Цунами. Физика процесса

Цунами. Физика процесса

Реферат по физике

Цунами. Физика процесса

Содержание:

Введение

1.  Цунами - поперечные морские гравитационные волны

2. Физические причины цунами

.Основные характеристики цунами

. Поражающие факторы цунами

. Системы предупреждения цунами

Литература

Введение

Каждый год на земном шаре происходят несколько сотен тысяч землетрясений, и около ста из них - разрушительные, несущие гибель людям и целым городам. Сценариев нарастающих в глубине Земли катастроф очень много, и один из них - цунами. Более 80 процентов всех случаев возникают на периферии Тихого океана, включая западный склон Курило-Камчатского желоба. У берегов Японии они бывают в среднем каждые 7 лет. 11 марта 2011 года у берегов Японии произошло землетрясение магнитудой не менее 8,9. Эпицентр был расположен в 130 километрах от побережья префектуры Мияги. Вскоре на берега Японии обрушилось мощное цунами, высота волн которого в некоторых местах составила десять и более метров. В ряде прибрежных районов тихоокеанского побережья волны смыли сотни катеров и яхт, автомобилей, жилых домов и строений. Населенные пункты, расположенные у океана, оказались почти полностью под водой, на 4-х реакторах АЭС «Фокусима-1» вышла из строя система охлаждения реакторов, в результате чего произошли взрывы и выбросы радиоактивных веществ. Это страшное событие подтвердила значимость изучения этого явления для живущих на Земле людей.

Слово «цунами» в переводе означает: «цу» - гавань, «нами» - большая волна. Само явление цунами старо, как Океан. Рассказы очевидцев о страшных волнах, передававшиеся из уст в уста, со временем становились легендами, а примерно 2000-2500 лет назад появились и письменные свидетельства. Более 80 % цунами возникают на периферии Тихого океана. Первое научное описание явления дал Хосе де Акоста в 1586 в Лиме, Перу после мощного землетрясения, тогда цунами высотой 25 метров ворвалось на сушу на расстояние 10 км. В России воздействию цунами подвержены дальневосточные берега: Камчатка, Курильские и Командорские острова и, частично, Сахалин.

Физику этого крупномасштабного процесса я решил рассмотреть в своем реферате. Изучение процесса, правильный прогноз, своевременная информация о каждом предстоящем землетрясении может предотвратить трагические последствия, спасти жизни тысячам людей.

Если мы будем спускаться вглубь Земли, то сначала мы пройдём твёрдую наружную оболочку земного шара - литосферу (~100 км), а затем в астеносферу (мягкая), простирающуюся до 300 км. В настоящее время учёные считают, что литосфера представляет собой мозаику из отдельных тектонических плит больших и меньших размеров. В результате внутрипланетных процессов происходят сдвиги подземных пластов и плит, а также выбросы раскалённых газов и лавы на поверхность планеты. Всё это является причиной землетрясений и извержения вулканов. В том случае, если эти процессы происходят под дном океана, они являются причиной возникновения цунами.

1. Цунами - поперечные морские гравитационные волны

ЦУНАМИ - морские гравитационные волны очень большой длины, представляют собой поперечные волны, т. е. колебательные движения частиц воды относительно начального уровня происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Модель таких волн изображена на рисунке.

Движение частиц воды вдоль направления прохождения волн S похоже на движение веревки при смещении ее конца вверх-вниз. Хотя волна распространяется вдоль длины веревки, отдельные частицы веревки движутся только вверх и вниз перпендикулярно направлению распространения волны.

Основные характеристики любой волны - это: высота волны - расстояние по вертикали между гребнем и подошвой волны, длина волны - расстояние по горизонтали между смежными вершинами или подошвами волн, период - интервал времени между приходом двух соседних гребней.

Цунами сильно отличаются от обычных ветровых волн: длина волны цунами десятки и сотни километров (так получается просто потому, что сейсмические цунами рождаются от сдвигов участков коры протяженностью десятки-сотни км). В открытом океане цунами имеет высоту меньше метра, а значит при длине волны в десятки км цунами практически незаметно. Если при ветровых волнах реально колеблется только приповерхностный слой воды, то из-за цунами вода движется вперед-назад по всей толще океана, вплоть до дна.

2.      Физические причины цунами

Существует несколько причин возникновения волн цунами:

а) сейсмические (82%), б) вулканические (5%), в) оползневые (6%),  г) метеорологические (3%), д) крайне мало вероятны, цунами, вызванные падением метеоритов и астероидов, е) цунами, возникшие в результате подводного ядерного взрыва.

