Файл: Святловский, А. Е. Цунами не будет неожиданным.pdf

Так вот, японские исследователи С. Уноки и М. Накано приложили теорию о свойствах волн Коши—Пуас­ сона к событиям, случившимся в сентябре 1952 г. и со­ провождавшим страшный взрыв подводного вулкана на рифе Мёдзин (31° с. ш., 140° в. д.), в 300 км к югу от Токио. Оказалось, что предсказываемые теорией двух французских математиков параметры волн совпали

схарактеристикой цунами, возбужденного этим взрывом

иобрушившегося на японский островок Хатидзе, отстоя­ щий от источника колебаний на 130 км.

Надо сказать, что победа научной мысли здесь оказа­ лась в соседстве с человеческой трагедией: японское гидрографическое судно «Кайе-Мару-5», с борта которого велись наблюдения, погибло во время взрыва вулкана и никто из ученых и членов его экипажа пе вернулся домой. Судя по всему, извержение подняло над вулка­ ном воду в виде купола высотой примерно в 5 м и диа­ метром не менее 200 м, который, обрушившись, и погу­ бил смелых, но забывших об осторожности исследова­ телей.

В 1960-х гг. в нашей стране появились интересные математические работы Л. Н. Сретенского и А. С. Ставровского, в которых они, исходя из теории длинных волн, решали задачу о том, насколько высоко может «вырасти» цунами, движущееся вдольберега. В это вре­ мя ученые могли уже опираться на помощь электрон­ ных вычислительных машин. Введя данные в ЭВМ, ис­ следователи получили сведения, показывающие, как должна подниматься вода над береговой чертой при различных расстояниях от эпицентра взрыва до берега. Тогда-то вычисления и показали, что, как это ранее и предполагали некоторые исследователи, волны опаснее всего, если они движутся перпендикулярно тому под­ водному сбросу, который их вызвал. Многочислен­ ные наблюдения цунами на Гавайях, Курилах и Кам­ чатке полностью подтверждают эти теоретические рас­ четы.

46

Для гидрофизика цунами — неустановившаяся длин­ ная волна, образованная начальным поднятием в бас­ сейне, глубина которого меняется скачкообразно; ведь по мере ее движения через океан дно под ней то пря­ чется во многокилометровую бездну, то поднимается вы­

теорию распространения таких волн, причем он учиты­ вал воздействие на них кориолисовой силы.

Впрочем, это еще надо объяснить. Без малого пол­ тораста лет назад французский академик Гюстав Гаспар Кориолис, занимавшийся всю жизнь главным образом проблемами механики, заметил, что если тело движется прямолинейно, а вся система, в которой оно находится, одновременно еще и вращается, на него действует некая добавочная инерционная сила. Она вызывает отклонение

такого тела перпендикулярно направлению его прямо­ линейного движения.

Кориолис поставил бездну экспериментов; пока убедился, что возникающее движение всегда идет по равнодействующей двух этих сил — прямолинейной и перпендикулярной. В результате возникает движение по касательной. Ученый назвал эту загадочную силу «поворотной», а благодарные потомки дали ей имя ее первооткрывателя.

От механики, казалось бы, несколько неожиданно перейдем к проблемам военной тактики, тоже вроде бы весьма далеким от нашей темы. Всякому, кто форсиро­ вал реки под огнем противника, случалось сетовать, ес­ ли его берег низкий, а противнику «доставался» высо­ кий и крутой. Впрочем, опытные .солдаты п офицеры давно заметили странную закономерность: если река течет с севера на юг, то правый берег всегда оказывает­

47

а то и 1000 км — это едва ли не самые длинные волны в природе.

Поэтому-то моряки, находящиеся вдали от берега, не могут заметить этих пологих волн с малой крутиз­ ной переднего фронта, как не. замечает пешеход метро­ вого повышения уровня местности, «растянутого» на десятки километров его пути. Так и японские рыбаки из Санрику в 1896 г. не заметили убийственного цунами, прошедшего непосредственно под их суденышками в от­ крытом море, и узнали о несчастье, которое их постигло, лишь назавтра, вернувшись к родным берегам.

Схема, показывающая, через сколько часов пришла катастрофическая волна в тот или иной пункт Тихооке­ анского побережья после землетрясения у острова Кадь­ як (Алеутский архипелаг).

Все свое черное дело цунами вершит на" мелководье. Здесь, по мере уменьшения • глубины, его скорость уменьшается до каких-нибудь 30—-100 км/час. Зато рас­ тет из-за уменьшения глубин а увеличения трения

50

Когда выяснилась общая природа цунами, в общемто являющихся частным случаем особо длинных грави­ тационных морских волн, стало очевидно, что к ним применимо многое из уже существовавшей теории, опи­ сывающей поведение таких волн.

