Орбитальный мониторинг цунами. Часть 1 | Блог о природе

Орбитальный мониторинг цунами. Часть 1

0

Цунами

Введение

Цунами случаются не так часто, как землетрясения, но ущерб, наносимый ими, такого же порядка, что и ущерб от землетрясений. Это потому, что цунами сокрушают берега океанов (иногда и внутренних морей), где плотность населения и различных коммуникаций наибольшая. Особенно велики были потери от цунами на берегах Индийского океана в декабре 2004 г.

В связи с этим в очередной раз встал вопрос: как можно защититься от землетрясений, от цунами? Если не полностью избежать ущерба от этих грозных явлений, то хотя бы уменьшить его. Действительно, от зарождения цунами в окрестностях эпицентра подводного землетрясения до прихода волны цунами к берегу проходят десятки минут, и даже часы. За это время вполне можно вывести людей из опасной зоны. Если иметь надежную систему предупреждения …

В настоящее время во всем мире разрабатываются методы, создаются и даже работают системы предупреждения о цунами, землетрясениях, но их эффективность оставляет желать лучшего. Цель настоящей работы – показать, как можно существенно уменьшить ущерб от цунами и землетрясений, причем экономически эффективно. Показан один из вариантов, как именно можно это сделать.

Природа цунами

Для того, чтобы бороться с цунами, надо знать, как оно работает.

Известно, что цунами – это длинные (в направлении распространения) поверхностные гравитационные волны (волны на поверхности воды, движущиеся под действием сил тяжести), распространяющиеся по поверхности открытого океана со скоростью 700 – 900 км/час. Волна цунами в открытом море имеет высоту порядка всего лишь одного метра, или даже десятков сантиметров. Но когда эта очень длинная, казалось бы, безобидная волна накатывается на пологое мелководье, скорость ее продвижения падает, а высота возрастает в десятки раз – до десятков метров. Это и есть цунами. Существенное изменение параметров волны цунами в зависимости от глубины океана говорит о том, что цунами является не просто поверхностной водной. Ведь если бы она была чисто поверхностной, то на ее высоте и скорости распространения рельеф дна океана начинал бы сказываться лишь тогда, когда глубина океана уменьшилась бы до единиц метров. Из наблюдений же следует, что волна цунами «чувствует» изменение глубин океана в пределах километров. Откуда и следует вывод, что цунами имеет более сложную природу, чем просто поверхностная волна с чисто вертикальным смещением водных масс.

Длина волны в открытом море в направлении ее распространения составляет десятки километров, а ширина (вдоль фронта волны) – сотни и даже тысячи километров. Эти параметры волн цунами измерялись, оценивались различными методами. В частности, во время цунами 26.12.2004 (через 2 часа после землетрясения) над Индийским океаном пролетал спутник (введенный в эксплуатацию еще в 1992 г ), который производил съемку профиля поверхности океана непосредственно вертикально под спутником. Траектория спутника пересекла и волну цунами. Из приведенного в ссылке профиля поверхности океана с движущейся волной цунами видно, что ее высота в открытом океане порядка 1м, длина волны порядка 50 – 100 километров. О ширине фронта волны судим по последствиям. Так что, даже учитывая лишь отклонение водной поверхности от стандартной (и не учитывая некоторое движение всей океанической толщи), получаем, что по поверхности океана движутся огромные массы воды объемом в кубические километры:

V = 1м * 50 000 м * 100 000 м = 5 км3 на фронте в 100 км.

Профиль волны в открытом океане движется со скоростью 200 – 250 м/сек. Но вода, составляющая эту пологую волну, движется с невысокой скоростью, так что пассажиры корабля, поднявшегося на волне цунами в открытом море, даже не заметят ее.

Как возникает волна цунами, что является ее первопричиной? Имеется несколько возможных вариантов: Подводные взрывы, извержения подводных вулканов, оползни (и чисто подводные, и спускающиеся в воду с суши), подводные землетрясения, а также землетрясения на суше вблизи океанов и морей. Попытаемся рассмотреть эти варианты. Можно даже изготовить примитивную модель цунами. Скажем, прикрепить к днищу резиновой лодки планки, налить на днище воды, и двигать эти планки для имитации движений океанического дна во время цунами – генных землетрясений.

