Способ обнаружения волн цунами, применимый для всех причин их возбуждения

 

Использование: для повышения работы оперативной службы предупреждения цунами. Сущность: измеряют амплитуду вектора возмущения гравитационного поля, вызванного волной, который равен к= (к_x²+к_у²)^1/2, где ρ - плотность воды, γ - гравитационная постоянная, h - высота волны, волновой вектор. По измеренным амплитудам вектора возмущения гравитационного поля определяют направление распространения волны и высоту волны или При этом равенство амплитуд может быть использовано как дополнительный (к спектральным характеристикам измеряемого сигнала), независимый параметр, указывающий на то, что измеряемое возмущение гравитационного поля вызвано именно волной цунами, а не сейсмическими факторами, которые имеют иной спектр. Технический результат: повышение достоверности обнаружения волны цунами, независимо от типа ее возникновения.

Предлагаемое техническое решение относится к области гидродинамики и может быть использовано для повышения работы оперативной службы предупреждения цунами.

Цунами означает - внезапно возникающая длинная морская волна, перемещаемая по всей глубине водного бассейна при малой потере энергии со скоростью 800-1000 км/час (на глубинах более 1000 м), эта особенность волн цунами обуславливает их глубокое проникновение на сушу, где они деформируются, так как при подходе к берегу волны цунами возрастают от 1-2 м в океане до десятков метров за счет торможения потока на наклонной плоскости и перехода кинетической энергии в потенциальную, порождая громадные разрушения на океанском побережье.

Защита от волн цунами, в частности строительство волнорезов и защитных дамб, насаждения лесополосы, лишь частично оказывает помощь, и то только при слабых проявлениях цунами, однако реальный путь спасения - это поселение на возвышенных местах или с прогнозом надвигающегося цунами осуществление срочной эвакуации из района предполагаемого наводнения в более безопасное место.

Большая часть цунами (около 80%) вызвана подводными землетрясениями, поэтому волны цунами называют сейсмическими морскими волнами. Около 6-15% цунами связаны с несейсмическими источниками: это взрывы островных вулканов и извержения подводных вулканов. Высока степень опасности возникновения катастрофических волн цунами, вызванных оползнями, причем значительное число этих оползней не связано с сейсмическими событиями, а обусловлено гидрометеорологическими факторами, играющими роль триггера (пуск). Роль пускового механизма выполняет также и морской прилив, вызывая береговые оползни и осуществляя генерацию волн цунами, а также деятельность человека (строительные и взрывные работы, взрывы атомных и водородных бомб); атмосферные возмущения (метеорологические цунами - резкое изменение атмосферного давления) и цунами, вызванные прохождением тайфуна; сильные штормовые явления.

Проблема цунами состоит в разработке мероприятий, ослабляющих тяжелые последствия, и в выявлении условий возникновения цунами.

Известен традиционный способ предупреждения о возникновении цунами, основанный на сейсмической информации, полученной немедленно после совершенного землетрясения, так как сейсмические волны, скорость распространения которых значительно больше, чем скорость волн цунами, являются первыми признаками, дающими сведения о возможностях появления волн цунами; причем по записям сейсмографов определяют координаты эпицентра и силу землетрясений, и в тех случаях, когда эпицентр находится в цунамигенной области, а сила землетрясения достаточна для возникновения опасного цунами, дается сигнал тревоги, но не все землетрясения сопровождаются цунами, и, следовательно, большая часть тревог будет ложной.

Подводные землетрясения, как правило, сопровождаются генерацией гидроакустических сигналов с последующим захватом и распространением в подводном звуковом канале (ПЗК), причем предложено высокочастотную составляющую звукового поля использовать в качестве дополнительного критерия цунамигенности, т.е. предложен механизм непосредственного захвата гидроакустических сигналов цунамигенного землетрясения в ПЗК (см. В.В.Иванов. О частотном диапазоне гидроакустических сигналов, несущих информацию о цунамигенности подводного землетрясения, доклад от 17-20 сентября 1980, Горький, Морские природные катастрофы).

Цунамигенные землетрясения могут вызвать как упругие колебания дна океана, так и его различные подвижки, имеющие вертикальную компоненту смещения. Наличие вертикальной компоненты смещения обуславливает не только генерацию волн цунами, но также эффективную генерацию гидроакустических волн в водный слой за счет образования акустического конуса, движущегося со скоростью, превышающей фазовую скорость звука в воде.

Высокочастотные гидроакустические сигналы (с частотой 100-400 Гц), захваченные ПЗК, могут проходить расстояние в несколько тысяч километров без значительного затухания, образуя высокочастотную часть Т-фазы. Таким образом, способность распространения на значительное расстояние в ПЗК приводит к тому, что гидродинамические волны с частотой 100-400 Гц являются независимым источником информации о цунамигенности происходящего подводного землетрясения.

Гидроакустический сигнал (Т-фаза), возникаемый в результате перехода сейсмической энергии в акустическую, и захват ее ПЗК измеряют с помощью гидрофонов, расположенных вблизи ПЗК, по кабельным линиям передают на сейсмические станции и регистрируют в виде, удобном для обработки, проводят спектральный анализ гидроакустических сигналов и, при превышении сигналом фоновых величин в высокочастотном (100-400 Гц) диапазоне спектра, судят о цунамигенности происшедшего землетрясения.

Т-фаза - это волна сжатия, распространяющаяся в морской воде со скоростью звука. Это короткопериодная (около 0,5 сек) сейсмическая волна, обнаруженная Лайнхэном в тридцатых годах при наблюдении объемных волн P- (primus nudae - первая) и S (secundus nudae -вторая) и короткопериодическую фазу предложил обозначить буквой T (nudae ter - третья волна).

Служба предупреждения цунами, использующая в качестве предвестников цунами объемные сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения в твердой оболочке Земли, обладает существенным недостатком: по данным одной сейсмостанции возможно оперативно определить только магнитуду, служащую критерием для определения цунамигенности землетрясения, однако величина магнитуды выше некоторого порогового значения является скорее необходимым, чем достаточным условием возбуждения цунами, что приводит к невысокой оправданности прогноза (см. Волны цунами, 1973, Труды СахКНИИ, вып. 32, стр. 49-60, В.К.Гусяков. О некоторых свойствах океанических волн Релея, возбуждаемых при подводном землетрясении).

Если энергия (практически магнитуда) землетрясения с очагом под дном океана превышает некоторое пороговое значение, цунами становится вероятным, однако эффективность магнитудного метода прогноза оказалась низкой: на одну оправдавшуюся тревогу приходится четыре ложных, только для сильных землетрясений с M > 7,5 сейсмический способ становится вполне эффективным и надежным. Однако возникновение цунами зависит не только от магнитуды землетрясения, но и от глубины очага, а также от механизма действующих в нем сил.

Известен способ установки цунамигенности происшедшего подводного землетрясения (см. AC SU N 1584585, МПК G 01 М 01/00), включающий измерение на сейсмостанции сигнала землетрясения, определение эпицентральной области и магнитуды землетрясения, запись генерируемых землетрясением гидроакустических сигналов гидрофонами, расположенными в подводном звуковом канале (ПЗК), передачу их на береговые станции и по радиоканалу на сейсмические станции, причем осуществляют спектральный анализ гидроакустических сигналов и при превышении сигналом фоновых величин в высокочастотной области (100-400 Гц) судят о цунамигенности происшедшего землетрясения.

Недостатком известного способа установки цунамигенности происшедшего подводного землетрясения является отсутствие информации о высоте волны цунами и неприемлемость этого способа к несейсмическим типам цунами.

Известен способ определения возникновения волн цунами (см. ДАН АН СССР, 1981, т.257, N 5, стр. 1088-1092), основанный на измерении гидростатического давления датчиком, установленным на глубине более 100 м в прибрежной зоне, причем вариации давления (уровни моря) преобразуются в частотно-модулированный сигнал, регистрируемый в нескольких диапазонах береговой сейсмостанцией; при возникновении первого максимума, амплитуда которого превышает фон, принимается решение о появлении цунами.

Однако в данном техническом решении явно выражена неоднозначность предупреждения о возникновении цунами.

Известен способ оценки регионального цунамигенного потенциала на основе землетрясения (см. N. M.Shapiro // Geophys. Res. Lett. 1998.-25, N 20, pp. 3911-3914 (GB), основанный на анализе записей сейсмограмм широкополосной станции, базирующийся на вычислении величины отношений общей энергии к высокочастотной энергии в диапазоне 1-5 Гц (ER), причем, если энергетическая магнитуда Me > 6,5, а величина ER соответствует очагам вблизи океанологического желоба, то можно ожидать региональное цунами, если величина ER соответствует очагам вблизи побережья, цунами подобной величины будет возбуждаться лишь в случае, когда Me > 7,3.

Недостатком известного способа оценки является неоднозначность и ненадежность предсказания.

Известен способ обнаружения поверхностной гравитационной волны с частотой следования ω = (gKth(KH)^1/2, горизонтальным волновым вектором (см. Г.С.Мурти. Сейсмические морские волны цунами, Москва, Мир, 1981, стр. 23), основанный на измерении амплитуды возмущения давления P_a= ρgh и скорости воды, вызванной волной: V_za= ωh; V_xa = (gh²/H)^1/2 K_x/K; V_ya = (gh²/H)^1/2 K_y/K; K = (K_x² + K_y²)^1/2.

где ρ - плотность воды, g - ускорение свободного падения, h - высота волны поверхности океана, H - глубина океана.

Скорость распространения волн цунами пропорциональна квадратному корню из глубины воды, таким образом, рельеф дна оказывает большое влияние на их распространение, вызывая дифракцию. Над подводной возвышенностью волновые лучи сходятся, что приводит к концентрации волновой энергии над мелководными участками бассейна и в то же время к исчезновению волнового движения в рядом лежащих областях (см. Методы расчета возникновения и распространения волн цунами. Москва, Наука, 1978, стр. 73-61; С.С.Войт. Некоторые вопросы теории распространения волн цунами), таким образом, известный способ обнаружения поверхностной гравитационной волны позволяет измерять локальную скорость воды, которая зависит от подводного рельефа местности и сильно искажается им.

Известен способ обнаружения волны цунами (см. заявку RU N 96114081, МПК G 01 V 09/00, 1996, Военно-морская академия Адмирала Флота SU И.Г.Кузнецова), возникающей в океане при подводном землетрясении, заключающийся в измерении по единому времени в нескольких точках земной поверхности величин параметров волны, вызванной землетрясением, передаче результатов измерения по кабельным или гидроакустическим и радиоканалам на сейсмические станции или метеорологические обсерватории, принятии решения об обнаружении волны цунами по характеру этой волны, рассчитанному на основе измеренных параметров и расчете времени, необходимом для подхода волны цунами от вызвавшего ее источника до заданного пункта побережья. При этом в районах океана, находящихся вблизи эпицентров наблюдавшихся ранее цунамигенных землетрясений, измеряют величину и направление скорости движения придонных слоев (толщиной не более 20 метров) воды относительно дна океана. Необходимо не менее двух устройств для измерения величины и направления скорости воды, разнесенных друг от друга на расстояние не более 5 км по направлению от эпицентра наблюдавшегося ранее землетрясения к заданному пункту побережья. На основе измеренных скоростей рассчитывают величину энергии распространяющейся в океане волны в вертикальном слое морской воды от дна до поверхности океана для принятия решения об обнаружении волны цунами.

Недостатком известного способа обнаружения волны цунами являются громоздкость всей системы и, значит, высокая ее стоимость из-за необходимости проводить измерения во многих точках океана и, кроме того, локальность измерений скорости воды, на направление движения которой оказывает сильное влияние рельеф местности (например, подводная гора может исказить направления течения на десятки градусов, что обесценивает полностью информацию о направлении распространения волны), а также сами измерения сопряжены с определенными трудностями технического характера.

Известен способ обнаружения поверхностной гравитационной волны, основанный на сильных смещениях дна океана и передачи через гидросферу в атмосферу возмущения, вызывая в ней гравитационно-акустические волны, своего рода атмосферные цунами, регистрация которых по определенному критерию позволяет судить о возникновении волн цунами.

Значительная часть энергии, передаваемой от подвижного дна водной толщи, существует в виде акустической волны, причем благодаря естественным резонансным свойствам слоя воды в области очага должна возбуждаться стоячая акустическая волна, проявляющаяся в виде колебаний поверхности океана с амплитудой, при определенных условиях превышающей амплитуду смещения дна. Инфразвуковые колебания, излучаемые при этом областью очага, могут быть использованы в качестве дополнительного фактора для решения задач прогноза цунами, но только сейсмического происхождения.

Сейсмический способ предсказания цунами не способен обеспечить предсказание с высокой вероятностью всех цунами. Пользуясь этим способом, служба предупреждения всегда будет давать какое-то количество ложных тревог, однако прямой ущерб от одной ложной тревоги относительно невелик, но ложные тревоги подрывают доверие население к службе, что чревато серьезными нежелательными последствиями во время сильных цунами.

В настоящее время отсутствуют какие-либо абсолютные методы, позволяющие с большой достоверностью выявлять волны цунами всех видов, на фоне общего спектра поверхностных морских волн. Цунами удается анализировать, главным образом, в рамках теории малой амплитуды и теории длинных волн на мелкой воде.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в повышении достоверности обнаружения волны цунами, независимо от типа ее возникновения.

Указанный результат достигается тем, что в способе обнаружения волны цунами измеряются амплитуды компонент вектора возмущения напряженности гравитационного поля, вызванного волной, который равен
K = (К_x² + K_y²)^1/2,
где γ - гравитационная постоянная, h - высота волны, (К_x, К_y, 0) - горизонтальный волновой вектор. Таким образом, по измеренным амплитудам вектора возмущения гравитационного поля определяют направление распространения волны


и высоту волны

или

При этом равенство амплитуд может быть использовано как дополнительный (к спектральным характеристикам измеряемого сигнала), независимый параметр, указывающий на то, что измеряемое возмущение гравитационного поля вызвано именно волной цунами, а не сейсмическими факторами, которые имеют иной спектр и тоже могут быть зарегистрированы используемым гравиметром, что значительно расширяет область применимости предлагаемого технического решения и делает его по всей совокупности решаемых задач более экономичным.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании чувствительного индикатора любых неотектонических перестроений в недрах Земли, а именно: переменного во времени гравитационного поля, в измерении собственного гравитационного поля волны цунами, независимо от всех способов ее возникновения; причем определяется не только высота волны, но и направление ее распространения независимо от рельефа дна океана и всевозможных локальных (мелкомасштабных) возмущений скорости жидкости и давления в ней, так как собственное гравитационное поле цунами является по своей природе интегральной характеристикой волны, что позволяет с высокой степенью точности определить направление распространения и высоту цунами. Кроме того, измерения переменного гравитационного поля в другом частотном диапазоне могут быть использованы для получения информации о готовящемся землетрясении и его предсказании. Отметим также, что шумовое воздействие на вычисление возмущения напряженности гравитационного поля волны в океане существенно меньше, чем помехи, вызванные флуктуациями океанических течений при определении направления скорости воды в волне, сильно зависящего от рельефа дна в окрестности расположения прибора.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

В основе предлагаемого способа лежит расчет переменного во времени собственного гравитационного поля поверхностной волны цунами исходя из хорошо известной системы уравнений гидродинамики с учетом сжимаемости жидкости, неоднородности ее энтропии и учетом возмущения гравитационного потенциала Φ:
(1)
(2)
(3)
ΔФ = 4πγρ(4),
где ρ - плотность жидкости, ее скорость, P - давление в жидкости, Э = Э(ρ,P) - удельная энтропия, γ - гравитационная постоянная, Φ(x,y,z,t) - ньютоновский гравитационный потенциал, создаваемый жидкостью, здесь t - время, (х, y, z) - пространственные координаты.

Система уравнений (1)-(4) была линеаризована, причем в невозмущенном состоянии предполагалось (0, 0, g₀) = const, Э₀,ρ₀,P₀ - функции от z (глубины), вода занимает объем между плоскостями z = 0, и z = -H. В отличие от других авторов линеаризованная система уравнений (1)-(4) решалась с учетом в уравнении движения (2) и в уравнении (4) возмущения гравитационного потенциала Φ.
Отметим, что на параметры типичной волны цунами с длиной волны λ ≅ 1000 км учет возмущения гравитационного потенциала Φ сказывается мало (поправки не более 1%), но нас в данном случае интересует именно Φ и поэтому для его корректного расчета необходимо учитывать Φ и в (2) и, конечно, в (4).

