Наука, стоящая за цунами, вызванным землетрясением

Землетрясения являются основным триггером цунами в прибрежных районах по всему миру. Когда сейсмическая активность происходит под дном океана, высвобождаемая энергия может вытеснять огромные объемы воды, приводя в движение цепь событий, которые приводят к образованию этих мощных волн. Понимание механики того, как землетрясения генерируют цунами, имеет решающее значение для прибрежных сообществ, агентств по готовности к стихийным бедствиям и всех, кто живет или посещает сейсмически активные прибрежные районы. Эти знания непосредственно информируют об оценке риска, системах раннего предупреждения и проектировании инфраструктуры, которая может противостоять этим природным силам.

Связь между землетрясениями и цунами не проста. Не каждое подводное землетрясение вызывает цунами. Специфические характеристики землетрясения — его величина, глубина и, самое главное, тип движения разлома — определяют, будет ли формироваться цунами. Цунами чаще всего связаны с землетрясениями в зоне субдукции, где одна тектоническая плита вынуждена находиться под другой. Эти события обычно генерируют вертикальное смещение морского дна, необходимое для нарушения надлежащей водной колонны.

Как землетрясения вызывают цунами

Большинство цунами вызваны подводными землетрясениями, которые включают значительное вертикальное движение морского дна. Это вертикальное смещение является критическим фактором. Когда разлом разрывается под океаном, одна сторона разлома движется вверх, а другая сторона движется вниз. Это резкое движение смещает весь столб воды над разломом, с морского дна на поверхность. Смещенная вода затем движется наружу во всех направлениях, создавая серию волн, которые движутся через океан со скоростью, которая может превышать 500 миль в час в глубокой воде.

Размер землетрясения и количество движения морского дна непосредственно влияют на силу и разрушительный потенциал возникшего цунами. Землетрясения с магнитудой 7,0 или больше на момент шкалы магнитуд обычно требуются для создания значительного цунами, хотя меньшие события могут иногда производить локализованные волны в правильных условиях. Площадь морского дна, которая движется, расстояние, которое она перемещает, и скорость движения - все это способствует начальному размеру волны и энергии.

Не все типы землетрясений одинаково способны генерировать цунами. Землетрясения с скользящим ударом, когда тектонические плиты скользят горизонтально друг мимо друга, производят минимальное вертикальное смещение и редко генерируют цунами. Напротив, разломы тяги и нормальные разломы, которые включают вертикальное движение, являются основными виновниками. Зоны субдукции, где океаническая плита скользит под континентальной плитой, особенно опасны, потому что они могут производить массивные землетрясения тяги с огромным вертикальным смещением морского дна на обширных территориях.

Землетрясения мегатрусов и их потенциал цунами

Землетрясения мегатруса происходят в зонах субдукции и представляют собой самые мощные сейсмические события на Земле. Эти землетрясения, которые могут достигать величин 9,0 или выше, разрываются вдоль сотен миль границы плит. Землетрясение в Индийском океане 2004 года (магнитуда 9,1) и землетрясение в Тохоку 2011 года (магнитуда 9,0) являются разрушительными примерами. Оба породили катастрофические цунами. Огромная площадь водоизмещения морского дна, связанная с этими событиями, вытесняет огромный объем воды, создавая цунами, которые могут пересекать целые океанские бассейны и вызывать разрушения в тысячах миль от эпицентра.

Что делает мегатравматические землетрясения особенно опасными для генерации цунами, так это сочетание величины и типа движения разлома. В зоне субдукции перекрывающая плита на века запирается против субдукционной плиты, создавая огромный стресс. Когда этот стресс наконец высвобождается, перекрывающая плита поднимается вверх и к морю, вытесняя массивный столб морской воды. Вертикальная составляющая этого движения является тем, что стимулирует формирование цунами, а горизонтальная составляющая также может способствовать генерации волн, особенно в направлении распространения волн.

Полный процесс формирования цунами

Образование цунами от подводного землетрясения следует за определённой последовательностью событий. Понимание каждой стадии этого процесса помогает учёным прогнозировать поведение цунами и даёт прибрежным сообществам информацию, необходимую для эффективного реагирования. Процесс включает в себя передачу энергии от земной коры к океану, распространение волн на огромные расстояния и, в конечном счёте, преобразование волн при взаимодействии с прибрежной батиметрией.

Стадия 1: Перемещение морского дна

Когда землетрясение происходит под океаном, высвобождаемая энергия заставляет морское дно резко двигаться. При сильном землетрясении это движение толкает морское дно вверх в одних областях и вниз в других. Вертикальное смещение морского дна является первоначальным возмущением, которое передает энергию от твердой Земли к надводной водной колонне. Площадь морского дна, которая движется, известная как область разрыва, может быть огромной — сотни миль в длину и десятки миль в ширину для крупнейших землетрясений.