Изобразим на рисунке варианты возможных первопричин, генерирующих цунами, и оценим возможности этих причин в качестве генераторов цунами.

Возникновение цунами

Сравнивая объемы воды, которые могут быть приведены в движение той или иной предполагаемой причиной, мы должны будем прийти к выводу, что обычные и даже ядерные подводные взрывы не могут вызвать сколько-нибудь значительного цунами. То же самое можно сказать и о чисто подводном оползне: какой-то объем пород, смещаясь наклонно вниз, вытесняет воду. Но вытесненная вода перемещается на место сместившейся породы. Так что далеко идущие волны вряд ли возникнут. При сползании больших объемов породы с суши в воду локальные цунами возможны и иногда бывают. Но не на весь океан.

При извержении подводного вулкана также вряд ли возможно образование мощного цунами. Пример извержения Кракатау (когда от цунами погибло около 36 000 человек) не является доказательством цунамигенности извержений вулканов, поскольку во время извержения Кракатау под воду опустилось несколько близлежащих островов. Опускание островов говорит о том, что при извержении Кракатау опустилась часть земной коры. И, скорее всего, именно это быстрое опускание одного участка коры и поднятие другого было причиной цунами при извержении Кракатау. Подсчитаем возможную скорость вытеснения воды продуктами извержения вулкана. Пусть сечение жерла вулкана 100 м * 100 м. И пусть скорость истечения вещества из жерла подводного вулкана порядка 400 м/сек. Даже при таких фантастических характеристиках за 10 секунд будет извержено всего лишь 0.04 км3 материала. Понятно, что такие темпы извержения не могут сгенерировать волну цунами с приведенными выше объемами. Но, на самом деле, скорость вытеснения воды из окрестностей вулкана будет гораздо меньше даже такой сравнительно (с объемом волны цунами) небольшой скорости поступления вещества из вулкана. Это потому, что выделенный вулканом объем лавы был выдавлен из объема под вулканом, поэтому кора в окрестностях вулкана должна будет просесть примерно на объем выдавленного из вулкана вещества. Это верно для случая извержения лавы, а не газа.

Если же извергается газ с плотностью, скажем, в пятьдесят раз меньшей плотности окружающего вещества, то окрестности просядут на (1/50) * 0.04 км3 , а газ выйдет из воды. Так что большого цунами тоже не получится. Если же будет иметь место не просто бурное выделение, а газовый взрыв вулкана, то, учитывая соотношение давлений газа до взрыва и после, мы придем к выводу, что при глубоководном извержении объем газа при выходе из вулкана никак не может увеличиться, более, чем в три раза (P*V = R*T). Это в атмосфере, где давление мало, газ может сильно расшириться. А на дне океана при огромных давлениях воды (мало отличающегося от давления в жерле подводного вулкана) большого увеличения объема газа, выделившегося из подводного вулкана, не будет.

Так что возникновение цунами в результате извержения подводного вулкана маловероятно. И претендентами на роль генераторов глобальных цунами остаются только землетрясения. Да и то далеко не все. Возможные варианты деформации коры океанического дна при землетрясениях изображены на рисунке 1 ( д ? л, н ).

Но, в данном случае нас интересует не столько проникновение в тонкости явления возникновения цунами, сколько практический вопрос раннего обнаружения цунами с целью уменьшения потерь. Ситуация здесь представляется аналогичной той, когда нас мало интересует природа пробоя электрического кабеля в то время, как по причине этого самого пробоя мы застряли в лифте. А ведь в вопросе своевременного надежного обнаружения цунами речь идет не о сохранении спокойствия, а о возможности спасения десятков тысяч человеческих жизней и огромных материальных ценностей ежегодно (если в одном году обходится без потерь, так в другом теряется 300 000 жизней). Поэтому наше предложение, прежде всего, заключается в надежном оперативном обнаружении цунами – в первые же секунды его распространения по океану. При этом останется достаточно времени на спасение всех людей на цунами опасном побережье, и даже части их движимого имущества.

