Цунами.

ЮТ 1978, №12
«Цу-нами» - большая волна в гавани. Перевод с японского.

Катастрофа началась в третьем часу ночи сильным толчком. Он продолжался всего несколько секунд... Спустя 15 минут с моря послышался сильный шум. Казалось, что море устремилось на сушу. Со стороны косы, где находились постройки нерпичьего участка, раздался ужасный треск и грохот... На рассвете коса выглядела совершенно чистой, только в одном месте виднелась какая-то бесформенная груда...

Из дневника П. Новограбленова, первого советского наблюдателя за сейсмическими событиями на Камчатке, 1923 год.

Задолго до начала.

Далеко от тихоокеанских берегов, в Ленинграде, в здании Государственного гидрологического института ученые построили новый Усть-Камчатск. Конечно, ото была всего лишь модель города, но крупномасштабная. Во всех подробностях на ней воссозданы часть Камчатского залива, устье реки Камчатки, городские строения - целый район площадью свыше 4000 км2 разместился в небольшой лаборатории. Берег, морское дно модели изготовлены из бетона, а суша со всеми деталями рельефа местности - из пластилина. Весь берег ученые густо посыпали опилками. В воду опустили электрические провода. В довершение ко всему где-то под потолком стрекотала кинокамера.

Что это? Уж не игра ли? Тогда зачем еще под действием сжатого воздуха, словно мехи огромной гармошки, опускается или поднимается дно и в игрушечном Камчатском заливе поднимаются волны?

Ученые решили повторить катастрофу, случившуюся в. 1923 году. Тогда землетрясение, случившееся далеко в море, породило высокую волну, и она, выплеснувшись на берег, разрушила город.

Камчатка, Курильские и Японские острова, Сахалин, Аляска - даже из простого перечисления видно, чаще всего цунами появляются в Тихом океане. В акватории самого большого океана ежегодно пробуждаются десятки вулканов, происходят сильнейшие землетрясения и чаще всего под дном океана, где земная кора гораздо тоньше.

Если бы удалось обнажить дно Тихого океана, то можно было бы насчитать дев.;ть огромных зон, в которых постоянно возникают разломы или вспучивания земной коры. Рядом с Японией дно океана отличается, пожалуй, самым беспокойным нравом. На нем множество разломов длиной в сотни километров. Вдоль этих то заживающих, то вновь открывающихся «ран» постоянно сдвигаются или расходятся блоки земной коры. Больше всего разломов вдоль побережья. Но существуют еще и поперечные разломы. И там, где продольные и поперечные разломы на земной коре пересекаются, случаются особенно сильные подземные толчки. Оттуда следует ожидать и самые высокие цунами.

Вот и на модели сотни раз устраивали ученые набеги цунами на пластилиновые берега. По электрическим датчикам определяли колебания уровня «моря». Граница не смытых с берега опилок указывала, куда волна могла подняться, а киносъемка фиксировала скорость по-в«фхностных течений. Все это вместе помогло доподлинно восстановить картину катастрофы, описанной Новограбленовым. И не только восстановить, но и сделать важные заключения: промышленные и жилые здания расширяющегося города следует строить в тех местах, куда самая высокая волна не сможет подняться. Рекомендации ученых-гидрологов сейчас точно выполняются.

Но не каждое землетрясение вызывает цунами. Только тогда, когда участок морского дна - своеобразный гигантский поршень - поднимает или опускает находящийся над ним многокилометровый столб воды, на поверхности океана появляются волны. Такое явление можно сравнить с тем, что происходит, если из дна заполненной водой ванны можно было бы резко поднять или опустить пробку. На какое-то мгновение участок дна как бы исчезает. Опирающийся на него столб воды «проваливается», и на поверхности образуется яма. В океане высота такой ямы может достигать несколько сот метров, а высота столба воды несколько километров. Этот гигантский сброс столба жидкости и есть будущее цунами. При землетрясении блок земной коры может ударить и вверх. Тогда океанское дно вспучивается. Водяной столб поднимается над окружающей поверхностью, что также порождает высокую волну. Высота таких волн непосредственно над очагами землетрясений достигает нескольких сот метров. Но уже в нескольких сотнях километров от эпицентра ее пологий гребень редко превышает высоту 2 м. Вот почему судам в открытом море ничем не грозит встреча с высокой волной.

