Гидрологические опасные природные явления

Помни о землетрясении; почувствовав землетрясение,

помни о цунами; увидев цунами, убегай в сопки.

Надпись (иероглифами), вырезанная в камне

Морские волны

Волны на поверхности воды разнообразны, т.к. разнообразны причины их появления: механические сотрясения, землетрясения, движение корабля, перекаты. От движения Луны вокруг Земли возникают приливные волны длиной до десятков тысяч км. Но основная причина появления волн – ветер. На рис. 9.4 ветровые (штормовых) волны, морская зыбь и волны прибоя (рис. 8.1). Зыбь возникает, когда стихает ветер.

Ветровое волнение затрагивает лишь верхний слой океана, на глубине 50 м волнение уже не ощущается. А приливы и течения, вызванные волной цунами, вовлекают в движение всю водную массу – от дна до поверхности (рис. 8.1). Солитон – одиночная волна, её примером является приливная волна.

	солитон цунами
Рис. 4.1. Виды морских волн

Мы рассмотрели волны на глубине, вдали от берега. Волны на мелководье, вблизи от берега, высокие с белыми гребнями – буруны. Они выше и короче, скорость их уменьшается. К таким волнам относится и цунами – нелинейная волна, основным источником которой является землетрясение.

Физика цунами

Что такое цунами?Слово это японского происхождения и означает большая волна. Япония является страной, наиболее часто подвергавшейся атакам этих чудовищных волн. Там, на берегу, можно встретить старинные каменные столбы с надписями, предупреждающими об опасности цунами.


а	б
Рис. 4.2. Волна цунами (а) волна в виде бора (б)

Учитывая специфический характер поражающих факторов цунами, это стихийное бедствие можно отнести к одному из наиболее неотвратимых природных явлений. Чудовищные объёмы морской воды, накатывающие на берег, в большинстве случаев не могут быть остановлены искусственными защитными сооружениями. Высота наводнения порой превышает 10 м, а в некоторых зонах побережья (в области мелководного шельфа, в устьях рек и др.) волна приобретает форму бора (бурлящего водяного вала, водной стены). Двигаясь с огромной скоростью в глубь берега, этот вал воды аккумулирует колоссальную динамическую энергию, уничтожая на своём пути суда и строения (рис. 4.2).

Возникают такие волны в большинстве случаев в результате сильного подводного землетрясения. Однако известны случаи, когда цунами возникало в случае взрывов подводных вулканов, падений скал в воду, подводных оползней и др.

На рис. 4.3 показаны различные механизмы возбуждения волн цунами: сейсмический, вулканический, оползневый, метеорологический. Что же объединяет все эти механизмы? Общим является эффект быстрого вытеснения значительных объёмов воды: в результате сейсмо-тектонического разлома дна, вулканического взрыва на дне океана, внедрения в воду огромных масс оползня, движущегося по наклонному дну, или резкого изменения атмосферного давления (водная поверхность испытывает внезапное воздействие атмосферы, например, во время грозового фронта).

Рис. 4.3. Механизмы возбуждения волн цунами: сейсмический, вулканический, оползневый, метеорологический

Волны цунами относятся к так называемым длинным волнам – расстояние от гребня к гребню (длина волны) значительно превосходит глубину океана. Длина волн цунами составляет десятки и сотни км. С точки зрения гидродинамики волны цунами близки по своей природе к приливам. Цунами и приливы отличаются от обычных ветровых (штормовых) волн и морской зыби и волн прибоя (рис. 4.1).

Образование и распространение волны цунамипроисходит в четыре этапа. Первый этап – зарождение волны – происходит от сотрясения дна моря за счёт землетрясений вулканов, оползней, падения метеорита (рис. 4.3). Второй этап – движение волны. Третий этап – взаимодействие волны с прибрежной зоной. Четвёртый этап – обрушивание гребня волны на на береговую полосу (рис. 4.4)

В открытом море волна цунами незаметна. Её высота не превышает 1 – 3 м. Если такая волна пронесётся под кораблём, то он всего лишь плавно приподнимется и опустится, несмотря на то, что скорость её составляет

Рис. 4.4. Возбуждение волн цунами

700 – 1000 км/ч. Это скорость современного реактивного самолёта.