Количество вертикального смещения также критическое. В крупных землетрясениях зоны субдукции морское дно может двигаться вверх на 10 метров и более. Это движение происходит в течение секунд до минут, передавая импульс к воде выше. Колонна воды, которая может находиться на глубине нескольких миль в открытом океане, движется как единица от морского дна к поверхности. Именно поэтому корабли в глубокой воде часто не ощущают прохождение волны цунами — энергия волны распределяется по всему столбу воды, создавая волну, которая едва заметна на поверхности, но несет огромную энергию.

Этап 2: Поколение начальной волны

Движение морского дна толкает воду вверх или вниз, порождая волну, которая распространяется наружу от возмущения во всех направлениях. В отличие от ветровых волн, которые воздействуют только на поверхностный слой океана, волны цунами вовлекают всю водную колонну от морского дна до поверхности. Это дает цунами их огромную энергию и их способность преодолевать большие расстояния с минимальной потерей энергии.

Начальная волна имеет очень длинную длину волны — часто в сотнях миль от одного гребня волны до следующего — и относительно небольшую амплитуду в глубокой воде, как правило, всего в нескольких футах. Эта комбинация длинной длины волны и небольшой амплитуды означает, что волны цунами едва заметны в открытом океане, даже когда они несут огромную энергию. Волна цунами в глубокой воде может проходить под кораблем без чьего-либо внимания на борту, в то время как та же волна, достигнув мелководных прибрежных вод, может вырасти до высоты 30 футов или более.

Стадия 3: распространение волн через океан

После генерации волны цунами распространяются наружу во всех направлениях от источника землетрясения. Скорость, с которой они перемещаются, зависит от глубины воды. В глубоком океане, где глубина воды может превышать 3 мили, волны цунами могут перемещаться со скоростью, превышающей 500 миль в час — примерно со скоростью реактивного самолета. Эта скорость уменьшается по мере того, как волны входят в более мелкую воду, но энергия сохраняется, в результате чего высота волны резко увеличивается.

Связь между скоростью волны и глубиной воды дана уравнением волн мелководья, которое гласит, что скорость волны равна квадратному корню продукта гравитационного ускорения и глубины воды. Эта математическая зависимость означает, что волны цунами в глубоководных путях движутся намного быстрее, чем в мелководных. Цунами, генерируемое у берегов Японии, например, может пересечь всю Тихую океан и достичь западного побережья Северной Америки менее чем за 24 часа. Это время путешествия обеспечивает окно для систем предупреждения для оповещения прибрежных популяций, при условии, что землетрясение будет обнаружено быстро и цунами подтвердится.

Цунами-волны могут перемещаться по целым океанским бассейнам с относительно небольшой потерей энергии. На них влияет форма дна океана, встречая подводные хребты, подводные горы и континентальные шельфы, которые могут преломлять, отражать и фокусировать энергию волны. Эти взаимодействия могут создавать сложные волновые модели, при этом некоторые прибрежные районы испытывают гораздо большие волны, чем другие, из-за фокусирующих эффектов подводной топографии. Именно поэтому два прибрежных сообщества, расположенные относительно близко друг к другу, могут испытывать очень разные воздействия цунами от одного и того же землетрясения.

Стадия 4: Усиление волн вблизи береговых линий

По мере приближения волн цунами к более мелким прибрежным районам их скорость резко снижается. Однако энергия внутри волны сохраняется. Это сохранение энергии заставляет высоту волны увеличиваться — процесс, известный как оттаивание. Та же волна, которая была всего в нескольких футах в глубокой воде, может вырасти до 30, 50 или даже 100 футов в высоту, когда она приближается к берегу. Точная высота зависит от энергии начальной волны, формы морского дна и прибрежной топографии.

Усиление волн цунами вблизи береговых линий неоднородно. Некоторые районы испытывают гораздо большие волны из-за фокусирующего воздействия подводных каньонов, рифов и формы береговой линии. Заливы и заливы могут перенаправлять энергию волны в ограниченную область, увеличивая высоту волны далее. Вот почему некоторые прибрежные сообщества могут быть опустошены цунами, в то время как близлежащие районы испытывают только незначительные наводнения. Понимание этих местных эффектов имеет важное значение для точного картирования опасности цунами и планирования эвакуации.

