ЦУНАМИ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЦУНАМИ И ПРИЧИНАХ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

Японское слово «цунами» («тсу — нами», что в буквальном переводе означает большая волна в гавани, а иногда длинная пологая волна) стало ныне общепринятым для обозначения такой своеобразной и очень опасной чрезвычайной ситуации, как громадные гравитационные волны, порождаемые мощным воздействием на всю толщу воды в океане или другом водоеме и обрушивающиеся со страшной силой на берег. В основе этих названий лежит тот факт, что цунами становится большой волной лишь тогда, когда входит на берег, в залив или гавань (в открытом море цунами практически незаметно). Не всякая волна является цунами. Ветровые, корабельные и другие волны — это движение лишь верхнего слоя воды, тогда как цунами — движение всей ее толщи.

Причинами образования цунами могут быть: подводные разрывы (смещения) земной коры, вызывающие как землетрясения, так и цунами (более 85% всех цунами); извержения подводных вулканов (около 5%); береговые и подводные оползни, быстрый сход крупных ледниковых масс (около 7%); подводные взрывы (в том числе ядерные), падение крупного небесного тела.

Первое предположение о том, что цунами связано с подводными землетрясениями, было высказано еще древнегреческим историком Фукидидом. Хотя современные представления о причинах цунами сложились только в конце XX в., еще Чарльз Дарвин, как пишут Дж. Гир и X. Шах (1988), был весьма близок к пониманию его причин, когда он стал очевидцем катастрофического землетрясения 20 февраля 1835 г. в Консепсьоне (Чили) во время своего известного путешествия на корабле «Бигль». Вот как он описывал цунами, собрав также сведения от других многочисленных очевидцев: «Вскоре после толчка на расстоянии трех-четырех миль была замечена огромная волна; она приближалась и в середине залива была гладкой, но вдоль берега сносила домики и деревья и рвалась вперед с неудержимой силой. Во внутренней части залива она разбилась на череду страшных белых бурунов (подымающихся и с пеной разбивающихся у морских берегов), которые взметнулись вверх на 23 фута, выше самой высокой точки весенних приливов. Сила буруна была, должно быть, громадной, так как в форте пушка с лафетом весом четыре тонны была вдвинута им внутрь на 15 футов. Среди развалин в 200 ярдах от берега застряла шхуна. За первой волной последовали еще две, и многие разбитые остовы судов и лодок были смыты их обратным движением. В одном конце залива корабль был выброшен далеко на берег, затем смыт, снова выброшен на берег и вновь унесен волной». Ч. Дарвин описал также смещение уровня моря и изменение отметок суши: «Не может быть сомнений в том, что вся местность вокруг залива Консепсьон поднялась на два-три фута... На острове Санта-Мария поднятие было еще большим; здесь на берегу, на высоте десяти футов над отметкой самой высокой воды капитан Фицрой нашел еще держащиеся на скале сгнившие раковины мидий...» «Наиболее примечательным эффектом этого землетрясения было устойчивое поднятие суши; вероятно, было бы правильнее говорить об этом и как о причине цунами».

Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Большинство крупных цунами возникают при резком колебательном вертикальном или наклонном движении протяженных участков морского дна (или прибрежной полосы), вызывающих землетрясения, очаги которых находятся в зоне разрывов неглубоко под дном океана, обычно не более 20—60 км. Такие смещения наблюдаются при тектонических движениях литосферных плит, чаще всего в зонах субдукции или на срединно-океанических хребтах (см. гл. 3 и 4).

При более глубоких очагах, даже сильных землетрясений, цунами, как правило, не возникают, так как разрывы литосферы не влекут за собой деформаций морского дна. В Тихом океане (наиболее активном сейсмическом районе Земли), где относительно часто наблюдаются сильные цунами вдоль побережий Японии, Камчатки, Алеутских островов, Южной Америки и др., лишь менее 1% всех сильных землетрясений сопровождается возникновением цунами.

Приведем пример (Гир, Шах, 1988): детальные исследования, проведенные после Великого Аляскинского землетрясения (см. гл. 5) 27.03.1964 г. (М = 9,1), позволили уточнить механизм образования цунами. Потенциальная энергия для землетрясения была создана давлением океанической коры на континентальную (рис. 8.1). Континентальная кора сжималась и с изгибом затягивалась вниз, будучи прочно присоединенной к океанической коре по зоне Беньоффа. Аляскинское землетрясение 1964 г. произошло в результате разрыва вдоль зоны контакта плит — зоны Беньоффа. Освободившись от связи с океанической плитой, континентальная плита стала упруго восстанавливать свою форму, изгибаясь, пошла вверх и подняла мор-

Рис. 8.1. Разрез литосферных плит к югу от Аляски, где Тихоокеанская плита пододвигается под континентальную и толкает ее на север (стрелка А) и вниз

(стрелка В) (Гир, Шах, 1988)

ское дно, породив цунами. Быстрый подъем морского дна охватил площадь длиной 800 км и шириной 100 км (рис. 8.2). Берег о. Монтагью, находящегося в области поднятия, после землетрясения стал более чем на 10 м выше уровня океана. Возникшее при этом цунами распространилось из зоны поднятия во все стороны, однако главное направление было перпендикулярным длинной оси области поднятия. Это имело место при вертикальном движении литосферных плит в очаговой зоне.