По мере приближения к берегу, глубина океана уменьшается, и волна замедляется. Кинетическая энергия частиц жидкости, распределённая по вертикали, сосредотачивается во всё меньшем столбе жидкости. Именно поэтому высота волны возрастает при приближении к берегу. Высота волны цунами в открытом океане обычно невелика – не более 1 м (рис. 4.5). Однако, приближаясь к берегу, гребень волны становится выше и круче, и, наконец, на мелководье происходит его обрушение и образуется бор. С уменьшением глубины уменьшается скорость до 100 – 200 км ч и длина волны Высота волны возрастает до десятков метров (рис. 4.5).

Опасность волны цунами состоитв том, что она подходит единым водяным валом протяжённостью в десятки км, в результате на берег обрушиваются огромные массы воды с большой энергией. Эта монолитность волны цунами в сё сочетании с огромной высотой, длиной, скоростью движения делает её ударкатастрофическим для всего, что находится на берегу.

а б в

Рис. 4.5. Схема образования и распространения волны цунами

Для волн цунами моря и океаны являются мелкой водой.Скорость распространения волны цунамиможноопределить по формуле:

, где H – глубина океана, g – ускорение свободного падения.

В глубоком океане на глубине H = 4000 м скорость распространения волны огромна: или 720 км/ч. Такова примерно скорость реактивного самолёта!

Если жидкость бесконечно глубокая и длина волны λ много больше глубины λ >> H, то скорости распространения волны можно представить как

Для неглубокой жидкости, когда λ ~ H, формула имеет более сложный вид и размерным анализом не обойтись. Когда волна выходит на мелководье H = 10 м, то скорость снижается до скорости автомобиля

или 36 км/ч, но при этом высота гребня волны может достигать 10 и более метров, т.к. глубина уменьшается и воде некуда деваться.

В таблице 4.1 приведены скорость и длина волны цунами на разной глубине.

Таблица 4.1. Скорость и длина волны цунами на разной глубине

Глубина, м	Скорость, км/c	Длина волны, м
7000	942,9	282
4000	712,7	213
2000	504,2	161
200	159,0	47,7
50	79,0	23,0
10	36,6	10,6

На рис. 4.6 приведены значения глубины воды и соответствующие им скорости и длины волны.

Рис. 4.6. Схема распространения волны цунами

Рис. 4.7. Карта времен добегания Чилийского цунами 27 февраля 2010 г.

Служба оповещения о волнах цунами, получив сведения о сильном подводном землетрясении (положение эпицентра), рассчитывает время подхода волны к берегу по формуле , где x и y – координаты точки на карте глубин.

Также можно рассчитать время добегания волны цунами до разных точек побережья. На основе таких расчётов принимается решение: необходимо ли эвакуировать население немедленно или есть время, чтобы подготовиться к нему. На рис. 4.7 приведена карта времен добегания Чилийского цунами 27 февраля 2010 г.

Оценка энергии цунами.Можнооценить энергию, которую несут волны цунами. Во время землетрясения над очагом формируется начальное смещение поверхности океана. Мы можем считать, что вся энергия цунами в этот момент представлена в виде потенциальной энергии поднятия столба жидкости над очагом. Обозначим среднюю высоту смещения поверхности океана через a. Тогда потенциальнаяэнергия выразится формулой , где ρ– плотность воды, S – площадь очага. Возьмём размеры источника 1000 км, что типично для мощных землетрясений. Для источника со средней высотой смещения поверхности a = 0,5 м энергия получается примерно 10¹⁴ Дж, что равняется энергии бомбы, взорванной в Хиросиме. Однако, согласно расчётам канадского учёного Т. Мурти, энергия цунами 26 декабря 2004 г. оказалась в 390 раз больше! Это означает, что средняя высота начального возмущения уровня составила около 10 м.

Затухание, отражение, преломление и рассеяние волн цунами.Как и все виды волн (звук, свет, радиоволны), цунами испытывает затухание, отражение, преломление и рассеяние.

Затухание волн.В открытом океане с ровным дном энергия волны затухает как 1/r, где r – расстояние от источника. Соответственно амплитуда (высота) волны уменьшается как . Такое затухание иногда называют геометрическим расхождением. Кроме эффекта геометрического расхождения волна испытывает затухание за счёт рассеяния на неоднородностях рельефа дна.

Рис. 4.8. Обрушение волны цунами при выходе на мелководье

Отражение. Отражение волны от крутого берега приводит к удвоению её амплитуды на берегу. Если амплитуда набегающей волны 5 м, то при отражении на линии берега высота составит 10 м. Коэффициент отражения от берега-стенки близок к 1.

Однако, если берег покатый, при выходе волны на мелководье происходит обрушение гребня. Оказывается, когда высота волны сравнима с глубиной воды H, разница между скоростями движения «подошвы» волны и её гребня становится существенной. Вершина волны, скорость движения которой равна , догоняет подошву, движущуюся со скоростью , что и вызывает обрушение (рис. 4.8). Естественно, после этого коэффициент отражения становится существенно меньше единицы. Волновая энергия в этом случае расходуется на трение в бурлящем потоке.

В качестве примера приведена схема образования цунами о. Хонсю (Япония) (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Цунами на о. Хонсю.

Цунамиопасные зоны.Наиболее часто цунами возникают в зонах высокой сейсмичности. К ним, прежде всего, относятся так называемые зоны субдукции или, иными словами, зоны сочленения океанической и материковой тектонических плит. На карте (рис. 4.10) хорошо видно, что сильнейшие землетрясения и цунами возникали в ХХ в. по периметру океанов в окрестности континентального склона в океан.

Рис. 4.10. Цунамиопасные зоны

Основные зоны субдукции расположены по периметру Тихого и Атлантического океанов. Наиболее тектонически активные участки прилегают к побережьям Японии, Чили, Курильских островов, Камчатки, Алеутских островов, Аляски и Индонезии. Здесь скорость движения океанической плиты достигает 6–8 см/год. Как следствие время от времени здесь происходят мощные подводные землетрясения и цунами.

Самое страшное цунами в нашей стране обрушилось на побережье Курильских островов и Камчатки 4 ноября 1952 г. в результате подводного землетрясения. Тогда был полностью смыт п. Северокурильск и погибли около 3000 человек. Последнее цунами произошло у берегов о. Шикотан 2 октября 1994 г. Никто не погиб, но на о. Кунашир были затоплены и смыты дома в низине, несколько рыбацких судов выбросило на берег.

Как спастись от цунами?Максимальную амплитуду цунами имеет непосредственно вблизи сейсмического источника. Поэтому здесь первым признаком цунами является само землетрясение. Жителям Курильских островов и Камчатки хорошо известно, что после подземных толчков необходимо быстро уходить из прибрежной зоны.

Иногда перед приходом волны море быстро отступает от берега, обнажая дно на сотни метров. Многие свидетели отмечают наступление «тишины» перед приходом основной волны. Этот необычный отлив является признаком приближающейся волны цунами. А наступление «тишины» обусловлено тем, что быстрое отливное течение «уносит» от берега ветровые волны – шум прибоя затихает. Появление на горизонте пенящегося вала означает приближение цунами. Необходимо немедленно уходить на возвышение! Многие люди спаслись, забравшись на крепкие деревья, укрывшись на крыше крепкого здания. Известно, что многие животные и люди из кочевых племён как-то почувствовали катастрофу и ушли в горы.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 981; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!