Природні катаклізми, на тлі яких розвивається наша цивілізація, неминучі. Вельми популярний сьогодні термін «природні катастрофи» відображає наше недостатнє розуміння того, як виникають високоенергетичні природні процеси. Коли ми навчимося розуміти їх фізику і прогнозувати їх наближення, вони перестануть вважатися катастрофічними явищами. Однак процес навчання поки ще далекий від завершення.
«При повному незнанні землі своєї утвердилася у всіх горда впевненість, ніби знають її» - такими словами Н. В. Гоголь охарактеризував в листі від 20 жовтня 1849 року своє розуміння ситуації, яка з тих пір змінилася досить слабо.
явище цунамі
Землетруси, відповідно до сучасних поглядів, виникають в результаті руйнування локалізованого об'єму середовища, в якому відбулося накопичення напружень до деякого критичного рівня. Скидання накопиченого напруги призводить до утворення сейсмічних розривів і множинних мікроруйнування в середовищі. Сучасні дослідники пов'язують накопичення напружень в породах як з внутрішніми (ендогенними) явищами, так і з зовнішніми (екзогенними) періодичними процесами, наприклад з приливними впливами Сонця і Місяця на Землю. Перешкодити розвитку подібних процесів людство поки явно не здатне.
Інший природний катаклізм, цунамі, - це серія хвиль, що виникають в океані або іншому великому водоймі як відгук водного шару на сильне підводне землетрус або на потужне обурення поверхні води від іншого джерела - наприклад удару метеорита, підводного вибуху, вулканічного виверження, зсув.
Хвилі цунамі утворюються в джерелі (або осередку), який зазвичай має протяжну форму - його довжина становить від 100 до 400 км. Від джерела хвилі цунамі поширюються в водоймі як довга гравітаційна хвиля * малої амплітуди.
Карта північно-східній частині Індійського океану з ізохронними (від грецького isos - рівний і chronos - час), що показують положення фронту цунамі 24 грудня 2004 року. Зірочкою позначено місце землетрусу з магнітудою 9.0. Рожеві гуртки - афтершоки.
Висота такої хвилі в відкритому океані практично не перевищує 1 м, і тому ці хвилі залишаються непоміченими для екіпажу корабля. Але на відміну від вітрових хвиль (поверхневих хвиль на воді, викликаних вітром), захоплюючих тільки поверхневий водний шар, хвилі цунамі втягують в рух всю товщу води від дна до поверхні. Швидкість поширення таких хвиль визначається глибиною океану і становить в середньому (при глибині 4 км) приблизно 720 км / ч. Коли цунамі наближається до берега і виходить на мілководді, швидкість хвилі різко зменшується, донна частина потоку гальмується через тертя об дно, крутизна хвилі швидко збільшується і на берег спрямовується потік зі швидкістю близько 70 км / ч, обрушився на берегову лінію довжиною в десятки кілометрів. Уявіть собі тисячу швидких поїздів, що вилетіли одночасно з океану і вдарили відразу по всій лінії берега. Висота накату хвилі здатна подолати позначку 30 м, а дальність запліску нерідко перевищує 2-3 км.
Цунамі - одне з небагатьох стихійних природних явищ. Для його попередження в СРСР була створена спеціальна служба, яка існує понад 50 років і базується на оперативній сейсмічної інформації (магнітуду землетрусу, координатах епіцентру і його глибині), а також на експертних оцінках океанологів. В даний час на узбережжі Далекого Сходу Росії розгортається мережа телеметричних реєстраторів цунамі, що передають інформацію про хвильовий режимі в цунамінебезпечних районах, що має підвищити надійність роботи цієї служби.
Тридцять років тому
Радянська школа дослідників цунамі, організатором і визнаним лідером якої був академік Сергій Леонідович Соловйов (1930-1994), міцно займала передові позиції в світовому науковому співтоваристві протягом усієї другої половини XX століття. Проблема цунамі приваблювала таких відомих вчених, як математики М. А. Лаврентьєв і Ю. І. Шокін, геофізик А. С. Алексєєв, математик-механік Н. В. Зволинский, океанолог С. С. Лаппо, фізик Л. Н. Рикунов . Лабораторії академічних інститутів і наукові групи, які займалися вивченням цунамі, активно працювали в Москві, Ленінграді, Мінську, Обнінську, Києві, Севастополі, Горькому, Новосибірську, Красноярську, Южно-Сахалінськ, Владивостоці, ПетропавловскеКамчатском.
