научная статья по теме ВОЛНЫ ЦУНАМИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОЛНЫ ЦУНАМИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 5, с. 540-551

УДК 551.466

ВОЛНЫ ЦУНАМИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ © 2014 г. М. А. Носов

Московский государственный университет им. М.Ф. Ломоносова, Физический факультет 119991 Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2 E-mail: nosov@phys.msu.ru Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН 693022 Южно-Сахалинск, ул., Науки, 1б Поступила в редакцию 21.05.2013 г., после доработки 20.08.2013 г.

Обзор отражает современные представления о волнах цунами сейсмического происхождения. Описаны принципы оперативного прогноза и способы регистрации цунами. Изложен традиционный подход к описанию генерации цунами землетрясением, проанализированы его недостатки. Выделены основные и вторичные эффекты, ответственные за формирование волн подводными землетрясениями. Описаны существующие численные модели динамики цунами.

Ключевые слова: волны цунами, генерация, деформации дна, прогноз, численное моделирование.

DOI: 10.7868/S0002351514030092

1. ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на обширные накопленные знания, разработанные методики и технологии прогноза и предупреждения, оказалось невозможным предотвратить тяжелые последствия катастрофических цунами последнего десятилетия. Волны, обрушившиеся на побережье Японии 11 марта 2011 г., в очередной раз продемонстрировали, что даже такая высокотехнологичная страна, обладающая наиболее богатым историческим опытом в практических исследованиях волн цунами, оказалась уязвимой перед лицом стихии [1]. Тяжелые экологические последствия, связанные с повреждением атомных электростанций, еще долго будут напоминать о себе [2]. Другой яркий пример последнего десятилетия — цунами в Индонезии 26 декабря 2004 г. [3]. Отсутствие региональной системы предупреждения о цунами привело к беспрецедентному количеству жертв.

Российское побережье за последнее десятилетие также неоднократно подвергалось воздействию волн цунами. Два сильнейших события с высотами заплеска до 20 м были вызваны землетрясениями, произошедшими 15 ноября 2006 г. и 13 января 2007 г. в районе Центральных Курильских островов [4, 5]. Только благодаря отсутствию населения на Центральных Курильских островах эти события не сопровождались человеческими жертвами. Определенную опасность для российского побережья представляли волны, вызванные

мощным землетрясением у берегов Чили (27.02.2010 г.) и уже упомянутым катастрофическим землетрясением в Японии (11.03.2011 г.) [6—8].

Кроме уже отмеченных событий, за последние 10 лет в Мировом океане произошло еще несколько сильных цунами: о-в Ява (17.07.2006 г.), Перу (15.08.2007 г.), Соломоновы о-ва (01.04.2007 г.), Самоа (29.09.2009 г.).

Катастрофические цунами последнего десятилетия еще раз демонстрируют важность фундаментальных и прикладных исследований всего комплекса проблем, связанных с этим грозным природным явлением.

Информацию о волнах цунами можно найти в монографиях [9—15] и каталогах цунами [16—19]. Историческая база данных по цунами (Historical Tsunami Database for the World Ocean — HTDB/WLD) создана и поддерживается В.К. Гу-сяковым (ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск) и в NOAA (NOAA/WDC Tsunami Event Database).

В соответствии с исторической базой данных о цунами в Мировом океане HTDB/WLD большинство событий (около 80%) вызываются сильными подводными землетрясениями. В некоторых случаях образование цунами обязано оползням (6%), извержениям вулканов (5%) и метеорологическим причинам (3%). Для оставшихся событий источник установить не удалось. Активно обсуждается возможность генерации цунами при падении в океан метеоритов, но за все время суще-

ствования нашей цивилизации таких событий зарегистрировано не было.

Целью настоящей статьи является обзор современного состояния проблемы цунами с акцентом на физические аспекты этой проблемы. Определенное внимание также будет уделено техническим средствам регистрации и численным моделям как инструментам, играющим важнейшую роль в формировании представлений о физической природе цунами. В силу того, что основной причиной образования цунами являются подводные землетрясения, в этом обзоре будут отражены только те работы, которые связаны с цунами сейсмического происхождения.

2. РЕГИСТРАЦИЯ И ПРОГНОЗ

Основным механизмом генерации цунами при землетрясении служит вытеснение воды остаточной (косейсмической) деформацией дна [20—24]. Возможность оперативного прогноза волн цунами, вызываемых подводными землетрясениями, основана на том, что скорость распространения сейсмических волн многократно превышает скорость распространения цунами. В настоящее время оперативный прогноз цунами базируется на сейсмических данных и предустановленных критериях (магнитудно-географическом критерии) [25, 26]. Решение об объявлении тревоги цунами принимают, если магнитуда сейсмического события превышает некоторое пороговое значение. Пороговое значение магнитуды варьируется от 7.0 до 8.5 в зависимости от региона. Так, например, в Курило-Камчатском регионе пороговое значение составляет 7.0.