При землетрясении происходит сдвиг вверх или вниз протяжённых участков дна. В силу малой сжимаемости воды и быстроты процесса деформации участков дна опирающийся на них столб воды также смещается, не успевая растечься, в результате чего на поверхности океана образуется некоторое возвышение или понижение. Образовавшееся возмущение переходит в колебательные движения толщ воды - волны цунами. Пусть при землетрясении под водой образовалась вертикальная трещина, и часть дна опускается. Дно внезапно перестает поддерживать столб воды, лежащий над ним. Поверхность воды приходит в колебательное движение по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, - среднему уровню моря, - и порождает серию волн.

В глубоком океане масса такой потерявшей опору колонны воды огромна. Когда сброс дна прекращается, эта колонна находит себе новый, более низкий "пьедестал" и таким движением рождает волны с высотой, эквивалентной расстоянию, на которое переместилась эта колонна. Подвижка при землетрясениях имеет высоту обычно порядка 50 см, но по площади огромна - десятки квадратных километров. Поэтому возбуждаемые волны цунами имеют маленькую высоту и очень большую длину, эти волны несут колоссальный запас энергии.

Рис. 3

Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Цунами, порождающим катастрофическую волну, может быть лишь землетрясение с неглубоко расположенным очагом. Сила подземного толчка, конечно, важна, но, чтобы вызвать цунами, толчок должен произвести сброс участков морского дна.

Несколько упрощая, можно сказать так: если очаг землетрясения лежит неглубоко под дном океана (10-60 км), землетрясение обладает большой силой (более 7.8 по шкале Рихтера), то возникновение цунами почти совершенно неизбежно. Другим источником цунами может служить вулканическое извержение. Крупные подводные извержения обладают тем же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических извержениях образуются кальдеры, которые моментально заполняются водой, в результате возникает длинная и невысокая волна. Но колоссальное парообразование от вод, заполнивших раскаленную зону кратера, может привести к взрыву, и тогда возникает мощное цунами.

На рисунке показано возникновение кальдеры в результате обрушения глыбы земной коры в расположенную под ней магматическую камеру. Кальде́ра (исп. caldera - котёл) - циркообразная впадина с крутыми стенками и более или менее ровным дном, образовавшаяся вследствие провала вершины вулкана Классический пример - цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году. Огромные цунами от вулкана Кракатау наблюдались в гаванях всего мира и уничтожили в общей сложности 5000 кораблей, погибло 36 тысяч человек.

Причиной возникновения цунами может быть и оползень. Образуются при срыве больших масс осадочных пород на краю шельфа. Цунами такого типа возникают очень редко. В 1958 году в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйяк возник оползень. Масса льда и земных пород обрушились с высоты 900 метров. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высотой 530 м. Но подобного рода случаи бывают весьма редко. Породитель - вулканический или скальный оползень.

Во время извержения вулканы «растут». Они выносят из недр земли многие кубокилометры расплавленного камня, который застывает на их склонах, увеличивая от извержения к извержению размеры вулкана и уменьшая его стабильность. Ибо, чем выше башня, тем сложнее ее удерживать. Спустя некоторое время масса скальной породы «зашкаливает» за критическую цифру и отяжелевший склон, оторвавшись от горы, скатывается вниз. Каменная масса миллионы тонн ударяет по воде и гонит получившуюся волну далеко в океан.

В 1953 году искавшие на Аляске нефть геологи заметили, что в заливе Литуйя, прибрежные леса были как будто разделены одной аккуратной линией. От самого берега до этой линии росли только очень молодые деревья. Сразу за ней деревья были многократно старше. Этот феномен ученые могли объяснить только действием необычайно высокой, до нескольких сотен метров, рожденной в заливе волны. Их догадка подтвердилась 10 июля 1958 года, когда после более чем 7-балльного землетрясения в залив сползла часть прибрежной скалы. В результате на берег и его окрестности «набежала» волна высотой более 300 м. Гигантское цунами «зачистило» прибрежные горные леса на высоту до 524 м.

Метеорологические цунами происходят из-за резкого изменения атмосферного давления, или вызываются прохождением тайфуна.

В наш век атомной энергии у человека в руках появилось средство вызывать по своему произволу сотрясения, раньше доступные лишь природе. В 1946 году США произвели в морской лагуне глубиной 60 м подводный атомный взрыв с тротиловым эквивалентом 20 тыс. тонн. Возникшая при этом волна на расстоянии 300 м от взрыва поднялась на высоту 28.6 м.