У ті далекі романтичні роки багато сильних випускники престижних вузів і столичних університетів їхали працювати на Далекий Схід, тому що це було цікаво, модно, відважно і викликало повагу. Відомі рядки Юрія Кукіна «А я їду, а я їду за туманом, за туманом і за запахом тайги» зманили на Схід чимало талановитих і сміливих людей. Вивчення землетрусу і цунамі обіцяли дослідникам зустрічі з таємницями природи, дивовижними відкриттями, а може, і удачу роздобути свою «наукову» жар-птицю.
Інтерес до цунамі підігрівався також і творчою активністю наших заокеанських колег, які тоді старанно розробляли методи створення штучних цунамі для ураження берегів потенційного супротивника. Та й радянська команда теж не обходила стороною подібні завдання. Сахалінські вчені під керівництвом Сергія Сергійовича Лаппо разом з дослідниками з Ленінграда під керівництвом Юрія Сергійовича Яковлева вирішували прикладну проблему генерації штучного цунамі. Виключно, звичайно, для наукових цілей. Пробившись через нетрі теоретичних і чисельних рішень (а також фінансових рогаток), вони вийшли на великомасштабний експеримент. Його ключовою ідеєю було створення ізохрони - теоретичної кривої, в точках якої одночасно виникають хвильові обурення, що породжують в процесі поширення хвилю типу цунамі.
Випробувальні басейни, лабораторні гідростенд, модельні водойми і навіть експедиційні напівнатурні дослідження в Примор'ї поставляли радянським ученим найцінніший експериментальний матеріал, який сприяв побудові фізичних моделей і організації обчислювальних експериментів. Оригінальні вибухові експерименти і генерація модельних цунамі в випробувальному водоймі «Новіково» на Сахаліні і на полігоні «Мячково» в підмосковних Люберцях привертали увагу наукової спільноти.
Дослідники в різних інститутах самозабутньо шукали експериментальні підтвердження ефектів, передбачених теорією точкового вибуху, розвиненою фізиком Леонідом Івановичем Седовим. Здавалося, ще одна серія експериментів - і буде виявлена саме та унікальна конфігурація функціонального заряду, який продемонструє штучну або модельну хвилю цунамі з усіма її дивовижні властивості.
Крім важливої проблеми генерації цунамі вчені активно займалися розвитком обчислювальних методів, вирішуючи завдання поширення хвиль в океані і набігання їх на берег. Останні завдання вважалися особливо складними. У розвиток обчислювальних експериментів по цунамі великий внесок внесли вчені горьковской і новосибірської наукових шкіл. Тоді ж вперше була проведена натурная реєстрація хвиль цунамі у відкритому океані.
Перші роботи зі створення єдиної бази даних з цього катастрофічного явища були розпочаті в СРСР і потім продовжені в Росії під керівництвом новосибірського геофізика В'ячеслава Костянтиновича Гусякова (Інститут обчислювальної математики і математичної геофізики - ІВМіМГ СО РАН). Ці роботи активно підтримували Міжнародна океанографічна комісія ЮНЕСКО і Російський фонд фундаментальних досліджень.
І в небі і в морі
Найсильніші землетруси і цунамі, що відбулися на рубежі двох століть (Окушірі, Японія, 1993; Шикотан, Росія, 1994; Ізміт, Туреччина, 1999; Суматра, Індонезія, 2004), стали природним стимулом для узагальнення наших знань в області сейсмології і цунамі. Провідні сейсмологи Росії - академіки А. С. Алексєєв і С. В. Гольдін, члени-кореспонденти РАН А. В. Ніколаєв і Г. А. Соболєв - розробляли наукові проекти і програми державного масштабу, збирали представницькі наукові форуми, ініціювали створення електронних каталогів подій, баз даних і розвиток обчислювальних методів в геофізики.
