Теория катастроф

Содержание

 

 

Введение

Цунами относится к наиболее грозным стихийным бедствиям. Возникая обычно в результате сейсмотектонических подвижек дна в зоне сейсмического очага, волны цунами распространяются далеко от источника, нанося ущерб там, где само землетрясение не ощущалось. Эффект неожиданности атаки цунами является дополнительным фактором риска.

Можно привести трагический пример последней катастрофы 26 декабря 2004 г. в Индийском океане, в результате которой погибли более 300000 человек в Индонезии, Индии, Шри Ланке и др. странах. Время, прошедшее между моментом образования волны в океане и приходом цунами на побережье, было достаточным (от 20 мин до 2 ч), чтобы вовремя вывести население из вероятной зоны поражения, но отсутствие службы предупреждения в этом регионе не позволило организовать своевременную эвакуацию.

Цель данной работы – изучить механизм природного явления цунами, его критерии и диагностику.

Реализация поставленной цели предусматривает рассмотрение следующих вопросов:

• механизм  цунами;
• критерии и диагностика цунами.

 

 

1. Механизм цунами

Цунами вызываются тектоническими землетрясениями под дном морей и океанов. Поэтому, прежде чем выяснять механизм формирования цунами, необходимо рассмотреть причину и механизм возникновения землетрясений.

О них известно следующее. Место, где происходит землетрясение, называется гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность каменной оболочки именуется эпицентром. Именно там происходят наибольшие разрушения. Это – эпицентральная область. На поверхности литосферы форма ее овальная. Размер зависит от магнитуды землетрясения: при магнитуде 5 баллов по шкале Рихтера длина овала достигает 11 км, ширина – 6 км. При катастрофических землетрясениях (магнитуда 8) эти цифры соответственно возрастают до 200 и 50 км.

От гипоцентра распространяются продольные и поперечные сейсмические волны. Продольными называются дислокации типа расширения и сжатия. Скорость их распространения почти в два раза больше поперечных дислокаций типа сдвигов с образованием микропустот.

Если соединить границы эпицентральной области с гипоцентром, получим тело, испытавшее сотрясение при землетрясении. Им будет конус (рисунок 1), что естественно при сферической форме Земли. Тектонических (литосферных) плит (прямоугольных параллелепипедов) на земном шаре теоретически быть не может (рисунок 2).

 

 

Рисунок 1 - Конус, объемное тело, сотрясающееся при землетрясении. 
 
 

 
Рисунок 2 - Так бы располагались тихоокеанская и евроазиатская плиты на земном шаре

 

Такая плита коснулась бы поверхности планеты в одной точке, столкнулись бы две плиты высоко в воздухе. Литосферные плиты получаются при перемещении материков на географической карте, или по горизонтальной плоскости. Тем самым, неосознанно форма нашей планеты принимается плоской, как думали люди в древности, но Земля другая – шар.

Конус может погружаться в пустоту. Раз пустот на глубинах десятков и первых сотен километров нет, значит, они возникают и сразу же заполняются конусами. Причина формирования конусов в гравитационном поле Земли, обязывающим все тела на ее поверхности занять как можно более близкое положение к центру планеты, что ведет к сокращению объема каменной оболочки. Масса же ее не меняется. Следовательно, увеличивается плотность глубинного вещества. Вещество большей плотности занимает меньший объем от предыдущего с возникновением пустоты, в которую мгновенно проваливается конус вышележащих пород. Происходит землетрясение. Последующее полное заполнение возникшего свободного пространства фиксируется серий афтершоков с постепенным ослаблением сотрясений [1].

Итак, сейсмичность вызвана наличием гравитационного поля, сокращающего объем каменной оболочки земного шара, что увеличивает плотность глубинного вещества с образованием пустот, в которые мгновенно проваливаются конусы вышележащего вещества литосферы, что и фиксируется землетрясением. Это реальный мир нашей планеты. Людям необходимо принимать его таким, какой он есть, понимать, что тектонические землетрясения – обычные явления на Земле, происходящие постоянно и повсеместно. Предотвратить их нельзя.