Самое опасное из всех возможных - астероидное мегацунами -рождается при падении в воду крупных (от 100 м в поперечнике) космических объектов. Высота волны может достигать 7 км.

Происходит такой катаклизм раз в несколько миллионов лет. Волна при астероидном мегацунами идет по океану высоким валом. При этом скорость ее передвижения - до 943 км/ч. Такая «океанская гостья» способна «зачистить» берег на глубину до нескольких сотен километров. Просчитали, что если самый опасный для нашей планеты астероид 1950DA упадет в Атлантику в 579 км от восточного побережья США, то рожденная астероидом волна достигнет ближайшего берега через два часа, а высота ее при этом будет примерно 120 м. Упав в океан, «небесный гость» пробьет океан до дна, передавая образующейся волне почти всю свою энергию. К счастью, произойдет это не ранее 2880 года. Частота возникновения - раз в несколько миллионов лет.

3. Основные характеристики цунами

К ним относятся: магнитуда, интенсивность на конкретном побережье и скорость движения волны, длина волны.

Цунами классифицируют по магнитуде (магнитудная шкала для цунами предложена японскими учеными). Магнитуда цунами (m) определяется, по аналогии с магнитудой землетрясений, как логарифм амплитуды колебаний уровня воды (h), измеренных стандартным мареографом у береговой линии на расстоянии от 10 до 3 км от источника цунами.

Скорость распространения волны цунами определяется глубиной океана H и ускорением свободного падения g, обеспечивающая возвращающую силу при колебаниях частиц воды(цунами появляется за счет перетекания воды в поле тяжести). Других физических параметров, влияющих на скорость, нет. Формулу (формула Лагранжа): можно вывести с помощью размерного анализа: . Из такой формулы для скорости цунами вытекают два следствия:

1.      В глубоком океане (H = 4000 м) скорость распространения волны огромна: (720 км/ч). Такова примерно скорость реактивного самолёта! Когда волна выходит на мелководье (H = 10 м), то , т.е. скорость снижается до «автомобильной», (36 км/ч).

. В океане, вдали от берегов, высота цунами невелика (до двух метров с периодом от пяти до 90 минут), длина достигает сотен километров, поэтому они очень пологи и почти неощутимы для судов, находящихся в открытом море. Около берега на мелководье кинетическая энергия воды превращается в потенциальную, поэтому высота волн может достигать 10 м, а в неблагоприятных по рельефу участках (клинообразных бухтах, долинах рек и т.д.) - свыше 50 м. Так, максимальные заплески во время цунами 13.07.1993г. в Японском море на южном побережье о-ва Окушири (Япония) имели высоту до 32 м, заплески цунами 26.12.2004г. в Индийском океане на северном побережье о-ва Суматра превысили 35 м, а во время Аляскинского цунами 27.03.1964 г. на отдельных участках побережья Аляски наблюденные заплески превысили 60 м.

Поскольку цунами очень длинная волна, сильно приторможенная неровностями дна при подходе к берегу, она становится очень высокой, принимает асимметричную форму и опрокидывает свой гребень далеко вперёд. Во многих местах волны прошли до 2 км суши, а в некоторых (в частности, в прибрежном городе Банда-Ачех) - 4 км. Цунами, как и любая волна, может интерферировать. Если волна пришла в какое-то место сразу по нескольким путям (за счет преломления и отражения), то она накладывается сама на себя. В результате локально может наблюдаться как очень слабый(минимум), так и очень сильный всплеск(максимум).

Длина морской волны - расстояние по горизонтали между двумя вершинами или подошвами смежных волн. Длина волны может составлять от 150 до 300 м. Она сокращается по мере уменьшения глубины океана, так как скорость перемещения цунами становится меньше при подходе к берегу. Цунами, как и любая волна, может интерферировать. Если волна пришла в какое-то место сразу по нескольким путям (за счет преломления и отражения), то она накладывается сама на себя. В результате локально может наблюдаться как очень слабый(минимум), так и очень сильный всплеск(максимум).

Дифракция - это хорошо известное явление, особенно в оптике и акустике. Это явление огибания волнами препятствий. Именно такое движение позволяет волнам проходить через препятствия в гавани, так как энергия переносится поперечно по отношению к гребню волны, как показано на схеме.

Интенсивность цунами - характеристика энергетического воздействия цунами на берег, оцениваемая по условной шестибалльной шкале:

1 балл - очень слабое цунами. Волна отмечается (регистрируется) только мореографами.