Период волн цунами — время между последовательными гребнями волн — также играет критическую роль в прибрежных столкновениях. Волны цунами обычно имеют периоды от 10 до 60 минут, а это означает, что за первой волной следуют дополнительные волны, прибывающие с регулярными интервалами в течение нескольких часов. Первая волна не всегда самая большая. Во многих цунами вторая или третья волна является самой разрушительной, потому что она прибывает на вершину уже затопленной береговой линии, толкая воду дальше внутрь страны. Эта характеристика волновых поездов цунами делает опасным для людей возвращение в прибрежные районы после того, как первая волна отступает.

Влияние на прибрежные регионы

Цунами может нанести значительный ущерб прибрежным общинам, и последствия этого могут выходить далеко за рамки непосредственного физического разрушения, вызванного волнами. Социальные, экономические и экологические последствия крупного цунами могут сохраняться в течение многих лет или даже десятилетий. Понимание этих последствий имеет важное значение для разработки эффективных стратегий готовности к стихийным бедствиям и реагирования на них, а также для разработки устойчивой прибрежной инфраструктуры.

Физическое разрушение

Физическая сила волны цунами огромна. Кубометр морской воды весит примерно одну метрическую тонну, а волна цунами, движущаяся с высокой скоростью, несет огромную кинетическую энергию. Когда эта масса воды поражает прибрежные сооружения, сила сравнима с попаданием в них грузового поезда. Здания, мосты, дороги и другая инфраструктура могут быть разрушены или серьезно повреждены. Вода также несет обломки — транспортные средства, строительные материалы, деревья и другие объекты — которые действуют как снаряды, нанося дополнительный ущерб и создавая серьезную угрозу для жизни человека.

Наводнение, связанное с цунами, может распространяться далеко вглубь страны, в зависимости от высоты волны и береговой топографии. В плоских прибрежных равнинах волны цунами могут проходить несколько миль вглубь, затопляя обширные территории и погружая все на своем пути. Цунами Индийского океана 2004 года, например, затопленные прибрежные районы до 3 миль вглубь в некоторых местах. Наводнение также может загрязнять запасы пресной воды соленой водой, сточными водами и другими загрязнителями, создавая риски для общественного здравоохранения, которые сохраняются долго после того, как паводковые воды отступили.

Потеря жизни и социальные потрясения

Самым трагическим воздействием цунами является гибель людей. Цунами в Индийском океане в 2004 году стало причиной примерно 230 000 смертей в 14 странах, что делает его одним из самых смертоносных стихийных бедствий в истории человечества. Многие из этих смертей можно было бы предотвратить с помощью более совершенных систем предупреждения и инфраструктуры эвакуации. Цунами Тохоку в Японии в 2011 году, несмотря на передовые системы предупреждения и обширную береговую оборону страны, привело к почти 20 000 смертей, что подчеркивает ограничения даже самых хорошо подготовленных общин перед лицом крупного цунами.

Помимо непосредственной гибели людей, цунами вызывают глубокие социальные потрясения. Выжившие могут лишиться своих домов, средств к существованию и инфраструктуры своего сообщества. Перемещение населения, потеря школ и больниц и психологическая травма, связанная с таким событием, создают долгосрочные проблемы для восстановления. Восстановление общин после крупного цунами требует не только реконструкции физической инфраструктуры, но и удовлетворения социальных и эмоциональных потребностей выживших.

Экономические последствия

Экономические последствия крупного цунами могут быть разрушительными, особенно для прибрежных общин, которые зависят от туризма, рыболовства и портовой деятельности. Разрушение инфраструктуры, включая порты, дороги и коммунальные услуги, нарушает экономическую деятельность и может занять годы для ремонта. Цунами Тохоку 2011 года нанесло экономический ущерб в размере 235 миллиардов долларов, что делает его самым дорогостоящим стихийным бедствием в истории. Это включает в себя ущерб зданиям, инфраструктуре, сельскохозяйственным угодьям и стоимости усилий по реагированию на бедствия и восстановлению.

Косвенные экономические последствия цунами могут быть даже больше, чем прямой ущерб. Нарушения глобальных цепочек поставок, потеря доверия бизнеса и долгосрочный спад затронутых отраслей могут создать экономические колебания, которые выходят далеко за пределы пострадавшего региона. Ядерная катастрофа на Фукусиме, вызванная цунами в Тохоку в 2011 году, вызвала широкое загрязнение и вынудила эвакуацию крупных районов, с экономическими и экологическими последствиями, которые продолжаются и по сей день.