Постановка задачи

Сегодня уже существуют системы предупреждения о распространении цунами. В них главную роль играют показания придонных датчиков давления в сейсмоопасных районах морского дна, а также оперативные данные сейсмологических станций о землетрясениях, только что произошедших под морским дном. Датчики давления заранее размещаются вблизи эпицентров предполагаемых землетрясений

Почему мы предлагаем какую-то неизвестную систему раннего обнаружения цунами, если системы обнаружения цунами уже имеются и достаточно успешно работают? Оказывается, существующие системы работают не так уж и хорошо.

С одной стороны, они достаточно дороги. Требуют предварительного размещения достаточно сложного и дорогого оборудования – измерительной и передающей аппаратуры – во всех сейсмически опасных точках мирового океана (и Средиземного моря).

С другой стороны, даже при большом количестве измерительных датчиков в сейсмоопасных зонах хотя и редко, но случаются пропуски (необнаружение) волн цунами на участках, еще не оборудованных датчиками. К тому же, существующие системы обнаружения цунами довольно часто поднимают ложные тревоги, приносящие изрядные экономические потери. Это происходит потому, что датчики расположены непосредственно в сейсмоопасных зонах, за тысячи километров от ложно предупреждаемых побережий. И хотя датчики в сейсмоопасных районах правильно показывают прохождение над ними волны (показывают соответствующее увеличение давление воды на дне), а сейсмографы фиксируют сейсмические события на дне океана, этих данных оказывается недостаточно для корректного решения задачи о распространении волн цунами. В результате и выдаются ложные предупреждения. Ложных срабатываний довольно много (2/3 от общего количества тревог, а по некоторым данным до 75% ). Так получается потому, что далеко не все землетрясения порождают цунами. Как, например, землетрясение с горизонтальным сдвигом плит океанического дна навстречу друг другу по касательной (рис 1ж)). Или при точечном землетрясении (с малой эпицентральной зоной), когда энергия круговой волны на поверхности океана, приходящаяся на единицу длины фронта волны, быстро уменьшается. Несколько быстрее, чем обратно пропорционально расстоянию, поскольку полная энергия по всему круговому фронту волны по мере ее продвижения не увеличивается, хотя ширина фронта волны увеличивается пропорционально удалению от места зарождения цунами.

Конечно, для уменьшения количества ложных срабатываний существующих систем предупреждения о цунами есть еще ресурсы – можно увеличить количество датчиков. Кроме того, есть некоторый запас времени для полного обсчета землетрясения по данным с нескольких сейсмических станций. Но такой расчет все равно даже при наличии хорошей теории не может дать точного прогноза движения волны цунами, поскольку нужно еще учесть рельеф дна океана. Да и ошибки измерений проявляются. Так что увеличение надежности работы уже существующих систем обнаружения цунами без кардинального изменения методов, лежащих в основе этих систем, представляется мало перспективным.

Почему это происходит? Почему трудно или даже невозможно предвидеть поведение волны цунами за тысячи километров от сейсмического очага? Для того, чтобы предвидеть, вычислять поведение цунами на всем ее пути, следует в совершенстве знать механизм возникновения и распространения волн цунами после землетрясения на морском дне и иметь безошибочный рецепт предвычисления поведения волны цунами по начальным данным – по показаниям датчиков давления, по характеру движения океанической коры во время землетрясения, породившего цунами. Необходимо знать начальный фронт волны и рельеф океанического дна на всем пути волны.

Что мешает дать правильный прогноз поведения цунами? Это:

Недостаток данных по всему пути следования волны.

Невозможность быстрого расчета поведения волны на всем пути ее следования.

Но даже при полной информации о рельефе дна и начальном фронте волны (который, кстати, нельзя получить от работающих сегодня систем – нужно иметь слишком много датчиков) задача слишком сложна. Она не может (исходя из начальных данных, полученных в зоне возникновения цунами) быть корректно решена не только за время, оставшееся до прихода волны к побережью, но и вообще.