При горизонтальных, сдвиговых смещениях литосферных плит цунами не образуется или имеет локальный характер и не распространяется на большие расстояния, хотя землетрясение при этом возникает всегда. Например, при горизонтальных сдвигах земной

Рис. 8.2. Область поднятия дна при Аляскинском землетрясении 1964 г.

(Гир, Шах, 1988) коры вдоль Калифорнийского побережья возникают сильные землетрясения, но цунами при этом не наблюдаются. При сильнейшем Сан-Францисском землетрясении 1906 г. (см. гл. 5) горизонтальное смещение по разлому Сан-Андреас, проходившему частично под морем, достигало 6 м, но цунами при этом не возникло.

Можно констатировать факт: причиной возникновения цунами является разрыв в литосфере и вертикальное или круто наклонное смещение участков морского дна по разрыву, а не землетрясение, которое одновременно происходит. «Моретрясение» и землетрясение — два следствия разрыва. В этой связи термин «цунамигенное землетрясение», широко используемый в специальной литературе, не совсем точен. Зафиксировав сильное подводное землетрясение, сейсмологи, к сожалению, не могут точно знать, возникнет ли в этот раз цунами, пока волна не ударит о берег вблизи очага или в каком- нибудь другом месте, т.е. землетрясение может быть, а может и не быть предвестником цунами.

Известны также случаи образования не очень крупных цунами при землетрясениях, очаги которых находились на суше. Это обусловлено тем, что длиннопериодные сейсмические поверхностные волны (волны Рэлея), имеющие вертикальную составляющую (см. разд. 3.2), проходя через неглубокий континентальный шельф, передают значительную часть энергии землетрясения воде, вызывая ее подъем. Возвращение моря к нормальному уровню приводит к образованию серии волн, распространяющихся во всех направлениях от первоначальной зоны деформации воды.

Большинство цунами, связанных с подъемом или опусканием морского дна при тектонических движениях, возникают в Тихоокеанском сейсмическом поясе. Здесь зафиксировано более 85% всех крупных цунами, в том числе: вдоль берегов Японии, Северной и Южной Америки, Камчатки и Курильских островов. Остальные 15% приходятся на Индийский и Атлантический океаны, Средиземное и другие моря. В арктических и антарктических водах цунами практически неизвестны.

Направленное вверх или вниз резкое смещение участка морского дна вызывает вздымание или погружение всей вышележащей толщи воды, которая приходит в колебательное движение по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню — среднему уровню моря, что порождает серию больших длиннопериодных поверхностных и подводных волн, расходящихся во все стороны. Это не обычные ветровые морские волны, которые охватывают лишь приповерхностный слой воды, а волновой фронт, проходящий от поверхности океана сквозь всю его толщу до дна.

Образовавшись в каком-либо месте, цунами может пройти несколько тысяч километров, почти не уменьшаясь по амплитуде, что связано с большой длиной волны, достигающей 100—300 км, значительно большей, чем глубина воды, в которой они распространяются, и очень малой высотой волны (50, редко до 100 см). В глубоководной части океана волны цунами очень пологие и перемещаются с большой скоростью (500—1000 км/ч); такая волна минует судно в открытом море всего за 15—20 мин, и на судне ее не могут заметить.

Скорость распространения цунами в открытом океане (С, м/с) зависит прежде всего от глубины воды в месте нахождения волны, хотя на нее могут влиять и другие факторы. Цунами «чувствует дно» даже в самом глубоком океане, что связано с движением всего вертикального столба воды в тех местах, где оно проходит.

Для определения скорости цунами С (м/с) пользуются известной формулой Лагранжа

где q = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения; Н, м. — глубина океана. Эта формула предполагает дно горизонтальным и дает величины скорости С, хорошо согласующиеся с данными наблюдений в Тихом океане. В табл. 8.1 приведены зафиксированные средние скорости (400—810 км/ч) и время хода некоторых цунами.

Таблица 8.1

Время хода и средние скорости некоторых цунами

Несмотря на такие скорости, чтобы пересечь пространство Тихого океана (рис. 8.3, табл. 8.2), цунами необходимо несколько часов, а иногда и около суток. Искривление фронта волн на рис. 8.3 связано с изменениями глубин океана по пути их движения, эффект рефракции.