Совсем иное дело, когда судно попадает в шторм. Десятиметровые ветровые волны бросают его словно щепку. И вот что примечательно. Ветровые волны колебания поверхностного слоя океана. Глубже 30 м находится застойная зона. Там, по выражению известного океанолога Ж. И. Кусто, настоящий мир безмолвия. А вот цунами действительно оправдывает свое название высокой волны. Двухметровый горб - это всего лишь ее верхушка, основанием же своим волна опирается на океанское дно. Кстати, заметим: вес такой волны составляет не одну сотню миллионов тонн. А если учесть, что она не стоит на месте, а буквально летит по океану со скоростью пассажирского реактивного самолета, то энергия ее огромна. Подсчеты показали, чтобы получить искусственное цунами средней мощности, нужно на дне океана взорвать толовую шашку весом в миллиард тонн!

Если в открытом океане большая волна абсолютно безвредна, то по мере приближения к берегу нрав ее меняется. Из-за трения частиц воды о неровности дна скорость перемещения подошвы волны существенно уменьшается. У самого берега она растет в высоту, принимает неправильную форму и опрокидывает свой серповидный гребень далеко вперед. П. Новограбленов измерил высоту цунами, разрушившего Усть-Камчатск. Водяная стена поднялась тогда из моря выше восьмиэтажного дома! Высота цунами во многом зависит еще и от конфигурации берега. Если мы находимся на берегу залива с узким входом, нам нечего бояться. На преодоление узкого прохода волна затратит значительную часть своей энергии. Совершенно иное дело - это открытая, клинообразная бухта. Здесь волна по мере продвижения к вершине клина сокращается в длину, но увеличивается в высоту. По этой причине речные устья, вытянутые проливы наиболее опасные места.

Активно бороться с грозным природным явлением природы человечество не может. Пока приходится больше думать о защите, чем о борьбе. Ведь силе цунами невозможно противопоставить свою силу или рассчитывать на прочность берегозащитных сооружений. Даже самая совершенная и прочная дамба вряд ли выдержит натиск сотен миллионов кубометров воды. Вот почему, когда речь заходит о строительстве каких-либо сооружений на берегу, в лаборатории создается полная крупномасштабная копия. При таком моделировании легко имитируется разрушительная волна и изучаются выходы ее на сушу.

Но ученых интересует модель не только отдельного, хоть и протяженного участка береговой зоны. Вот если бы удалось создать точную модель акватории Тихого океана со всеми островами, берегами Азии и Америки? И такая модель не фантастика. Конечно, ее невозможно сделать из бетона и пластилина. Все геометрические размеры континентов, фронт движения волны, ее скорость и энергию, глубины океана в разных точках и многое другое можно ввести в память быстродействующей ЭВМ. И компьютер решит, где следует ждать наиболее высокую волну, в какое время. Такая работа уже была проделана для цунами, накрывшей японский порт Ниигату в І964 году, в Ленинградском гидрометеорологическом институте и в Стандфордском университете (США). Результаты вычислений по математическим моделям сравнили на прошедшем недавно симпозиуме по проблемам цунами в Гонолулу. Советские и американские математические модели почти совпали.

Это лишь частный случай активного сотрудничества двух стран. Более двадцати лет на тихоокеанских берегах СССР, Японии и США действует обширная сеть связанных между собой береговых станций. Ученые постоянно обмениваются информацией, ведут поиски более эффективных способов обнаружения большой волны, с тем чтобы как можно быстрее оповещать население прибрежных районов о надвигающейся опасности. Вот уже третий год подряд совершает рейсы по дальневосточным морям советское судно «Валерьян Урываев», с борта которого в океане устанавливаются новые советские научные приборы. Изучение грозного природного явления природы продолжается, и, как видите, в нескольких направлениях.

Перед вами разрез океана. Чуткие приборы установлены на берегу, на островах, надводных и подводных буйковых станциях. Одни ведут наблюдения за сейсмической деятельностью земной коры, по скорости распространения упругих колебаний устанавливают эпицентр землетрясения. Датчики колебания уровня океана отделяют волны цунами от ветровых н приливных, устанавливают появление первых больших волн. Лазерные дальномеры на спутниках не только фиксируют эпицентр, вспучивание или провал уровня океана в момент землетрясения, но и определяют направление и скорость перемещения цунами. Такую широкую сеть регистрирующих приборов предполагают установить в наиболее цунамиопасных точках Тихого океана.

На рисунке:

1. Береговые регистраторы волн цунами.
2. Донные регистраторы волн цунами.
3. Сейсмографы.
4. Буйковая радиопередающая станция с метеорологическими приборами.
5. Спутник с лазерным дальномером.
6. Притопленная под воду буйковая станция.
7. Буйковая радиопередающая станция.
8. Автоматический детектор волн цунами со струнным преобразователем.

ВНИМАНИЕ-ОПАСНОСТЬ!