З'явився новий науковий напрям - пошук слідів древніх цунамі, або палеоцунами. Виявлення слідів і датування древніх цунамі на узбережжі океанів і морів дозволяють значно поповнити каталоги подібних подій, тестувати запропоновані моделі цунамі і давати істотно більш точні оцінки цунаміопасності пунктів узбережжя. Звичайно, рити вручну траншеї глибиною 2-3 м на берегових схилах не надто захоплююче заняття, але виявлення на стінці траншеї світлого прошарок морського піску серед темних шарів торфовища і вулканічної тефри те саме знахідку самородка. Особливо, якщо виявиться, що вік цього прошарок більше 8000 років.
Співробітники Інституту вулканології і сейсмології ДВО РАН (ІВІС, м Петропавловськ-Камчатський) детально досліджували багатокілометрові ділянки узбережжя Камчатки, Північних і Центральних Курильських островів. Істотних успіхів у вивченні відкладень палеоцунами на Південних Курилах домоглися вчені з Владивостока (Тихоокеанський інститут ДВО РАН) і Південно-Сахалінська (Інститут морської геології і геофізики - ІМГіГ ДВО РАН). Польова експедиція цих фахівців в Індонезію після трагічного події 2004 року дала важливі наукові результати.
Супутникова реєстрації цунамі - ще одне активно розвивається напрямок. Дослідники з Інституту океанології РАН та Інституту прикладної фізики РАН на основі альтиметричних спостережень (вимірювання висоти поверхні) в радіодіапазоні з космосу і обчислювальних експериментів з розповсюдження хвиль виявили кілька цунамі у відкритому океані. Вони вперше отримали надійні дані про амплітуду цунамі в 2004 році в Індійському океані, величина якої склала близько 1 м. Очевидно, вдосконалення обчислювальних методів і програм, що дозволяють моделювати поширення цунамі в океані, відкриє нові можливості для вивчення цього явища і своєчасного попередження населення про небезпеку .
Методи гідроакустики, що розвиваються в Лабораторії цунамі ім. академіка С. Л. Соловйова ІВ РАН, дуже перспективні для раннього виявлення такого найнебезпечніша явища, як локальні цунамі, що виникають дуже близько до побережжя. Наприклад, для східного узбережжя Камчатки середня відстань між джерелом цунамі і берегом становить всього 18 км. Гідроакустичні антени та системи гідрофонів * дозволяють виявити слабкі специфічні сигнали, що виникають в районі епіцентру в процесі підготовки сильного землетрусу, і оцінити рівень небезпеки готується події задовго до його початку. Російські сейсмологи і цунамісти разом з військовими фахівцями з гидроакустике вперше в світі розпізнали сигнали, зареєстровані у відкритому океані, і визначили місцезнаходження епіцентру підводного землетрусу.
В останні роки бурхливий розвиток статистичного аналізу особливостей виникнення цунамі і землетрусів привело до виявлення шестирічного періоду виникнення цунамі поперемінно в Північному і Південному півкулях Землі. Дослідники встановили, що сейсмічна активність протягом року в більшості субрегіонів Тихоокеанського пояса і прилеглого узбережжя нерівномірна. У зимові місяці (грудень - березень) сейсмічні процеси активізуються як в Північному, так і в Південній півкулі. Цей період збігається з періодом проходження Землею області, близької до точки перигелію (3 січня Земля знаходиться на мінімальній відстані від Сонця).
Парадокс Чарльза Дарвіна і хвилі-вбивці
Чарльз Дарвін за часів плавання на кораблі «Бігль» (1831-1836) описав багаторазово отмечавшуюся зв'язок між землетрусом і подальшим випаданням дощу в посушливих районах Чилі. Однак цей феномен залишався непоясненим до нашого часу. Вивчення високоенергетичних процесів в океані - моретрясения, акустичної кавітації, локальних викидів води, які вважаються спорідненими цунамі, - привело до відкриття нового ефекту: охолодження поверхні океану в зоні дії сильного підводного землетрусу. Він і пояснює парадокс, помічений великим ученим. Турбулентний перенос придонному холодної води до поверхні через коливання дна, який отримав назву сейсмоапвеллінг, детально досліджували член-кореспондент РАН Лев Миколайович Рикунов і професор Михайло Олександрович Носов з фізичного факультету МДУ з учнями. Науковий колектив вивчив ефекти моретрясения на лабораторній установці. Їм вдалося зрозуміти, як на поверхні води утворюються параметричні хвилі, викликані коливаннями дна. Виявилося, що в процесі генерації цунамі визначальну роль відіграє стисливість води.