Рис. 8.3. Карта Тихого океана с указанием времени распространения цунами, возникшего одновременно с Великим Чилийским землетрясением (М = 9,5) 21 мая 1960 г. (см. гл. 5). (Болт и др., 1978)

Таблица 8.2

Время пробега цунами в Тихом океане

Когда цунами достигает мелководья, скорость волн замедляется до десятков километров в час, так как глубина воды постепенно уменьшается (а при входе в бухту или в гавань также существенно сужается фронт волны), цунами полностью меняет свои свойства: происходит увеличение высоты волны и уменьшение ее длины; передний склон волны становится круче, начинают формироваться громадные разрушительные волны, высота которых возрастает по мере приближения к берегу (рис. 8.4). Часто волна превращается в огромный бурун (волна с пенистым гребнем), а в узких заливах в бор (несущаяся водяная стена с высоким крутым передним краем), которые обрушиваются на сушу с большой скоростью и разрушительной силой (рис. 8.5). Вертикальное увеличение высоты уровня воды называется высотой наката цунами. Высота наката до 10 м случается довольно часто, до 30 м и более — значительно реже. Цунами могут заходить на довольно большие расстояния вглубь берега, а благодаря дифракции — явлению искривления волн вокруг объектов, волны могут также проходить через препятствия в гавани.

В конкретных случаях высота цунами зависит от скорости и направления движения волны, рельефа дна и берега, строения побережья, местных препятствий. С другой стороны, мелководье или песчаный бар на дне недалеко от берега могут уменьшить высоту волны. Этим объясняется различная высота волн цунами в разных местах на одном и том же побережье. Наиболее высокие волны, до 30—40 м, образуются у крутых берегов, в клинообразных бухтах и узких долинах, у выдающихся далеко в океан мысов. К потенциально опасным относятся пониженные участки вдоль берегов, в заливах и гаванях с высотой менее 15 м над уровнем моря при удаленных цунами и менее 30 м при местных цунами. Районы плоских широких побережий с закрытыми бухтами являются менее опасными, однако и здесь наблюдались цунами высотой до 5—6 м.

Рис. 8.4. Трансформация волны цунами (Лорка Э, Рекабаррен М. http://tsun. sscc.ru/tsulab/h school/titul.htm)

Рис. 8.5. Волна цунами обрушилась на берег (Самые разрушительные цунами в истории; lifeglobe.net/entry/5147)

Если цунами распространяются на большие расстояния через океаны, необходимо принимать во внимание сферичность Земли, чтобы определить их воздействие на удаленные побережья. Волны, которые расходятся в разные стороны от источника образования, могут вновь сойтись в точке на противоположном конце океана. Примером этого (рис. 8.6) явилось цунами 21.05.1960 г. с источником на побережье Чили в точке 39,5 южной широты и 74,5 западной долготы. Побережье Японии располагается между 30 и 45 градусами северной широты и 135 и 140 градусами восточной долготы, что составляет разницу в 145 и 150 градусов по долготе от зоны источника. В результате схождения (конвергенции) непреломленных лучей волн на побережье Японии произошли сильные разрушения и погибли много людей.

Кроме указанного эффекта, лучи волн цунами отклоняются от своего естественного пути в связи с тем, что скорость длинной волны зависит от глубины, различные ее части распространяются с различными скоростями, вызывая искривление волн — рефракцию (рис. 8.7). Есть и другой механизм рефракции: даже при больших глубинах и в отсутствие топографических неровностей, течения, направленные под углом к волнам, могут изменить их направление распространения и повлиять на длину волны.

Рис. 8.6. Конвергенция (схождение) лучей волн цунами при землетрясении 21 мая 1960 г. в Чили (Лорка, Рекабаррен. httpV/tsun.sscc.ru/tsulab/h school/

titul.htm)

Рис. 8.7. Рефракции волн цунами (Лорка Э, Рекабаррен М. http://tsun.sscc.ru/ tsulab/h school/titul.htm)

Цунами — это не единичная волна. По мере удаления от места образования обычно формируется группа волн цунами порядка десяти (иногда и больше), которые достигают берега с периодом между ними от 5 до 90 мин и более. Пока не найдено определенной закономерности в вопросе о том, какая из серии волн, движущихся к побережью, будет иметь наибольшую высоту. Как правило, наибольшей является одна из первых трех волн. К сожалению, размеры волн даже одной серии цунами непредсказуемы: в одном месте они могут быть небольшими, а где-нибудь в другом — гигантскими. Не существует типичного цунами, они все различны. Однако любые цунами характеризуются большим запасом энергии, которую они несут.