В Дальневосточном гидрометеорологическом институте работает отдел цунами. Его задача - создать новую автоматизированную службу оповещения населения прибрежных зон о надвигающейся опасности. У берегов Камчатки, Курильской гряды и Сахалина, а также далеко в океане, непосредственно в зоне возможных землетрясений, ученые устанавливают множество приборов и датчиков.

В первую очередь чуткие приборы - сейсмографы - ведут наблюдения за сейсмической деятельностью Земли. Они улавливают упругие волны, по которым определяются координаты эпицентра в энергия подводного землетрясении. Если энергия велика, а эпицентр находится в районе, откуда чаще всего появляются высокие волны, то сигнал предупреждения по линиям проводной и радиосвязи передается на гидрометеорологические станции, ведущие наблюдение за уровнем моря. Получив сигнал, наблюдатели следят за показаниями самопишущих уровнемеров, пытаются зарегистрировать первые, обычно небольшие волны цунами. Но обнаружить их не так-то просто.

Ветровые волны накатываются на берег через каждые полминуты. Дважды в сутки уровень океана поднимается во время приливов. А вот волны цунами налетают на берег с интервалом 10-150 мин. Как же тогда отличить волну ветровую, приливную от цунами? В вертикально установленной трубе, сообщающейся с морем, плавает поплавок. Он поднимается или опускается и приводит в движение перо, записывающее на ленте колебания уровня.

Столб жидкости на глубине, скажем, 10 м создает давление, равное одной атмосфере. Но море редко бывает спокойным. Поэтому, если на определенной глубине установить манометр, по его показаниям можно судить о высоте волны. Ветровые и приливные волны, накладываясь одна на другую, как бы затушевывают первые, еще невысокие волны цунами. Выделить их с помощью поплавковых и гидростатических приборов очень трудно. В дополнение к ним установлен еще один прибор. Он получил название детектора волн цунами.

Познакомимся с его устройством (см. рис.). Металлическая гофрированная чашка 1 под действием гидростатического давления сжимается. Два капилляра разного диаметра 2 связывают полость чашки с двумя одинаковыми камерами 3, внутри которых установлены тоже гофрированные чашки, но меньшего размера. Их внутренние полости сообщаются с измерительной камерой 4, разделенной мембраной на две части. Внутренние полости трех чашек заполнены несжимаемой жидкостью. На мембране установлен датчик. Как реагирует детектор на колебания уровня моря? Приливные волны только дважды в сутки накатываются на берег. Медленно меняется уровень моря, следовательно, постепенно нарастает гидростатическое давление в том месте, где установлен прибор. Металлическая чашка постепенно сжимается, вытесняя часть жидкости практически без сопротивления по капиллярам во внутреннюю полость измерительной камеры. Давление с обеих сторон мембраны одинаковое, прибор молчит. Молчит прибор и тогда, когда на море обычные ветровые волны. Встречая в капиллярах значительное сопротивление, жидкость не успевает перетекать с достаточной скоростью. На мембрану и в этом случае действует постоянное давление.

Только при подходе волн цунами начинает сказываться эффект различного сопротивления капилляров. Капилляр большего диаметра создает меньшее сопротивление потоку жидкости, и давление с одной стороны мембраны становится больше, чем с другой. Мембрана прогибается, датчик автоматически включает на станции световую и звуковую сигнализацию.

Так работает береговая служба оповещения.

Однако ученые института стремятся повысить эффективность системы оповещения, выиграть у цунами какое-то время. Чуткие приборы выносятся как можно дальше от берега и кабелем или по радио связываются с береговыми станциями. Целая сеть станций уже оборудована на островах, на заякоренных поплавках - буях.

В сейсмически активных зонах на глубине 5-6 км устанавливаются автоматические сейсмографы и чувствительные детекторы волн цунами со струнными преобразователями. Действуют детекторы как камертоны, как струны рояля, натянутые на жесткой раме. Стоит только повернуть ключом колышек в любую сторону, как высота звучания струны изменяется. На этом же принципе устроен преобразователь. Между центром мембраны, на которую воздействует измеряемое гидростатическое давление, и корпусом прибора натянута тонкая стальная проволока - струна. Если океан спокоен, струна звучит на одной частоте. Но стоит только появиться волнам, как мембрана прогибается, натяжение струны уменьшается. Электронное устройство улавливает изменение высоты звучания и по проводу подает сигнал наверх, на буй.