Сильная зависимость характеристик цунами от механизма очага землетрясения и его глубины приводит к тому, что далеко не каждое подводное землетрясение с магнитудой, превышающей пороговую, сопровождается образованием волн, которые представляют реальную опасность [23, 27]. Точный расчет остаточных деформаций дна в очаге цунами в оперативном режиме невозможен. Поэтому для подтверждения или отмены тревоги цунами важно обладать объективной информацией о самом факте возникновения волны. Такая информация может быть получена, когда волна окажется зарегистрированной ближайшей к источнику станцией уровня моря или каким-либо иным способом [28—32].

Изначально для регистрации вариаций уровня моря, обязанных волнам цунами, использовались исключительно береговые измерения. В 60-70-х годах С.Л. Соловьев предложил принципиально новый метод оперативного прогноза, основанный на регистрации волны вдали от берега [33, 34]. Получив существенное техническое развитие [35—37], этот метод в настоящее время активно ис-

пользуется. Вариации уровня моря регистрируются высокочувствительными датчиками давления, расположенными на дне. В последнее десятилетие в Мировом океане развернута сеть глубоководных станций DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis, http://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/), насчитывающая к настоящему времени более 50 станций [38]. Аналогичные глубоководные измерители уровня моря, функционирующие с конца XX века имеет японское агентство JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, http://www.jamstec.go.jp/) [39]. В 2009 г. у тихоокеанского побережья Канады установлена система NEPTUNE [40]. В стадии разработки находится и европейская система донных обсерваторий EMSO (European Multidisciplinary Seafloor Observatory), обладающая возможностями регистрации цунами [41].

По сравнению с береговыми измерениями глубоководная регистрация цунами имеет целый ряд важных преимуществ [3, 13, 15]. Во-первых, в силу того, что скорость цунами возрастает при увеличении глубины океана, глубоководный датчик быстрее зарегистрирует волну, чем береговой мареограф, расположенный на том же расстоянии от очага. Во-вторых, при подходе к побережью волна цунами сильно искажается (например, из-за резонанса в бухтах) и отчасти "забывает" о свойствах породившего ее источника. В то же время в открытом океане сигнал цунами не является искаженным или фильтрованным. В-третьих, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) донных датчиков давления является абсолютно плоской в диапазоне волн цунами, в то время как многим береговым мареографам свойственна сложная и непостоянная АЧХ. В-четвертых, частотный диапазон волн цунами характеризуется чрезвычайно низким уровнем фонового шума (~0.001 м), что позволяет легко различать сигнал цунами с амплитудой порядка 0.01 м. Для сравнения отметим, что в диапазоне длин волн цунами уровень естественного "шума" (вариации положения поверхности воды, обязанные мезомасштабным океаническим вихрям) значительно выше (~0.1 м), что затрудняет выделение сигнала цунами на профиле уровня моря при "мгновенной" съемке вдоль трека спутниковым альтиметром.

Из всех упомянутых выше глубоководных станций система DART наиболее известна (во многом благодаря свободному доступу к данным, а система донных обсерваторий JAMSTEC — по крайней мере, в настоящее время — обладает наилучшей функциональностью. Вначале были развернуты три глубоководных обсерватории JAM-STEC: "Hatsushima", "Muroto Cape", "Kushiro-Tokachi". В отличие от DART или NEPTUNE станции JAMSTEC оснащены более "богатым" инструментарием, включающим сейсмометры, датчики давления, гидрофоны, акустические до-

плеровские профилографы (ADCP), измерители скорости течения, блок измерителей CTD (проводимость, температура, давление) и даже видеокамеры.

С 2006 г. агентство JAMSTEC запустило еще более амбициозную программу донных наблюдений, которая получила название DONET (Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis). К 2011 г. было успешно установлено 20 донных станций, соединенных кабельными линиями с береговым центром обработки данных. С 2013 по 2015 гг. должно быть дополнительно развернуто еще 29 донных станций в рамках проекта DONET2.

Развитие плотной сети донных измерителей уровня моря уже в недалеком будущем способно поднять оперативный прогноз цунами на качественно новый уровень. При этом не исключено, что роль сейсмической информации в прогнозе будет уменьшаться, а роль распределенных измерений уровня моря выйдет на первый план. Можно даже представить себе систему предупреждения о цунами, базирующуюся исключительно на глубоководных измерениях уровня моря. Такой подход, несомненно, позволил бы избежать многочисленных ошибок в оперативном прогнозе, которые связаны со сложной и неоднозначной связью между землетрясением и цунами.

3. ГЕНЕРАЦИЯ ЦУНАМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ

Надежность прогноза цунами во многом связана с пониманием и корректным описанием физических процессов, определяющих эволюцию волны на всех этапах ее существования. Анализ событий последних лет подтвержда

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