Гораздо более точной и надежной представляется такая система, в которой распространение волны цунами (начиная от самого ее зарождения и до прихода к побережью) наблюдается непосредственно, путем непрерывного сканирования поверхности океана с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Результаты измерения (сканирования) можно обрабатывать автоматически. Кроме того, картину распространения цунами (подобную) может наблюдать оператор на экране монитора, где визуализируются результаты сканирования рельефа океана. При этом картина на мониторе будет отражать реальное текущее состояние поверхности океана в темпе сканирования его поверхности, а не через несколько часов после события.

Поэтому мы и предлагаем метод предупреждения о цунами, основывающийся на прямом непосредственном измерении параметров распространяющейся волны цунами, а не на многоступенчатых вычислениях – на нескольких опосредующих звеньях цепочки интерпретаций информации от придонных датчиков давления воды и регистраторов сейсмических волн. Для этого мы предлагаем делать с необходимой частотой снимки рельефа высот поверхности океана. И сравнивать в реальном времени измеренные уровни океана со стандартным (=стационарный уровень (=геоид) + приливные вариации). При обнаружении опасных волн поднимать тревогу. И продолжать наблюдение за движением волны. Может быть, обнаруженная волна и не докатится до побережья. В этом случае предварительную тревогу (готовность к эвакуации) можно и отменить. А измерять рельеф уровня океана следует с высоты ИСЗ на орбите. Для мониторинга всей акватории мирового океана нужно иметь целую систему таких специальных ИСЗ.

Но возможно ли это? Для ответа на этот вопрос рассмотрим рисунок 2.

Схема цунами

Слева изображен уголковый отражатель. О нем мы поговорим несколько позже.

Волна цунами имеет следующие характеристики:

Высота h = 30 ? 100 см.

Длина волны ? = 50 ? 100км (вдоль направления распространения, перпендикулярно фронту волны).

Ширина волны (вдоль фронта) – сотни и тысячи километров.

Скорость распространения волны V = 200 ? 250 м/сек.

Характеристики цунами приводятся во многих справочниках. Их можно взять также из результатов прямого измерения, проведенного неспециализированным ИСЗ именно в момент распространения по Индийскому океану волны цунами 2004 г.

На примере профиля поверхности океана, полученного этим неспециализированным спутником, видно, что мониторинг цунами с орбиты ИСЗ технически вполне возможен.

Но не так все просто. Действительно, достаточно легко измерять высоту поверхности океана непосредственно под ИСЗ, где поверхность океана перпендикулярна направлению распространения радиолокационного импульса (как это и было сделано). Для этого достаточно зафиксировать время прихода на принимающую антенну ИСЗ переднего фронта радиоимпульса, отраженного от поверхности воды. Но это для высоты поверхности непосредственно под спутником. А как быть со всей остальной гигантской площадью океанов и морей? Ограничиться только малой площадью непосредственно под несколькими ИСЗ? Или запустить огромное количество спутников? Так никаких ресурсов не хватит.

Выход видится в том, чтобы научиться точно и надежно сканировать высоту поверхности океана в стороне от вертикали к ИСЗ – тогда можно обойтись сравнительно небольшим количеством ИСЗ. Но при попытке сканирования высоты водной поверхности несколько в стороне от вертикали (где импульс падает на поверхность воды под углом к ней) сразу же натыкаемся на массу трудностей. Для их преодоления необходимо иметь:

  • мощный короткий опросный импульс,
  • очень остро направленную приемо-передающую антенну, позиционируемую по направлению с очень большой точностью, с возможностью очень быстрого ее перенаправления,
  • вычислительные мощности для обработки принятого сигнала, потому что принятый сигнал, отраженный от наклонной поверхности уже не будет четким и коротким, как опрашивающий. Он будет протяженным во времени. Кроме того, сигнал будет иметь сложную форму, определяемую как распределением мощности в опросном сигнале, так и отражающей поверхностью. Так что придется производить очень много вычислений.
  • систему устранения ошибок измерений, обусловленных отклонением сигнала от идеального, ошибками ориентации антенны, неровностями на поверхности океана (волны).

Интересные статьи по теме :

  1. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 2
  2. Орбитальный мониторинг цунами. Часть 3, заключительная

Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: