.06.1927 р., 12.09.1927 р., 12.07.1966 р.

 

Пункт спостереження	Час добігання, хв
26.06.1927	12.09.1927	12.07.1966
Феодосія
Ялта
Євпаторія			-
Батумі	-	-
Геленджик	-	-

 

Основна енергія цунамі 26.06.1927 р. поширювалась у трьох напрямках: а) до південного берега Криму; б) до побережжя між Судаком і Анапою; в) до південно-східної частини побережжя Кавказу і північно-східного побережжя Турції. Лише незначна частина енергії цунамі досягла північно-західного побережжя Чорного моря і берегів Болгарії. Концентрація хвиль, яка викликана рефракцією, мала місце на Південному березі Криму, де можна було очікувати збільшення амплітуди цунамі. Характер поширення енергії при цунамі 26.06.1927 і 12.09.1927 р. був дуже подібний.

Розрахунок енергії чорноморських цунамі може бути виконаний за формулою (Григораш З.К. і Корнєєва Л.А.):

 

loq E _tr = -14, 2 + 0, 9 М,

 

де E _tr – загальна енергія цунамі в осередку з урахуванням рефракції; М – магнітуда землетрусу.

Проте ні одна з хвиль цунамі у Чорному морі не становила серйозну загрозу для життєдіяльності людини. У той же час можна припустити, що сильний землетрус, подібний до турецького 1939 р., тільки з епіцентром у морі, може породити хвилі цунамі висотою декілька метрів та призвести до серйозних руйнувань. Так, 26.12.1939 р. о 23 год 57 хв за гринвіцьким часом в Турції відбувся землетрус, осередок якого знаходився в точці
39, 5° пн.ш., 39, 5 сх.д., епіцентр був між містами Ерзінджан та Ерзерум в 160 км від побережжя Чорного моря і магнітуда основного поштовху складала 7, 9…8, 0. Землетрус викликав цунамі з більшими амплітудами біля південного (турецького) берега, ніж східного, північно-східного
(табл. 9.14).

 

Таблиця 9.14 – Дані самописців рівня води при цунамі 27.12.1939 р.

 

Пункт спостереження	Характер хвилі	Порядковий номер хвилі з максимальною висотою	Час добігання, хв
Батумі	-
Туапсе	+
Новоросійськ	+
Керч	+
Феодосія	+
Ялта	+
Севастополь	+

Примітка. Плюс (+) – підйом, мінус (-) – опускання води.

 

Землетрус 1941 р. супроводжувався затопленням частини суші на південному узбережжі Криму.

Відомості про цунамі біля кавказького побережжя дуже мізерні, хоча в літературі є згадка про цунамі в цьому районі, яка відноситься до 1 століття н. е. Точно відомо тільки про цунамі 4 і 21 жовтня 1905 р. Найбільш сейсмічною зоною західного Кавказу є райони Анапи та Сочі; фокальна глибина тут мала і змінюється від 5 до 20 км. Східна частина Чорного моря також відзначається великою сейсмічністю.

12 липня 1966 р. відбувся землетрус з епіцентром в Чорному морі біля Анапи, який викликав цунамі, що вважається третім із відомих на Чорноморському побережжі Кавказу (після цунамі 4.10. і 21.10.1905 р.). Ізохрони хвиль цього цунамі показані на рис. 9.11, а час добігання хвиль приведений в табл. 9.15.

 

Таблиця 9.15 – Час добігання хвиль цунамі на Чорному морі 12.07.1966 р.

 

Пункт спостереження	Час добігання, хв
спостережене	розраховане
Батумі
Феодосія
Геленджик
Ялта

Рис. 9.11 – Поширення цунамі (хв) 12.07.1966 р. в Чорному морі.

 

Контрольні запитання

1. Що таке «цунамі»?

2. Яка основна причина виникнення цунамі?

3. Як розрахувати швидкість поширення хвиль цунамі?

4. В яких частинах земного шару спостерігаються цунамі?

5. Чи утворюються цунамі на Чорному морі і як часто?

 

Звітні матеріали

В робочому зошиті відповідь на запитання.