Воздействие на окружающую среду

Цунами также оказывают значительное воздействие на окружающую среду. Волны могут разрушать прибрежные экосистемы, включая мангровые леса, коралловые рифы и маточные пласты, которые обеспечивают важную среду обитания для морской жизни и защищают береговые линии от эрозии. Наводненные воды могут откладывать соль и осадочные породы на сельскохозяйственных землях, что делает их непригодными для сельского хозяйства в течение многих лет. Обломки и загрязнение, переносимые волнами цунами, могут загрязнять почву и воду, создавая экологические опасности, которые требуют обширных усилий по очистке.

Однако цунами — это также природные явления, которые формировали прибрежные экосистемы на протяжении миллионов лет. Некоторые экосистемы приспособлены к периодическим возмущениям от цунами и могут восстанавливаться с течением времени. Мангровые леса, например, могут восстанавливаться из сохранившихся корневых систем, а коралловые рифы могут постепенно восстанавливаться, если базовая структура рифа не повреждена. Долгосрочное воздействие цунами на окружающую среду зависит от тяжести волны, устойчивости пострадавших экосистем и степени вмешательства человека в процесс восстановления.

Ключевые факторы в поколении цунами

  • Магнитуда подземных землетрясений — Землетрясения с магнитудой 7,0 или более обычно требуются для создания значительного цунами, хотя связь между величиной и размером цунами не является линейной.
  • Вертикальное смещение морского дна — величина вертикального перемещения морского дна непосредственно определяет начальный размер волны. Разломы толчков и нормальные разломы наиболее эффективны при генерации цунами.
  • Площадь разрыва и геометрия — Размер и форма области морского дна, которая движется, влияют на длину волны и распределение энергии образовавшегося цунами.
  • Глубина воды в источнике землетрясения — Глубокая вода позволяет более эффективно передавать энергию с морского дна в колонну воды.
  • Глубина землетрясения — Мелкие землетрясения (глубина менее 50 км) с большей вероятностью вызывают цунами, поскольку они вызывают большее водоизмещение морского дна.
  • Распространение волн через океан — волны цунами движутся со скоростью до 500 миль в час в глубокой воде, что позволяет им пересекать океанские бассейны в течение нескольких часов.
  • Усиление волн вблизи береговых линий — Шолинг и береговая топография могут резко увеличить высоту волн по мере приближения к берегу.
  • Потенциальные наводнения и разрушения — Степень внутреннего наводнения и тяжесть ущерба зависят от высоты волны, прибрежной топографии и качества прибрежной инфраструктуры.

Системы предупреждения цунами и смягчения последствий

Системы раннего предупреждения и планы эвакуации необходимы для минимизации воздействия цунами. Наиболее эффективные системы предупреждения сочетают сейсмический мониторинг, сети океанских буев и быструю связь для предупреждения прибрежных популяций. Тихоокеанский центр предупреждения о цунами, управляемый Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), отслеживает сейсмическую активность и данные об уровне моря через Тихий океан, выдавая предупреждения при обнаружении угрозы цунами. Аналогичные системы существуют для Индийского океана, Атлантического океана и Средиземного моря.

Сейсмические сети мониторинга обнаруживают землетрясения в считанные секунды и оценивают их местоположение, величину и фокусный механизм. Эта информация используется для оценки вероятности возникновения цунами. Однако не все землетрясения, которые могут генерировать цунами, обнаруживаются достаточно быстро, чтобы обеспечить предупреждение для близлежащих прибрежных сообществ. Для местных цунами первые волны могут прибыть в течение нескольких минут после землетрясения, оставляя очень мало времени для официальных предупреждений, которые будут выданы. В этих случаях признание естественных предупреждающих признаков приближающегося цунами — сильного землетрясения, быстрого подъема или падения океана вдоль побережья или громкого рева из океана — имеет решающее значение для выживания.

Глубоководные буи обнаружения цунами, такие как буи в сети DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis), измеряют изменения давления воды, которые указывают на прохождение волны цунами. Эти буи предоставляют данные в реальном времени, которые помогают подтвердить существование цунами и оценить его размер. Эта информация используется для уточнения предупреждающих сообщений и отмены предупреждений, когда не обнаружено значительного цунами. Сеть DART, поддерживаемая NOAA, включает более 50 буев, развернутых через Тихий и Атлантический океаны.

Прибрежные общины в районах, подверженных цунами, приняли ряд мер по смягчению последствий, включая морские стены, маршруты эвакуации цунами, программы государственного образования и планирование землепользования, чтобы ограничить развитие в наиболее опасных районах. Япония, например, построила обширные морские стены во многих прибрежных районах, хотя цунами в Тохоку в 2011 году продемонстрировало, что эти меры защиты могут быть перегружены крупнейшими событиями. Наиболее эффективной стратегией смягчения последствий является сочетание структурных мер и неструктурных мер, включая государственное образование, регулярные учения и готовность к стихийным бедствиям на уровне общин.

