научная статья по теме НАБЛЮДЕНИЯ ЦУНАМИ В ОТКРЫТОМ ОКЕАНЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «НАБЛЮДЕНИЯ ЦУНАМИ В ОТКРЫТОМ ОКЕАНЕ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 5, с. 508-523

УДК 551.466.62

НАБЛЮДЕНИЯ ЦУНАМИ В ОТКРЫТОМ ОКЕАНЕ

© 2014 г. А. Б. Рабинович

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997Москва, Нахимовский просп., 36 E-mail: a.b.rabinovich@gmail.com Поступила в редакцию 25.03.2014 г., после доработки 01.04.2014 г.

Глубоководные измерения цунами имеют важнейшее значение для понимания физики генерации и распространения этих волн, а также для организации эффективной Службы предупреждения о цунами. В работе рассматривается история измерений цунами в открытом океане, начиная от первых попыток 50 лет назад и по сегодняшний день. Описаны современные системы мониторинга волн цунами, включая DART, передовые японские проекты систем донных кабельных линий и канадскую придонную геофизическую обсерваторию NEPTUNE-Canada. Рассматриваются особенности придонных наблюдений длинных волн в глубоком океане по сравнению с прибрежными наблюдениями. В качестве примера выделения сигнала цунами по данным глубоководных наблюдений рассмотрены результаты анализа удаленных (22 тыс. км от очага) записей Суматранского цунами 2004 г. в северо-восточной части Тихого океана.

Ключевые слова: измерения цунами, донные кабельные станции, цунамиметр, станции DART, уровень моря, длинные волны, спектры цунами, выделение сигнала, естественный длинноволновой шум.

Б01: 10.7868/80002351514050101

1. ВВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС

История инструментальных наблюдений за колебаниями уровня моря насчитывают свыше 200 лет. Основной целью этих измерений было исследование приливов и штормовых нагонов, а также сезонных колебаний и долговременной изменчивости уровня моря [1], но попутно регистрировались и сравнительно высокочастотные колебания (с периодами от нескольких минут до нескольких часов), в частности, сейши и цунами. Так, первые записи волн цунами были получены 23 декабря 1854 г. в портах Сан-Франциско и Сан-Диего (Калифорния, США). Волны цунами, вызванные землетрясением магнитудой 8.3—8.4 у берегов Японии, за 12.5 ч пересекли Тихий океан и достигли побережья Калифорнии [2]. Заметим, что это то самое цунами, которое привело к сильным повреждениям российского фрегата "Диана" в порту Симода, Япония [3].

За прошедшие годы накоплен огромный объем наблюдений за изменчивостью уровня моря. Однако все эти наблюдения относились к береговым измерениям уровня моря, которые дают только косвенное представление о характере колебаний уровня открытого океана. Регистрация смещения поверхности воды в глубоком океане связана с большими техническими сложностями.

К проблемам, возникающим при регистрации уровня моря в прибрежной зоне (нелинейность, трение, элиасинг, цифровой шум, влияние температурных флуктуаций, ветрового волнения и пр. [1, 4]), здесь добавляются специфические проблемы, обусловленные, прежде всего, большой глубиной постановки приборов (а, следовательно, и громадным давлением, действующим на датчик). Фактически задача измерения уровня открытого океана упирается в задачу регистрации отклонений уровня моря в несколько миллиметров при глубине постановки прибора в несколько километров, т.е. обеспечение точности порядка 10-6. Кроме того, большим и дорогостоящим вопросом является установка и подъем глубоководных станций и, главное, обеспечение системы оперативной передачи данных (что требуется для Службы предупреждения о цунами). В связи с указанными трудностями, прямые измерения уровня открытого океана стали проводиться только во второй половине ХХ века (см. соответствующие обзоры в книге автора [4], а также в работах [5, 6]). Основными проблемами, стимулировавшими эти исследования, были океанские приливы, а также вопросы морской геодезии и навигации.

Одной из наиболее актуальных проблем, потребовавших проведения измерений уровня открытого океана, явилась проблема цунами. До

последнего времени наши представления о механизме генерации и физических особенностях волн цунами базировались исключительно на береговых наблюдениях. Между тем для понимания природы цунами непосредственные измерения в открытом океане особенно важны. Во-первых, регистрация волн цунами вблизи мест их генерации имеет первостепенное значение для проверки и дальнейшего развития существующих представлений о процессах возбуждения и распространения этих волн. Во-вторых, создание автоматизированной системы наблюдений за уровнем открытого океана является наиболее перспективным путем решения задачи надежного и заблаговременного предупреждения об угрозе цунами. Применяемый до последнего времени "сейсмологический" метод прогноза цунами основан на измерении характеристик землетрясения и объявлении Тревоги цунами в случае, если энергия (моментная магнитуда М„) землетрясения превышает некоторое пороговое значение (обычно при Мщ > 7—7.5, в зависимости от местоположении очага). Этот метод приводит к большому числу ложных тревог, так как далеко не каждое, даже сильное, землетрясение вызывает цунами, так же как и не всякое цунами представляет опасность за пределами локальной области вблизи очага [7]. "Гидрофизический" метод прогноза, предложенный С.Л. Соловьевым [7, 8] и основанный непосредственно на регистрации волны цунами вдали от берега, способен обеспечить существенно большую надежность Службы предупреждения о цунами (СПЦ).