...Жозеф Луи Лагранж родился в 1736 г. в Турине и в 18 лет стал профессором тамошней артиллерийской школы. В 23 года он уже член Берлинской академии наук, а в тридцать — ее президент. Переехав в 1787 г. в Париж, он продолжает свои углубленные исследова­ ния в области математики, причем ухитряется сделать огромный вклад в теорию механики чисто умозритель­ ным и логическим путем, исходя из принципа всех воз­ можных перемещений (в его основополагающем тракта­ те «Аналитическая механика» нет ни одного чертежа, ни одной схемы!). Занимался он и вариационным исчис­ лением, и картографией, и астрономией; во время Вели­ кой французской революции принимал деятельнейшее участие в разработке и установлении метрической си­ стемы. Для нас же здесь важнее всего выведенные Лагранжем уравнения гидромеханики — формулы, описы­ вающие движения жидкости и характеризующие поток путем определения траекторий и скоростей его частиц.

Разработанная Лагранжей формула, «приказываю­ щая», как должны двигаться различные длинные волны, через много лет после его смерти оказалась вполне при­ ложимой к определению скорости цунами (С):

С = 360 h км/час,

где h — средняя глубина океана.

Интересно, что этой обратимой формулой пользуют­ ся и «навыворот»: зная скорость волн и время их про­ бега, рассчитывают среднюю глубину океана там, где прошли цунами. Конечно, такой расчет приблизителен, но океанологи и за это признательны: многочисленные

52

промеры, посылка десятков научно-исследовательских судов куда как хлопотны я накладны...

От закона сохранения энергии никуда не уйдешь; подвластны ему и могучие волны. Учитывая, как этот закон сказывается на всем энергетическом балансе цу­ нами, можно себе представить, как следует определять основные черты катастрофической волны — ее длину, высоту, скорость. Необходимо здесь принимать во вни­ мание и потерю энергии по пути к берегу из-за неиз­ бежного трения о дно, и многое другое.

Цунами потому становятся разрушительными имен­ но вблизи береговой линии, что являются глубокими волнами: они охватывают куда более мощный слой во­ ды, чем ветровые волны, развивающиеся лишь на по­ верхности моря и вблизи от нее. Цунами же влияют на «столб» воды, начиная от самого дна и до поверхности. При подходе цунами к берегу энергия волны приходит­ ся на все более тонкий слой воды. В результате колеба­ ния частиц воды возрастают, высота цунами увеличи­ вается.

Представьте себе бассейн типа большой сковороды — мелкий, но с довольно крутыми берегами. Теперь возь­ мите лопатку или весло и начните гнать им воду к бе­ регу. Чем глубже вы захватываете лопастью воду, тем, естественно, выше будут накатываться волны на бортик вашей «сковороды». То же и с цунами.

В открытом море, где дно лежит далеко внизу, дви­ жение идет легко. Но стоит волне переместиться на мелководье, туда, где ей приходится «карабкаться» вверх по склону дна, ей уже ничего иного не - остается, как тянуться ввысь. И чем круче подъем морского дна, тем выше «вздымает свою голову» цунами.

У побережья волна, приторможенная неровностями дна, принимает резко асимметричную форму и опроки­ дывает свой гребень далеко вперед, с силой тяжелого

53

Известно, что силы сопротивления прямо пропорцио­ нальны скорости движения частиц воды, А эта скорость, в свою очередь, пропорциональна высоте волны. Значит, чем мельче море, тем больше трение. В глубоководной области океана трение мало, и почти вся энергия, кото­ рую несет цунами, передается далекому от источника берегу. Так сильнее всех из цепочки бильярдных гна-

Гипотетический, но вполне реальный случай: землетрясе­ ние у северо-западных берегов США, на границе с Кана­ дой, порождает цунами. Оно пересекает северную часть Тихого океана. Цифры показывают, через сколько часов волна придет к тому или иному пункту.

ров отскакивает тот, который стоял на самом удаленном от точки удара месте.

Этот эффект делает цунами особенно гибельным для Гавайских островов — ведь они представляют собой горы среди огромных водных просторов и далекий подземный толчок, в какой бы части Тихого океана он ни случил­ ся, легко и почти без потерь переносит свою энергию на их берега.

Если волна идет на большое расстояние от далекого землетрясения, например, через весь почти Тихий океан, то необходимо учитывать даже и такой фактор, как

54