Береговые, островные и буйковые станции - это еще не все, чем будет располагать автоматизированная служба. Для обнаружения волн цунами сейчас ведутся эксперименты с использованием лазера. Известно, что благодаря лазеру удалось с точностью до нескольких десятков сантиметров измерить расстояние от Земли до Луны. А почему бы не установить на спутнике лазерный дальномер для измерения колебаний уровня океана? Возможно, скоро появятся спутники, которые будут вести наблюдения за волнами цунами.

Кроме самого океана, о появлении высоких волн может рассказать... ионосфера. Когда под водой резко опускается или поднимается участок земной коры, вместе с водяным столбом опускается или поднимается столб атмосферного воздуха. В верхних слоях возникают акустические волны, которые искажают радиоволны, отражаемые от ионосферы. Поскольку акустические волны опережают скорость цунами на несколько часов, ученые считают, что и ионосферный метод будет использоваться в службе оповещения.

Информация со всех приборов и датчиков, установленных на океанском дне, буйковых станциях и берегу, будет поступать в единый центр института и направляться в ЭВМ. Машина проведет вычисление и выдаст рекомендацию: в каком районе следует ожидать наиболее высокую волну и как скоро. В этом районе сработает сигнализация - люди успеют перейти в безопасное место.

В. РОТОВ
Рисунки Б. МАНВЕЛИДЗЕ

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО...

...Источником цунами могут быть не только перемещения огромных земных блоков океанского дна. При извержении Кракатау летом 1883 года невиданной силы взрыв потряс землю. Остров-вулкан (его размеры были примерно 5 на 10 им) взлетел на воздух, и в воды Зондского пролива обрушились обломки породы объемом 20 км3. Они-то и вызвали гигантскую волну, которая, правда уже ослабленная, была зафиксирована на берегах Франции и Англии, то есть прошла Индийский океан, обогнула Африку и вышла в Атлантику.

...Атмосфера тоже может порождать цунами. Стоит атмосферному давлению где-нибудь над океаном понизиться всего на 1 мм, как уровень воды в этом районе повысится уже на 13 мм. А атмосферное давление падает порой на многие десятки миллиметров, как это случается во время тайфунов. На водной поверхности создается нечто напоминающее холм, который при резком смещении циклона мгновенно оседает и порождает волны.

...В июле 1958 года на берегу Аляски со склонов горы Фейруэзер сошла крупная лавина, содержащая массу льда, снега, грунта. Поднявшаяся вслед волна достигла более 500 м в высоту. Неудивительно, что она «с головой» накрыла близлежащий островок.

...Недавно волны цунами были обнаружены... на Луне. По мнению астрономов, многочисленные кольцеобразные горные структуры, окружающие большинство лунных кратеров диаметром 200 км, могут быть законсервированными волками цунами. Метеориты, падавшие на еще не остывшую поверхность Луны, пробивали ее тонкую затвердевшую оболочку. В образовавшееся отверстие из недр поднималась расплавленная порода. Как обычная жидкость, она образовывала волны, которые и застыли навечно.

...Тринадцать лет назад на острове Уруп, входящем в состав Курильской гряды, жило большое стадо каланов. После двух опустошительных набегов цунами прибрежное мелководье было засыпано камнями. Кормовой баланс животных был нарушен, и численность их резко сократилась. Но вот любопытная закономерность. Вскоре после цунами на том же острове был отмечен экологический взрыв. Урупсиое стадо не только быстро восстановилось, но и возросло. По мнению сахалинского зоолога Виктора Воронова, цунами и разрушают и создают. Гигантским плугом поднимает большая волна с глубин огромное количество питательных веществ. Волны перепахивают и удобряют прибрежный шельф. В таком питательном «бульоне» бурно развивается фито- и зоопланктон, растут косяки рыб. Поэтому калан и выбрал местом жительства остров, ежегодно подвергающийся атакам цунами.

...Расчетным и экспериментальным путем ученые пришли к выводу: волны цунами с удалением от эпицентра затухают пропорционально расстоянию, взятому примерно в степени 5/6. Колебания земной коры под океанским дном могут вызвать не одну а несколько волн. Какая же из них самая опасная - первая, вторая, третья? Оказывается, цунами чередуется в своем относительном росте по мере удаления от места, где оно возникло. Например, вблизи эпицентра вторая волна выше первой. Но чем дальше от источника, тем больший порядковый номер носит максимальная волна. ..Энергетическая характеристика землетрясения - магнитуда, измеряемая сейсмографом. Шкалу магиитуд предложил Чарлз Рихтер. Самое мощное землетрясение имеет магнитуду немногим меньше 9. Сейсмологи считают: если магнитуда по шкале Рихтера составляет 7 или более, то возникновение цунами почти совершенно неизбежно. Если меньше, то вероятность цунами близка к нулю.