Глубоководные измерения цунами имеют большое значение и по другим причинам. Колебания уровня моря вблизи берега искажаются вследствие рефракции, нелинейного взаимодействия волн друг с другом, рассеяния на нерегуляр-ностях линии берега; на них оказывают воздействие волновой захват и шельфовый резонанс, придонное трение на мелководье, а также локальный резонанс отдельных акваторий (бухт, фьордов и портов, где обычно устанавливаются мареографы). Изучение всех этих явлений представляет несомненный теоретический и практический интерес. Однако с точки зрения СПЦ они порождают значительные проблемы и затрудняют выделение "чистого" (неискаженного) сигнала цунами. Измерения длинноволновых колебаний уровня моря в открытом океане и на шельфе дают ценную информацию о физике цунами и способствуют существенному улучшению расчетных моделей этого явления.

Для исследования цунами первоначально применялись глубоководные датчики, вынесенные в зону шельфа и соединенные кабелем с берегом. Первые работы в этом направлении были начаты в СССР в конце 60-х годов прошлого века в Саха-

линском комплексном научно-исследовательском институте (СахКНИИ) под руководством С.Л. Соловьева с использованием датчиков, разработанных В.М. Жаком [8]. Аналогичные работы проводились и в Гавайском институте геофизики, Университет Гавайи (Гонолулу, США), по инициативе Г. Миллера на основе датчиков конструкции М. Витусека [9]. Две совместные Советско-американские экспедиции по проблеме цунами (1975 и 1978 гг.) [10, 11], главной задачей которых была регистрация цунами в открытом океане, явились важным этапом этих работ. В период проведения экспедиций в Тихом океане не произошло ни одного сильного землетрясения, и глубоководных записей цунами получить не удалось, но экспедиции принесли богатейший материал по длинным волнам в частотном диапазоне волн цунами, который позволил детально исследовать механизмы волнового захвата и шельфо-вого резонанса, играющие определяющую роль в характере проявления волн цунами в зоне шельфа и вблизи берега. Материалы этих экспедиций в значительной степени послужили основой монографии [12] и были опубликованы в целом ряде статей (см, например, [13]).

Первые достоверные глубоководные записи цунами были получены на шельфе о-ва Шикотан [14, 15] и в открытом океане вблизи Калифорнии [16]. 23 февраля 1980 г. вблизи Малых Курильских островов произошло землетрясение с магнитудой М = 7.1, которое вызвало небольшое цунами, зарегистрированное мареографами на о-вах Шикотан, Кунашир, Итуруп и Хоккайдо (рис. 1а). В это время на шельфе о-ва Шикотан работала донная кабельная станция, установленная летом 1979 г. на глубине 113 м в 8 км от побережья острова. Станция зарегистрировала волны цунами высотой до 15 см (от подошвы до гребня) (рис. 1а).

Примерно в это же время удалось получить и запись цунами в глубоком океане. Донная автономная станция конструкции Ж. Фью [16] была установлена на глубине около 3200 м на расстоянии 150 км от берегов южной Калифорнии. Землетрясение с магнитудой М = 7.6 произошло 14 марта 1979 г. у южного побережья Мексики примерно в 1000 км к юго-востоку от места установки станции (рис. 1б). После подъема датчика и анализа полученных данных (что произошло спустя примерно 1.5 года после самого события) выяснилось, что станция зарегистрировала волны цунами высотой около 1 см и периодом около 40 мин, вызванные указанным землетрясением [16]. На записи (рис. 1б) хорошо видно, что уровень естественного длинноволнового шума (включающего в себя и инструментальный шум), наблюдавшийся на станции до подхода волн цунами, очень низкий — меньше 1 мм, поэтому 1-сантиметровая волна цунами выделяется очень четко.

(а)

N 44°

43°

146°

147° Е

«

л

о

л

я

о <ч

о £

10

0

10 10

0

10

10 0 10

1 / Донный датчик (PG)

ММалокурильск (МБ

Южно-Курильск (ЮК)

04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00

Время, ч

N

30°

(б)

я р

о

ь н е

о £

Масатлан

ТИХИЙ ОКЕАН е

105° W

06 07 08 09 10 11 12 13

Время, ч

14 15

16 17

Рис. 1. Первые регистрации цунами в открытом океане. а — Регистрация цунами на шельфе о. Шикотан 23 февраля 1980 г. Крестиком указан эпицентр землетрясения, штриховой линией — область очага; "ЮК" — мареограф Южно-Ку-рильск, "МК" — мареограф Малокурильск, "PG" — донная кабельная станция. б — Глубоководная запись Петатлан-ского цунами 14 марта 1979 г. у побережья Мексики. На карте крестиком и буквой "Е" отмечен эпицентр землетрясения, "PG" — автономный глубоководный датчик, установленный Ж. Фью [16]. На записи вертикальными стрелками указаны момент землетрясения (Е) и приход волны цунами (Т), стрелкой Rw отмечены волны Рэлея.

Уже эти две первые полученные записи позволили составить общее представление о характере волн цунами вблизи зон их генерации и принесли важные

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком