- Co to jest tsunami?
- Fizyka tsunami
- Co się dzieje z tsunami, gdy zbliża się do lądu?
- Jak są mierzone lub obserwowane tsunami?
- Funkcja tsunami na Oceanie Indyjskim z 26 grudnia 2004
Co to jest tsunami?
Tsunami to seria fal oceanicznych o bardzo dużej długości fali (zazwyczaj setki kilometrów) spowodowanych przez wielkoskalowe zaburzenia w oceanie, takie jak:
- trzęsienia ziemi
- osunięcia ziemi
- wybuchy wulkanów
- eksplozje
- meteoryty
Zaburzenia te mogą być albo od dołu (np.np. podwodne trzęsienia ziemi z dużymi przemieszczeniami pionowymi, podmorskie osuwiska) lub z góry (np. uderzenia meteorytów).
Tsunami to japońskie słowo z angielskim tłumaczeniem: “fala portowa”. W przeszłości, tsunami były określane jako “fale pływowe” lub “sejsmiczne fale morskie”. Termin “fala pływowa” jest mylący; chociaż wpływ tsunami na linię brzegową zależy od poziomu pływów w momencie uderzenia tsunami, tsunami nie są związane z pływami. (Pływy wynikają z grawitacyjnego wpływu księżyca, słońca i planet). Termin “sejsmiczna fala morska” jest również mylący. “Sejsmiczna” sugeruje mechanizm generowania związany z trzęsieniem ziemi, ale tsunami może być również spowodowane przez wydarzenie niesejsmiczne, takie jak osunięcie się ziemi lub uderzenie meteorytu.
Tsunami są również często mylone z falami sztormowymi, mimo że są to zupełnie inne zjawiska. Fala sztormowa to gwałtowny wzrost poziomu morza na wybrzeżu spowodowany znaczącym wydarzeniem meteorologicznym – są one często związane z cyklonami tropikalnymi.
Fizyka tsunami
Tsunami mogą mieć długość fali od 10 do 500 km i okresy fal do godziny. W wyniku dużej długości fali, tsunami zachowują się jak fale płytkowodne. Fala staje się falą płytkowodną, gdy jej długość jest bardzo duża w porównaniu z głębokością wody. Fale płytkowodne poruszają się z prędkością c, która zależy od głębokości wody i jest określona wzorem:
gdzie g to przyspieszenie ziemskie (= 9,8 m/s2), a H to głębokość wody.
W głębokim oceanie, typowa głębokość wody wynosi około 4000 m, więc tsunami będzie poruszać się z prędkością około 200 m/s, czyli ponad 700 km/h.
W przypadku tsunami generowanych przez podwodne trzęsienia ziemi, amplituda tsunami jest określana przez wielkość, o jaką przemieszcza się dno morskie. Podobnie, długość fali i okres tsunami zależą od wielkości i kształtu podwodnego zaburzenia.
Tak jak tsunami poruszają się z dużymi prędkościami, mogą również pokonywać duże odległości przy ograniczonych stratach energii. W miarę rozchodzenia się tsunami po oceanie, czoła fal mogą ulegać refrakcji (ugięciu), która jest spowodowana przez segmenty fali poruszające się z różnymi prędkościami, w miarę jak zmienia się głębokość wody wzdłuż czoła fali.
Co się dzieje z tsunami, gdy zbliża się do lądu?
Jak tsunami opuszcza głębokie wody otwartego oceanu i przemieszcza się do płytszych wód w pobliżu wybrzeża, przekształca się. Jeśli czytałeś rozdział “Fizyka tsunami”, wiesz, że tsunami porusza się z prędkością, która jest związana z głębokością wody – stąd, gdy głębokość wody maleje, tsunami zwalnia. Strumień energii tsunami, który zależy zarówno od prędkości fali, jak i jej wysokości, pozostaje prawie stały. W związku z tym, gdy prędkość tsunami maleje, jego wysokość wzrasta. Nazywa się to efektem ławicy. Ze względu na ten efekt, tsunami, które jest niezauważalne na morzu, może urosnąć do wysokości kilku metrów lub więcej w pobliżu wybrzeża.
Wzrost wysokości fali tsunami w miarę wchodzenia do płytkiej wody jest dany przez:
gdzie hs i hd to wysokości fali w płytkiej i głębokiej wodzie, a Hs i Hd to głębokości płytkiej i głębokiej wody. Tak więc tsunami o wysokości 1 m na otwartym oceanie, gdzie głębokość wody wynosi 4000 m, miałoby wysokość fali 4 do 5 m w wodzie o głębokości 10 m.
Tak jak inne fale wodne, fale tsunami zaczynają tracić energię w miarę jak pędzą w kierunku lądu – część energii fali jest odbijana od brzegu, podczas gdy energia fali rozprzestrzeniającej się w kierunku lądu jest rozpraszana przez tarcie denne i turbulencje. Pomimo tych strat, tsunami nadal docierają do wybrzeża z ogromną energią. W zależności od tego, czy pierwszą częścią tsunami, która dotrze do brzegu jest grzbiet czy rynna, może ono pojawić się jako gwałtownie wznoszący lub opadający przypływ. Lokalna batymetria może również spowodować, że tsunami pojawi się jako seria łamiących się fal.
Tsunami mają duży potencjał erozyjny, pozbawiając plaże piasku, który mógł być gromadzony przez lata i podkopując drzewa i inną roślinność przybrzeżną. Zdolne do zalania lub podtopienia setek metrów w głąb lądu po przekroczeniu typowego wysokiego poziomu wody, szybko poruszająca się woda związana z zalewającym tsunami może zmiażdżyć domy i inne przybrzeżne konstrukcje. Tsunami może osiągnąć maksymalną wysokość pionową na lądzie nad poziomem morza, często nazywaną wysokością spiętrzenia, wynoszącą dziesiątki metrów.
Jak są mierzone lub obserwowane tsunami?
W głębokim oceanie, tsunami ma małą amplitudę (mniej niż 1 metr), ale bardzo dużą długość fali (setki kilometrów). Oznacza to, że nachylenie, lub stromość fali jest bardzo mała, więc jest praktycznie niewykrywalna dla ludzkiego oka. Istnieją jednak instrumenty obserwacji oceanu, które są w stanie wykryć tsunami.
Pływomierze
Pływomierze mierzą wysokość powierzchni morza i są głównie używane do pomiaru poziomu pływów. Większość pływomierzy obsługiwanych przez Narodowe Centrum Pływów Biura Meteorologii to stacje SEAFRAME (Sea Level Fine Resolution Acoustic Measuring Equipment). Składają się one z czujnika akustycznego podłączonego do pionowej rury otwartej na dolnym końcu, która znajduje się w wodzie. Czujnik akustyczny emituje impuls dźwiękowy, który przemieszcza się od góry rury w dół do powierzchni wody, a następnie jest odbijany z powrotem w górę rury. Odległość do poziomu wody może być następnie obliczona na podstawie czasu podróży impulsu. System ten odfiltrowuje efekty o małej skali, takie jak fale wiatrowe, i ma zdolność do pomiaru zmian poziomu morza z dokładnością do 1 mm.
Pływomierz na wyspie Cocos zaobserwował tsunami 26 grudnia 2004 r., gdy przechodziło ono obok wyspy, jak pokazano w tych obserwacjach wykonanych w grudniu.
Satelity
Wysokościomierze satelitarne mierzą wysokość powierzchni oceanu bezpośrednio za pomocą impulsów elektromagnetycznych. Są one wysyłane w dół do powierzchni oceanu z satelity i wysokość powierzchni oceanu można określić znając prędkość impulsu, położenie satelity i mierząc czas, jaki impuls zajmuje powrót do satelity. Problem z tego rodzaju danymi satelitarnymi polega na tym, że mogą być one bardzo skąpe – niektóre satelity przelatują nad daną lokalizacją tylko raz w miesiącu, więc miałbyś szczęście, gdybyś zauważył tsunami, ponieważ przemieszcza się ono tak szybko. Jednak podczas tsunami na Oceanie Indyjskim z 26 grudnia 2004 roku, wysokościomierz satelitarny Jason znalazł się we właściwym miejscu i czasie.
Zdjęcie poniżej przedstawia wysokość powierzchni morza (na niebiesko) zmierzoną przez satelitę Jason dwie godziny po tym, jak początkowe trzęsienie ziemi uderzyło w region na południowy wschód od Sumatry (pokazany na czerwono) 26 grudnia 2004 roku. Dane zostały pobrane przez wysokościomierz radarowy na pokładzie satelity wzdłuż toru przecinającego Ocean Indyjski, kiedy fale tsunami właśnie wypełniły całą Zatokę Bengalską. Przedstawione dane to różnice w wysokości powierzchni morza w stosunku do poprzednich obserwacji wykonanych wzdłuż tego samego toru 20-30 dni przed trzęsieniem ziemi, pokazujące sygnały tsunami.
Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA/JPL-Caltech
System DART
W 1995 roku National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) rozpoczęła rozwój systemu Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART). Obecnie na Oceanie Spokojnym rozmieszczonych jest szereg stacji. Stacje te dostarczają szczegółowych informacji o tsunami, gdy są one jeszcze daleko od brzegu. Każda stacja składa się z rejestratora ciśnienia na dnie morza, który wykrywa przejście tsunami. (Ciśnienie słupa wody jest związane z wysokością powierzchni morza). Dane te są następnie przekazywane za pomocą sonaru do boi powierzchniowej. Boja powierzchniowa przekazuje następnie informacje drogą radiową do Pacyficznego Centrum Ostrzegania przed Tsunami (PTWC) za pośrednictwem satelity. Przydenny rejestrator ciśnienia wystarcza na dwa lata, natomiast boja powierzchniowa jest wymieniana co roku. System ten znacznie poprawił prognozowanie i ostrzeganie przed tsunami na Pacyfiku.
Fsunami na Oceanie Indyjskim z 26 grudnia 2004 roku
Podmorskie trzęsienie ziemi na Oceanie Indyjskim 26 grudnia 2004 roku wywołało tsunami, które spowodowało jedną z największych katastrof naturalnych we współczesnej historii. Wiadomo, że ponad 200 000 osób straciło życie.
Fale zniszczyły wybrzeża części Indonezji, Sri Lanki, Indii, Tajlandii i innych krajów z falami o wysokości do 15 m, docierając aż do Somalii na wschodnim wybrzeżu Afryki, 4500 km na zachód od epicentrum. Refrakcja i dyfrakcja fal oznaczała, że wpływ tsunami został zauważony na całym świecie, a stacje monitorujące poziom morza w takich miejscach jak Brazylia i Queensland również odczuły skutki tsunami.
Ta animacja (10,4Mb) została stworzona przez naukowców z Narodowego Centrum Pływów Biura Meteorologii. Do odtworzenia generacji i propagacji tsunami użyto modelu numerycznego, który pokazuje, jak fale rozchodziły się po światowych basenach oceanicznych.
Trzęsienie ziemi miało miejsce około godziny 1:00 UTC (8:00 czasu lokalnego) na Oceanie Indyjskim u zachodnich wybrzeży północnej Sumatry. Z magnitudą 9,0 w skali Richtera, to był największy od trzęsienia ziemi w 1964 roku u wybrzeży Alaski i równe czwarte co do wielkości od 1900 roku, kiedy to rozpoczął się dokładny globalny zapis sejsmograficzny.
Epicentrum trzęsienia ziemi znajdowało się około 250 km na południowy wschód od indonezyjskiego miasta Banda Aceh. Było to rzadkie trzęsienie megathrust i wystąpiło na styku płyt tektonicznych Indii i Birmy. Zostało ono spowodowane przez uwolnienie naprężeń, które powstają, gdy płyta indyjska podporządkowuje się pod nadrzędną płytę birmańską. Trzęsienie ziemi typu megathrust ma miejsce, gdy jedna płyta tektoniczna wsuwa się pod drugą, powodując pionowy ruch płyt. To duże pionowe przemieszczenie dna morskiego wywołało niszczycielskie tsunami, które spowodowało zniszczenia na tak dużym obszarze wokół Oceanu Indyjskiego.
Trzęsienie ziemi było również niezwykle duże pod względem geograficznym. Szacuje się, że 1200 km linii uskokowej przesunęło się o 15 m wzdłuż strefy subdukcji w ciągu kilku minut. Ponieważ 1200 km linii uskokowej dotkniętej przez trzęsienie było w orientacji prawie północ-południe, największa siła fal była w kierunku wschód-zachód. Bangladesz, który leży na północnym krańcu Zatoki Bengalskiej, miał bardzo mało ofiar, mimo że jest zaludnionym, nisko położonym krajem.
Z powodu dużych odległości, tsunami potrzebowało od piętnastu minut do siedmiu godzin (w przypadku Somalii), aby dotrzeć do różnych linii brzegowych. (Zobacz mapę czasu podróży). Północne rejony indonezyjskiej wyspy Sumatra zostały dotknięte bardzo szybko, podczas gdy Sri Lanka i wschodnie wybrzeże Indii zostały dotknięte mniej więcej dwie godziny później. Tajlandia również została dotknięta około dwie godziny później, mimo że znajdowała się bliżej epicentrum, ponieważ tsunami wolniej przemieszczało się po płytkim Morzu Andamańskim u zachodnich wybrzeży tego kraju.
Po dotarciu do brzegu, wysokość tsunami była bardzo zróżnicowana, w zależności od odległości i kierunku od epicentrum oraz innych czynników, takich jak lokalna batymetria. Raporty podają wysokość od 2-3 m na wybrzeżu Afryki (Kenia) do 10-15 m na Sumatrze, regionie położonym najbliżej epicentrum.