Материал: 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).