Пізніше до вивчення сейсмоапвеллінга підключилися співробітники ІМГіГ ДВО РАН і Далекосхідного регіонального науково-дослідного гідрометеорологічного інституту (ДВНІГМІ, г. Владивосток). Вони створили інтегровану базу даних, що містить вертикальні профілі температури в Світовому океані, отримані в результаті більш ніж 7 млн зондувань, і матеріали сейсмічних каталогів. За допомогою цієї бази можна вести пошук інформації про температуру, яка вимірюється поблизу епіцентру підводного землетрусу до і після сейсмічної події. Так було помічено багато випадків, коли у верхньому шарі води після землетрусу температура знижувалася на 2-3 градуси, при цьому на горизонті глибиною 200 м величина аномального зміни склала понад 4 градусів.
В останні роки все більший інтерес в наукових колах викликають хвилі-вбивці. Це таємниче явище - причина загибелі кораблів - було відомо досить давно, але серйозно його не вивчалася через теоретичних труднощів. Нещодавно співробітники ІПФ РАН під керівництвом професора Юхима Наумовича Пеліновского і професора Андрія Олександровича Куркіна виконали цикл досліджень і опублікували книгу «Хвилі-вбивці», що отримала широку популярність. Вони встановили, що така хвиля може розглядатися як результат випадкового складання амплітуд різних вітрових хвиль на шельфі. Висота хвилі може досягати 25 м, при цьому час, протягом якого хвиля виникає на поверхні моря, становить не більше 5 секунд.
Що далі? Які напрямки досліджень в області цунамі будуть розвиватися в найближчому майбутньому? Нові можливості дає супутникова реєстрація хвиль цунамі в океані. Аналізом цих даних займаються в Інституті океанології РАН та Інституті прикладної фізики РАН. Створення карт цунаміопасності для різних регіонів країни дуже важливо як для фундаментальної науки, так і для практичних додатків. Поряд з цим буде продовжена робота по створенню каталогів палеоцунами, гідроакустичного аналізу процесів, що передують підготовку сильного підводного землетрусу, створення моделей процесів генерації цунамі і набігання хвиль на берег.
З неменшим увагою наукове співтовариство відноситься і до так званим космогенного цунамі, які викликаються падінням в океан космічного тіла - астероїда, метеорита і ін. Імовірність такої події дуже мала, але, якщо воно відбудеться, не виключена всесвітня катастрофа. Тому дослідження з космічним джерел цунамі будуть, звичайно, розвиватися.
За допомогою сучасних карт, що містять аномалії температури океанічної поверхні, передбачається розробити методи оперативного аналізу динамічних процесів в океані, за якими можна судити про підготовку сильного сейсмічного події в придонному частини океану.
До 2015 року має запрацювати російська система оцінки та аналізу макросейсмічних проявів відчутних землетрусів, а також мережу сейсмостанцій сильних рухів. У регіонах з високою сейсмічною активністю передбачено створення єдиної системи інформаційно-обробних центрів. Все це допоможе поліпшити роботу служби попередження про цунамі на Далекому Сході Росії. Найближчим часом, мабуть, буде створена Всесвітня організація попередження про цунамі на зразок вже давно і успішно функціонуючого агентства «Всесвітня метеорологічна організація».
Автор: Член-кореспондент РАН Борис Левін, директор Інституту морської геології і геофізики ДВО РАН, Голова Сахалінського наукового центру ДВО РАН (м Південно-сахалинск).
З вдячністю до джерела: журнал «Наука і життя» №1 2011 р
Що далі?Які напрямки досліджень в області цунамі будуть розвиватися в найближчому майбутньому?