Для решения уравнения требуется задать граничные условия, на поверхности жидкости S = 0 (см. А.Гилл, 1986, Динамика атмосферы и океана, T.1, Москва, Мир, стр. 110):
(5)
На дне океана z = -H имеем
V_z(t, x, у, z = -Н) = 0 (6)
т. е. предполагается, что дно океана - жесткое, неподатливое. Эти граничные условия обычно используются при решении подобных задач, кроме того, в данном случае мы обязаны записать граничные условия для потенциала гравитационного поля. Удобно это сделать не для Φ, а для производной по времени t

На дне океана z = -H потенциал Φ и его первые производные непрерывны, это однозначно следует из уравнений (4) и (1) при учете условия (6). В пределе z ---> ± ∞ для поверхностной волны имеем Φ _→ 0. На невозмущенной поверхности океана z = 0 потенциал Φ тоже непрерывен, а нормальная к этой поверхности производная
испытывает скачок, величину которого легко определить из стандартного для таких задач анализа исходной системы уравнений (1)-(4).

В результате численных расчетов вышеупомянутой системы уравнений было получено, что при высоте волны h = 1 м, глубине океана H = 5000 м и реальных значениях параметров воды для длин волн λ = 25 км, 100 км, 400 км амплитуда возмущения горизонтального гравитационного поля составила соответственно
4,28 · 10^-8; 4,31 · 10^-8; 4,32 · 10^-8; (7)
А для относительного возмущения вертикального гравитационного поля имеем:
4,26 · 10^-8; 4,24 · 10^-8; 4,23 · 10^-8; (8)
Причем современные гравиметры могут измерять поля g = 9,81 м/с², т. е на два порядка величины меньше. Численные расчеты, в соответствии с элементарными физическими представлениями, показали, что для длин волн λ ≫ H величина возмущения гравитационного поля волны с заданной амплитудой h = 1 м практически не зависит от глубины океана H, степени вертикальной неоднородности энтропии жидкости и градиента ее температуры. При формальном предельном переходе к несжимаемой жидкости, когда скорость распространения звука с = (∂P/∂ρ)¹_э^/2= 1450 м/с формально устремить к бесконечности, возмущение волной гравитационного поля изменяется тоже мало и может быть описано следующей простой аналитической формулой:

K = (K_x² + K_y²)^1/2, K²H²<<1, (9)
где - горизонтальный волновой вектор волны. Численный результат по формуле (9) дает (10)
что хорошо согласуется с численными расчетами (7), (8) исходной системы уравнений.

Результаты (7) - (9) приведены для поверхности океана z = 0, но с точностью до поправок
ε = (H/λ)²≪ 1, такие же значения поля будут и на его дне, т.е. на плоскости z = -H.

Если в результате измерений возмущенного гравитационного поля нам известны две или три компоненты вектора , то высоту волны можно определить по формулам (см. (9)):
(11)
или
(12)
а направление распространения волны

Таким образом, проанализировав литературные источники, патенты стран мира, мы пришли в выводу, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить достоверность установления цунами путем измерения и теоретического расчета возмущения гравитационного поля, вызванного волной. Решенная задача дала ответ на нерешенный до настоящего времени вопрос о надежной регистрации цунами всех видов, обеспечивая эффективное снятие излишней нервозности населения из-за неопределенности ситуации, исключая случаи объявления ложной тревоги и необъявления действительной опасности и повышая, тем самым, эффективную защиту людей и материальных ценностей от этого грозного стихийного бедствия - независимо от типа возникающих волн цунами.

Формула изобретения

Способ обнаружения волн цунами, применимый для всех причин их возбуждения, отличающийся тем, что измеряются амплитуды компонент вектора возмущения напряженности гравитационного поля, вызванного волной,

по которым определяют направление распространения волны


и высоту волны

где ρ - плотность воды;
γ - гравитационная постоянная.