Естественные предупреждающие знаки

Для тех, кто живет в прибрежных районах или посещает их, важно распознавать естественные предупреждающие знаки. Сильное землетрясение, которое длится 20 секунд или более, особенно если оно затрудняет выживание, является четким показателем того, что цунами может приближаться. Быстрый и необычный подъем или падение уровня океана вдоль побережья, известный как снижение уровня цунами, также может предшествовать приходу волны цунами. Это явление происходит потому, что корыто волны цунами прибывает перед гребнем, оттягивая воду от берега. Громкий рев воды из океана, похожий на шум реактивного двигателя или поезда, также может сигнализировать о приближающемся цунами.

Любой из этих естественных предупреждающих знаков должен вызвать немедленный ответ: как можно быстрее переместиться на более высокую землю или внутрь страны. Не ждите официального предупреждения. Первая волна может прибыть в течение нескольких минут после землетрясения, не оставляя времени для формальных предупреждений. В цунами в Индийском океане в 2004 году многие жизни были потеряны, потому что люди не распознали предупреждающие знаки или не поняли необходимости немедленно эвакуироваться. Общественные образовательные кампании, которые учат людей распознавать эти знаки и реагировать соответствующим образом, являются важным компонентом готовности к цунами.

Исторические события цунами и извлеченные уроки

Несколько крупных событий цунами в новейшей истории сформировали наше понимание цунами, вызванных землетрясениями, и привели к улучшению систем предупреждения и готовности. Цунами в Индийском океане 2004 года стало поворотным моментом, демонстрируя разрушительный потенциал мегатравматического землетрясения и необходимость скоординированной международной системы предупреждения. До 2004 года в Индийском океане не было региональной системы предупреждения о цунами. Сегодня система предупреждения и смягчения цунами в Индийском океане обеспечивает охват всего региона, хотя проблемы остаются в обеспечении того, чтобы предупреждения достигали всех прибрежных общин достаточно быстро.

Землетрясение и цунами в Японии в 2011 году дали важные уроки об ограниченности береговой обороны и важности подготовки к наихудшим сценариям. Несмотря на обширные морские стены Японии и передовые системы предупреждения, цунами переполнило многие оборонительные сооружения и нанесло катастрофический ущерб. Катастрофа также спровоцировала ядерную аварию на Фукусиме, подчеркнув каскадные риски, которые могут возникнуть, когда стихийное бедствие затрагивает критическую инфраструктуру. Уроки этого события привели к улучшению оценки опасности цунами, строительных норм и планирования чрезвычайных ситуаций в Японии и во всем мире.

Землетрясение 1960 года в Вальдивии в Чили, крупнейшее землетрясение, когда-либо зарегистрированное на магнитуде 9,5, вызвало цунами, которое пересекло Тихий океан и вызвало ущерб и гибель людей на таких далеких Гавайях, Японии и Филиппинах.Это событие продемонстрировало способность цунами перемещаться по целым океанским бассейнам и необходимость международного сотрудничества в предупреждении о цунами. Тихоокеанская система предупреждения о цунами была создана в ответ на это и другие события, обеспечив модель для региональных систем предупреждения по всему миру.

Заключение

Землетрясения, которые происходят под дном океана, особенно те, которые связаны со значительным вертикальным смещением морского дна, являются основной причиной цунами. Процесс от землетрясения до воздействия на побережье включает сложную физику, которая регулирует генерацию волн, распространение через океан и усиление вблизи береговых линий. Понимание этих механизмов имеет важное значение для эффективной оценки риска и разработки стратегий смягчения последствий, которые защищают прибрежные сообщества.

Хотя невозможно предотвратить землетрясения или цунами, которые они вызывают, подготовка и образование могут спасти жизни. Признание естественных предупреждающих знаков, понимание путей эвакуации и знание того, как реагировать, когда объявляется угроза цунами, являются критическими навыками для любого, кто живет или посещает прибрежные районы. Ресурсы от таких организаций, как Национальный центр предупреждения о цунами , Национальная программа предупреждения о цунами , Национальная программа по борьбе с цунами и Международный информационный центр по цунами предоставляют ценную информацию для отдельных лиц, общин и руководителей чрезвычайных ситуаций. Объединяя научное понимание с практической готовностью, мы можем снизить риски, связанные с цунами, вызванными землетрясением, и построить более устойчивые прибрежные сообщества.