2 балла - слабое цунами. Может затопить плоское побережье. Его замечают лишь специалисты.

3 балла - среднее цунами. Отмечается всеми. Плоское побережье затоплено, легкие суда могут быть выброшены на берег. Портовые сооружения подвергаются слабым разрушениям.

4 балла - сильное цунами. Побережье затоплено. Прибрежные постройки повреждены. Крупные парусные и небольшие моторные суда выброшены на сушу, а затем снова смыты в море. Берега засорены песком, илом. обломками камней, деревьев, мусора. Возможны человеческие жертвы.

5 баллов - очень сильное цунами. Приморские территории затоплены. Волноломы и молы сильно повреждены. Крупные суда выброшены на берег. Ущерб велик и во внутренних частях побережья. Здания и сооружения имеют разрушения разной степени сложности в зависимости от удаленности от берега. Все кругом усеяно обломками. В устьях рек высокие штормовые нагоны. Сильный шум воды. Имеются человеческие жертвы.

6 баллов - катастрофическое цунами. Полное опустошение побережья и приморских территорий. Суша затоплена на значительное расстояние вглубь от берега моря.

Интенсивность цунами зависит от скорости движения волны набега, от интенсивности породивших их землетрясений, расстояний от места возникновения до берега, протяженности очага цунами и первоначальной высоты волны, а также от особенностей рельефа дна на пути распространения волны и конфигурации береговой линии.

4. Поражающие факторы цунами

К поражающим факторам цунами относятся: ударная волна, размытие, затопление. Колоссальная кинетическая энергия волны позволяет цунами рушить практически все, что встречается на пути. Разрушения, вызываемые цунами, происходят в основном из-за удара волн, в результате затопления, размыва фундаментов зданий, мостов и дорог. Разрушения увеличиваются из-за плавающих обломков, лодок, машин, которые с силой ударяют в здания. Сильные течения, которые иногда наблюдаются во время цунами, вызывают дополнительные разрушения из-за того, что обрывают боны, срывают с якорей лодки и баржи. Дополнительные разрушения могут произвести пожары из-за разлива нефтепродуктов в результате цунами; могут также иметь место загрязнения в результате нарушений системы канализации и смыва химических веществ.

5. Системы предупреждения цунами

26 декабря 2004 года в восточной части Индийского океана прошло одно из самых разрушительных цунами за последнее столетие. Землетрясение вызвало цунами, которое практически одновременно обрушилось на острова Шри-Ланка, Пхуент, Суматра. Расстояние от эпицентра землетрясения до берегов Таиланда составляет 700 километров. До Индонезии - 1000. До Шри-Ланки - 1,5 тысячи. Скорость, с которой двигалось цунами, составляла примерно 750 километров в час. То есть у правительств большинства прибрежных стран было от 45 минут до полутора часов. Но это время использовано не было. Официальное число погибших на данный момент составляет около 170 тысяч человек. Огромное число жертв цунами красноречиво говорит о том, что население земли не готово к катастрофам такого масштаба, ни морально, ни технически.

Что же можно сделать в ближайшем будущем для защиты человека и различных хозяйственных объектов от вышеописанных природных катастроф? Человек давно заметил, что четким признаком цунами нередко служит отступление океана от берега - более сильное, чем при обычном отливе. И чем дальше уходит вода от берега, тем больше будет волна. На несколько минут, а то и на полчаса, смолкает шум прибоя. Однако надо помнить, что не все цунами начинаются необычного отлива, что зимой признаком приближения цунами может служить появление трещин в береговом льду, необычный дрейф льдин (например, в безветренную погоду. Одной волной цунами обычно не ограничивается, чаще всего их бывает от 3 до 10. Поэтому успокаиваться, после того как одна волна пройдет, нельзя: в течение еще полутора - двух часов опасность может снова возникнуть. Если же в продолжение полутора - двух часов после сильного землетрясения океан вообще больше не отступал от берега, и волны цунами не появлялись, значит, угроза миновала окончательно. Для кораблей и лодок во время цунами опасно стоять на якоре и находиться вблизи берега. Спасение для кораблей - в открытом море. Судам, находящимся в прибрежных водах или стоящим на якоре на открытом рейде, следует при угрозе цунами сразу же уйти в океан за 50-метровую отметку. Курс им следует держать перпендикулярно линии берега. На мой взгляд, сейчас существует три основных способа, позволяющих избежать описываемых несчастий. Это - переселение из сейсмоактивных и цунамиопасных районов, прогнозирование землетрясений и цунами, своевременное оповещение населения, устройство бетонированных заградительных дамб, лесонасаждений, заградительных валов из крупных камней, волноломов. Посмотрим, насколько это осуществимо. Первый способ отвергается самими жителями, ибо они тысячелетиями обживали свой район, благоустраивали, осваивали природные богатства и перспектива потерять все это представляется людям куда более удручающей, чем угроза встретиться с грозной стихией. Второй способ - прогноз землетрясений и цунами. Когда смертельная волна прошлась по островам и побережьям Индийского океана, многие говорили: «На дворе XXI век, неужели трудно было создать систему обнаружения цунами и оповещения?» Через год после катастрофы 2004 года пришла пора посмотреть - чем учёные и инженеры оснастили океан. Основным методом предсказания цунами является сейсмический, основанный на существовании разницы между скоростью распространения сейсмических волн в земной коре и скоростью распространения в океане волн цунами. Сейсмические волны достигают побережья в 50-80 раз быстрее, чем волны цунами.