В большинстве случаев (но не всегда) перед приходом цунами море отступает очень быстро от берегов, дно обнажается на расстоянии сотен метров, а иногда и нескольких километров. Длится это от нескольких минут до получаса (иногда и дольше), после чего море наступает в виде волны цунами. Чем дальше отступает море, тем большую разрушительную силу в данном месте имеют цунами. Отступление моря может повторяться несколько раз (5—7 и более) в зависимости от количества и высоты сформировавшейся серии волн.

Если место возбуждения цунами (подвижка дна) находится вблизи побережья и волны обрушиваются на близлежащие берега, то цунами называют местными. Известно, что местные цунами вызывали значительные разрушения и множество жертв на берегах Японии, Камчатки, Филиппин, Южной Америки и Восточного Средиземноморья. В том случае, когда цунами пересекают океан и накатываются на противоположные берега, их называют удаленными. Например, цунами, образовавшиеся во время Аляскинского землетрясения 1964 г., пересекли Тихий океан и основной ущерб нанесли западному побережью Северной Америки. Цунами, вызывающее повреждения очень далеко от места своего возникновения, иногда называют «телецунами».

Энергию цунами можно классифицировать по магнитуде (т_с), за величину которой принимается натуральный логарифм амплитуды колебаний уровня воды (в метрах), измеренный стандартным море- ографом (прибор для непрерывной записи колебаний уровня моря) у береговой линии на расстоянии от 10 до 3 км от источника возникновения цунами. В отличие от магнитуды (М), характеризующей всю энергию, выделившуюся в очаге землетрясения, магнитуда (т_с) — это только часть этой энергии, ушедшая на образование и движение волн (обычно от 1 до 10%). Существует статистическая зависимость между величинами М, т_с и максимальной высотой головной волны цунами h_Q (табл. 8.3) для мелкофокусных очагов землетрясений (Болт идр., 1978).

Таблица 8.3

Зависимость между магнитудами землетрясения М, цунами т_с и максимальной высотой головной волны цунами h₀, м

По международной шкале IIDA (Л/,) и по шкале Соловьева (Г) сила цунами определяется с учетом максимальной высоты наката волны (И₀, м) и других показателей; в обеих шкалах выделяют 15 категорий цунами. Самое сильное известное цунами по шкале IIDA имело категорию 6,4 (цунами 24.04.1771 г., Япония), а по Соловьеву — категорию 9 (цунами в августе 1946 г., Чили).

Для оценки силы (интенсивности) цунами предложено ряд описательных шкал: по воздействию на наземные предметы, по высоте волны, по количеству жертв, по материальному ущербу. В качестве примера, в табл. 8.4 приведена четырехбалльная шкала К. Ииды и А. Имамуры (Словарь терминов чрезвычайных ситуаций, 2010).

Как отмечалось выше, причиной возникновения цунами являются не только тектонические смещения дна океана. Они могут также возникнуть, если сильное землетрясение или другие причины вызовут на дне океана или на побережье сброс, обвал, оползень, сход ледниковых масс; в этом случае землетрясение будет причиной появившихся смещений горных пород, а уже смещения станут причиной цунами.

Приведем пример. Очень сильное цунами возникло на юго-востоке Аляски 09.07.1958 г., когда у северо-восточного побережья узкого залива Литуя с высоты 1100 м в воды залива Гилберт обрушилась масса горных пород и льда объемом 30,6 млн м³. Образовавшаяся волна высотой более 130 м, движущаяся со скоростью 160 км/ч, понеслась в противоположном направлении к юго-западной береговой линии залива Гилберт, смывая все, что находилось на ее пути. МакШкала К. И иды и А. Имамуры для оценки силы цунами (словарь терминов чрезвычайных ситуаций, 2010).

симальная высота, на которой были зафиксированы разрушения, вызванные волной (с учетом ее нагона), составляла 524 м над уровнем моря. Оползень был инициирован сильнейшим землетрясением (М= 8,3), произошедшим в районе разлома Фэйруэзер, у полуострова Аляска.

Подобного рода случаи весьма редки и, конечно, не рассматриваются в качестве эталона. Намного чаще подводные оползни происходят в дельтах рек, на шельфах, например в Индонезии, где очень велико шельфовое осадконакопление (табл. 8.5). Оползневые цунами также опасны, поскольку случаются регулярно, вызывая локальные волны иногда высотой более 20 м.

Некоторые крупнейшие цунами мира

Крупные подводные вулканические извержения могут образовать цунами при взрыве и (или) быстром заполнении водой полости от изверженного материала. Классический пример, подробно описанный в гл. 2, — цунами, образовавшееся после извержения вулкана Кракатау 27.08.1883 г., когда цунами уничтожили в общей сложности около 300 деревень, 5000 лодок и кораблей, вызвали гибель более 36 тыс. человек.