Подготовка к увеличению плотности глубинного вещества идет длительное время: сотни и тысячи лет. Для земного шара с его временем существования миллиарды лет это ничтожно малые промежутки времени, а для человека – огромные, потому что миры времени Земли и человека различны. Отличен и мир пространства. При опускании конусов на поверхности литосферы возникают понижения, в которые сносятся глины, пески, накапливающиеся в виде слоев. В верхней части литосферы нет места, где бы не было слоев. Следовательно, везде и постоянно на Земле происходят землетрясения разных магнитуд, потому что объем ее каменной части постоянно уменьшается.

Переход вещества в более плотную модификацию, например, кварца – SiO2 с плотностью 2,65 г/см3 в коусит того же химического состава, но с плотностью 2,91 г/см3, сопровождается поглощением энергии в 1,2 ккал/моль. Следовательно, для начала землетрясения энергия из глубинного вещества не выделяется, а поглощается им. Разрушения вызываются продольными и поперечными сейсмическими волнами, формирующимися при проваливании конуса вещества.

Механизм образования таких волн достаточно хорошо изучен при плоском моделировании корабельного волнообразования: взаимодействия корпуса корабля с водной средой [4].

При равномерном и прямолинейном движении модели судна по спокойной воде при (л/L) = 0,5; V = 13 узлов за кормой отчетливо просматривается система поперечных корабельных волн, ограниченная треугольником свободно расходящихся волн. Если в непосредственной близости от корпуса такое разделение корабельных волн на поперечные и расходящиеся весьма условно, то оно вполне справедливо при рассмотрении особенностей распространения волн на большом удалении от корпуса. Там поперечные волны ведут себя как вынужденные, а расходящиеся – как свободные, с ярким проявлением особенностей их групповой структуры. В расходящихся волнах отмечается чередование повышений уровней свободной поверхности с понижениями их.

Вне зависимости от формы корпуса за кормой корабля образуется регулярная система поперечных корабельных волн, длина и период которых строго связан со скоростью хода корабля: lw = V02 x 2p/g; фw = V0•2 p/g.

Расходящиеся от корпуса свободные волны обладают как ярко выраженными дисперсионными свойствами (увеличение длины и периода волны при ее свободном распространении), так и групповыми свойствами (скорость распространения волнового возмущения в два раза меньше скорости движения фронта каждой из волн, образующих волновой пакет). К расходящейся корабельной волне неприменимы методы интерференционного анализа. Единственный способ понижения большей части энергии расходящейся волны в построении таких обводов корпуса, которые способствовали бы ее гашению непосредственно в момент зарождения. В морском деле это достигается «закручиванием» набегающего потока под днищем корпуса в тот момент, когда вихрь зарождающейся волны начинает отрываться от корпуса.

Поперечные волны ответственны за килевую (вертикальную) качку корпуса корабля, а расходящиеся – за бортовую (горизонтальную). Угол расхождения пакетов свободных расходящихся волн составляет 20°42'.

Если перейти с плоскостной модели волнообразования на объемную, а двигающееся тело определить конусом, то при погружении конуса должны генерироваться расходящиеся (продольные) волны, распространяющиеся вдоль стенок конуса в виде пакетов волн растяжения и сжатия вещества. На поверхности литосферы по границам проваливающегося овального блока продольные волны будут фиксироваться овальной структурой из множества высокочастотных вихрей, генерирующих волны цунами. Поэтому в момент формирования область волн цунами представляет собой овальное поле, быстро расширяющееся во все стороны. На выходе на дневную поверхность по границам опустившегося овального блока продольные волны вызывают горизонтальные сотрясения.

Конечно, нелинейный характер процессов волнообразования, неоднородность по простиранию и вертикали вещества проваливающегося конуса вызовут значительные отклонения от общей изложенной схемы, но общие черты закономерности сохранятся.

Поперечные волны на поверхности внутренней части опустившегося овального тела ответственны за вертикальные перемещения вещества литосферы, образуя трещины овальной формы, местных опустившихся блоков.

Таким образом, цунами – морские гравитационные волны, формирующиеся по границам провалившегося при землетрясении конуса вышележащего вещества литосферы [2]. Генерируются они высокочастотными вихрями продольных волн морском дне. Поэтому, первоначальное поле волн цунами представляет собой овальную область, быстро расширяющуюся во все стороны. Распространение продольных волн пакетами сжатия и расширения вещества вызывает образование нескольких разрушительных цунами с постепенным ослаблением их энергии.

