Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

Врезультате работ, выполненных в Государственном океано­ графическом институте (ГОИН) и Союзморниипроекте (СМНИИП) коллективом авторов, разработано Руководство по расчету пара­ метров ветровых волн (Л., Гидрометеоиздат, 1969), ответственные редакторы которого Б. X. Глуховский и Ю. М. Крылов.

Вэтом руководстве выводы спектральной теории волн в основ­

ном используются при расчетах элементов волн в условиях слож­ ной береговой черты. Здесь элементы волн существенно зависят от углового энергетического спектра — £(0], представляемого при-

2

веденным выше законом £( 0) = — cos20. Для практических расче-

я

тов оказалось удобнее пользоваться интегральной функцией угло­ вого распределения энергии

Численные зависимости параметров волнения от разгона и ско­ рости ветра получены эмпирическим путем в результате обработки

между параметрами волн и волнообразующими факторами в без­ размерной форме:

где безразмерное время действия ветра и разгон связаны уравне­ нием

(7.52)

w ’ ( w- )

Уравнение связи среднего периода т и средней высоты волны h имеет вид

На основе приведенных зависимостей построены специальные номограммы, позволяющие вести расчет элементов волн при задан­ ных значениях волнообразующих факторов как на глубоководных, так и мелководных акваториях.

267

§ 41. Волны от землетрясений (цунами). Внутренние волны

Волны от землетрясений (цунами). В современной океанографи­ ческой литературе цунами — общепризнанное название длинных морских волн, возникающих от сейсмических причин. Происхожде­ ние этого слова японское.

Цунами образуются в результате подводных землетрясений или

Цунами, возникающие от сильных землетрясений или изверже­ ний вулканов, вызывают большие бедствия для населения побере­ жий океана, и каждое цунами надолго остается в памяти народов, населяющих берега океана, подвергшиеся его воздействию. Не вы­ зывает удивления поэтому, что сведения о морских волнах — цу­ нами— сохранились с 479 г. до нашей эры. За весь этот промежу­ ток времени продолжительностью примерно 2500 лет было отме­ чено 355 цунами, из них 30 — вызванных деятельностью вулканов.

Географическое распространение этого явления полностью обу­ словлено зонами сейсмической и вулканической деятельности.

Из 355 наблюденных цунами 308 отмечено в Тихом океане, 26 —

Из приведенных данных следует, что основной район, где зарож­ даются цунами, — это сейсмический пояс разлома Тихого океана, к которому относится до 80% всех землетрясений, регистрируемых на земном шаре. Недаром эту зону Тихого океана называют «огнен­ ным кольцом».

Океанские участки земной коры в пределах этого пояса опуска­ ются, а края континентов поднимаются. Зона поднятия и опускания земной коры сосредоточена на довольно узком пространстве, что приводит к большим напряжениям в земной коре. Когда породы не выдерживают напряжений, происходит разрыв земной коры, что и вызывает землетрясение. Так как отрезок времени, в течение кото­ рого происходит разрыв, весьма мал, мощность землетрясения до­ стигает огромной величины.ДГакие землетрясения на дне океана посылают по направлению континентов длинные волны — цунами, достигающие у побережий гигантской высоты.

Более всего от цунами страдают побережья Камчатки, Японии, Курильские и Гавайские острова. Наиболее разрушительными из них являются те, которые образуются от землетрясений на скло­ нах глубоководных впадин.

На Гавайских островах ввиду большей удаленности от эпицент­ ров цунами разрушительное действие последних обычно бывает более слабым, чем на Японских островах. Однако и здесь бывают цунами большой разрушительной силы, которые приносят большой

268

вред населению островов и сопровождаются человеческими жерт­ вами.

На Курильских островах и Камчатке наиболее сильны цунами, образующиеся в результате землетрясении в Курило-Камчаткой впадине и продолжении ее у японских берегов.

Механизм формирования цунами тектонического происхожде­ ния наиболее подробно рассмотрен в работе Г. И. Попова (1961 г.).

По его мнению, возникновение сильнейших землетрясений яв­ ляется следствием образования разрывов на поверхности земной коры или под корой. При небольшой глубине очагов землетрясений разрывы доходят до поверхности, где образуются разломы. Прак­ тически мгновенные изменения (со скоростью звука) рельефа дна океана образуют местные изменения в объемах воды на значитель­ ных участках дна океана, что может служить одной из причин воз­ никновения цунами.

Однако не каждое землетрясение на дне океана формирует цу­ нами. Для объяснения этого явления Гутенберг выдвинул гипотезу о возникновении цунами вследствие образования огромных ополз­ ней при землетрясениях, вытесняющих огромные массы воды. Обос­ новывая свою гипотезу, Гутентберг указывает, что большая часть землетрясений образуется в океанических впадинах, на склонах ко­ торых возможно образование оползней.