Сейсмическая служба регистрирует землетрясение, определяет его параметры, цунамигенность и передает эту информацию оперативной службе Центра морской гидрометеорологии. Разработаны донные станции, регистрирующие уровень воды над ними, за счёт измерения давления. Их легко использовать для обнаружения бегущей в океане смертельной волны. Именно по колебанию уровня. Эти станции, лежащие порой на глубине 5 километров, будут снимать показания датчика давления каждые 15 минут и переходить на 15-секундный интервал измерений при обнаружении необычного сигнала. В случае прохождения волны цунами, станция направит информацию на буй, оснащённый дополнительной аппаратурой для измерения условий на поверхности океана. А он переправит сигнал на спутник. Соответствующие службы, получив сигнал со спутника, связываются с властями, те - с телевидением, радио и так далее. Кажется - это всё несложно организовать. Однако, 2004 год показал, что во многих местах такого взаимодействия не было налажено. Точнее, во многих странах система оповещения существовала, но до сих пор нации, чьи берега выходят на Индийский океан, не договорились - где будет единый центр, обрабатывающий и передающий информацию о цунами в рамках всего региона. Во многих местах единственной «защитой» от цунами служат такие плакаты: «При землетрясении бегите на возвышенности вглубь территории». А ведь единый центр мог бы существенно повысить точность и своевременность данных о состоянии океана.

Третий способ - во многих странах пытались строить молы и волноломы, дамбы и другие сооружения с целью ослабить силу воздействия цунами и уменьшить высоту волн. В Японии инженеры построили широкие набережные для зашиты портов и волноломы перед входами в гавани, чтобы сузить эти входы и отвести или уменьшить энергию мощных волн.

Но ни один тип защитных сооружений не смог предоставить стопроцентную защиту низко расположенных побережий. Фактически барьеры иногда могут только усилить разрушения, если волны цунами пробьют брешь в них, с силой бросая на дома и другие сооружения куски бетона, как снаряды. В некоторых случаях деревья могут предоставить защиту от волн цунами. Рощи деревьев сами по себе или в дополнение к береговым защитным сооружениям могут гасить энергию цунами и уменьшить высоту волн цунами.

Таким образом, защита населения от возможного появления цунами в настоящее время по существу сводится к своевременному оповещению и уходу населения из районов, где ожидается затопление, на более возвышенные места, но спасти от разрушения здания не представляется возможным. Существенным моментом системы предупреждения является своевременное распространение информации среди населения. Очень важно, чтобы население представляло, какую угрозу несёт с собой цунами. В Японии имеется множество образовательных программ по природным катастрофам, хотя жертв 11 марта 2011 г. было немало. В Индонезии население в основном не знакомо с цунами, что и стало основной причиной огромного количества жертв в 2004 году. Когда смотришь на то, как волна цунами опрокидывает кучи машин, словно они игрушечные - понимаешь, насколько человек слаб перед стихией.

цунами волна магнитуда землетрясение

Список используемой литературы:

1.         Мазур И.И., Иванов О.П. «Опасные природные процессы», Москва, изд. «Экономика» 2004г.

2.      Тарасов Л.В. «Физика в природе», Москва, изд. «Вербун - М» 2002г.

3.       http://sakhmeteo.ru/school/termins/tsunami.php

4.      http://waterwaves.amillo.net

5.       http://www.npacific.ru/np/library/encicl/23/0003.htm

.         news.bbc.co.uk

7.      http://www.membrana.ru/particle/496

.        http://cynami.com/