 

 

2. Критерии и диагностика цунами

 

Служба предупреждения о цунами на дальневосточном побережье России была создана в 50-х годах после катастрофы 1952 года, когда волнами цунами был практически уничтожен поселок Южно-Курильск на о. Парамушир. Так как 90% цунами зарождаются от подводных землетрясений, в основу СПЦ заложен сейсмический метод, основанный на разнице на порядок скоростей сейсмических волн в твердом теле Земли и гравитационных волн цунами на акватории. Скорость распространения цунами зависит от глубины акватории.

  Основанием для принятия  решения от объявлении цунами  в СПЦ является магнитудно-географический  критерий, то есть тревога цунами  подается в любом случае при фиксировании факта возникновения землетрясения в заранее определенном районе океана или моря (цунамигенная зона) с магнитудой выше принятой пороговой. Этот порядок принятия решения о возможности возникновения цунами позволяет получить достаточную для большинства угрожаемых районов заблаговременность, но приводит к большому количеству ложных тревог из-за недостаточного количества оперативно определяемых параметров землетрясения по одной станции.

  С 1998 года СПЦ России включена  в качестве функциональной подсистема "Предупреждения о цунами" в "Единую государственную систему предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (ФЦ РСЧС - ЦУНАМИ) ФЦ РСЧС-ЦУНАМИ" является организационно-технической системой и базируется на существующей структуре Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Геофизической службы Российской академии наук, Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийным бедствий (МЧС России), Государственного комитета Российской Федерации по связи и информации (Госкомсвязи России), администрации субъектов Российской Федерации Дальневосточного региона.

  ФП РСЧС-ЦУНАМИ предназначена для предупреждения населения, органов исполнительной власти и соответствующих органов управления, организаций и учреждений об угрозе в целях обеспечения безопасности населения и хозяйственной деятельности в прибрежных районах и уменьшения возможного ущерба от цунами.

  Основными задачами ФП РСЧС-ЦУНАМИ являются:

  - непрерывное наблюдение за  сейсмической обстановкой в Тихом  океане и Дальневосточных морях, обнаружение землетрясений и  своевременно оперативное прогнозирование  возникновение цунами;

  - незамедлительное оповещение  организаций, задействованных в ФП РСЧС-ЦУНАМИ, о времени, месте и магнитуде землетрясений в любом районе океана, достигающих пороговых значений;

  - непрерывное наблюдение за  уровнем моря для регистрации  волн цунами;

расчет характеристик и степени опасности цунами для пунктов побережья России;

  - своевременное предупреждение  органов государственного и местного  управления, предприятий, организаций  и населения об угрозе и  степени опасности цунами и  оповещение об отмене угрозы  цунами;

  - поддержание необходимого уровня технического оснащения элементов подсистемы, обеспечивающего своевременное получение достоверной информации о цунами, ее обработку, передачу и оповещение населения;

  - цунами районирование территорий и выдача заинтерисованным органам управления, предприятиям рекомендаций о безопасной деятельности в прибрежной зоне на цунамиопасных территориях;

  - обучение и подготовка населения  к действиям при чрезвычайных  ситуациях, вызванных цунами;

осуществление взаимодействия с зарубежными службами предупреждения о цунами в Тихоокеанском регионе.

ФЦ РСЧС ЦУНАМИ функционируют на 3-х уровнях: федеральном, территориальном, местном.

Организационную структуру ФЦ РСЧС-ЦУНАМИ образуют:

Росгидромет, МЧС России, администрация краев и областей, Геофизическая служба Российской академии наук, Госкомсвязь России.

Росгидромет обеспечивает [3]:

  - наблюдения за прохождением  цунами по данным изменения  уровня моря;

  - своевременное доведение сигналов  и сообщений в соответствии  со схемами передачи предупреждений  о цунами;

  - оперативное взаимодействие с зарубежными службами предупреждения о цунами Тихоокеанского региона;

  - распространение среди населения  прибрежных районов Дальнего  Востока России знаний о цунами;