Шепард отвергает это предположение, говоря, что есть много районов океана, где возможно образование оползней, но цунами там не образуются. Кроме того, скорость движения оползня недоста­ точна для образования цунами.

Саваренский, Святловский, Тищенко, Добровольский и Живаго предложили иную гипотезу, которая сводится к следующему: зем­ летрясения приводят к образованию разрывов земной коры, что вы­ зывает сбросы, взбросы, сдвиги и надвиги, приводящие к опусканию или поднятию значительных районов дна океана. В таких условиях в водной среде происходят практически мгновенные изменения объ­ ема и давления. Волны давления зарегистрированы акустическими приборами при некоторых землетрясениях. Эти причины и приводят к образованию волн сжатия и разрежения, формирующих на по­ верхности океана цунами.

Изложенные гипотезы в общем не противоречат одна другой, а скорее дополняют пробелы каждой из них.

Непосредственной причиной образования цунами являются из­ менения рельефа дна, происходящие в результате землетрясения: оползни, провалы, сбросы, поднятия и другие подобные явления, возникающиеся практически мгновенно на огромных участках дна океана. Это подтверждают и данные непосредственных измерений. Так, например, опускание дна во время землетрясения в Адриати­ ческом море достигало 400 м. При подводном землетрясении в Са­ гами (Япония) тщательные промеры установили в северной части поднятие на 230 м, а в южной опускание на 400 м. По расчетам Шулейкина, при поднятии дна было вытеснено около 22,5 км3 воды, сформировавшей цунами.

269

В бухте Литуя (Аляска) в воду с высоты около 900 м в резуль­ тате землетрясения обрушилось 300 млн. м3 породы. Ввиду относи­ тельной малости бухты (длина около 11 км, максимальная глубина 200 м) обвал вызвал всплеск воды высотой 520 м. Волна высотой до 60 м опустошила берега бухты.

При образовании цунами в момент возникновения провала на дне океана вода устремляется к центру образовавшейся впадины, заполняет ее, затем под действием инерционных сил переполняет, формируя невысокий, но громадный по объему холм воды на по­ верхности океана. Под действием тяжести эта выпуклость начинает совершать колебательные движения относительно уровня океана, соответствующего состоянию покоя, — образуется цунами.

При резком поднятии дна вначале образуется выпуклость, кото­ рая под действием сил тяжести приходит в колебательное движе­ ние, и таким образом возникает цунами.

В месте зарождения (на больших глубинах) цунами, образовав­ шееся в результате землетрясения, представляет собой поперечную волну ничтожно малой высоты, распространяющуюся со скоростью

c = jgH, которая не может быть, видимо, даже измерена с достаточ­ ной степенью достоверности, так как глубина океана велика, а при­ ращение (положительное или отрицательное) этой глубины в ре­ зультате цунами чрезвычайно мало, тем более что длина волны оп­ ределяется сотнями километров. Естественно, никакие суда, под килем которых эта волна проходит, не могут ее зарегистрировать или даже заметить.

Цунами при извержениях вулканов изучены меньше по сравне­ нию с цунами, образованными землетрясениями. По извержению вулкана Кракатау, которое непосредственно наблюдалось многими очевидцами, можно судить, что в отдельных случаях высота волн достигает громадной величины (40 м). В этом случае механизм фор­ мирования морских волн иной, так как силой, вызвавшей цунами, был подводный взрыв. С достаточной долей достоверности действие подводного вулканического взрыва можно отождествить с подвод­ ным атомным взрывом. Однако наряду с поперечными могут возни­ кать продольные волны (волны сжатия), которые создают до­ статочно резкие удары о днище корабля, подобные тем, которые испытывает корабль при посадке на мель. Этот эффект отмечается кораблями в момент нахождения вблизи эпицентра зарождения сейсмической волны.

Свидетельством воздействия продольных волн могут служить записи в вахтенных журналах об ударах о грунт в таких районах океана, где глубины достигают нескольких тысяч метров.

С удалением волн цунатяи от места их зарождения высота волн уменьшается, а длина увеличивается. Однако при подходе к берегу вследствие резкого изменения глубины, как следует из рассмотрен­ ного выше вопроса о поведении волн у побережья, происходит рез­ кое увеличение высоты при уменьшении длины волны. При этом, как отмечено, чем меньше крутизна волн (а цунами обладают весьма малой крутизной), тем интенсивнее нарастание высоты. Это и при­

270