i. co to jest tsunami tsunami - jagiellonian universityth- · 2010-02-07 · tsunami p. f. góra i....

Tsunami

P. F. Góra

I. Co to jest tsunami

II. Przyczyny tsunami

III. Fizyka tsunamitektonicznego

IV. Niszczycielskiedziałanie tsunami

V. Dane historyczne iprzewidywania

VI. Podsumowanie

Tsunami

P. F. Góra

Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJhttp://th-www.if.uj.edu.pl/zfs/gora/

Kraków, 16 czerwca 2009

http://th-www.if.uj.edu.pl/zfs/gora/

Tsunami

P. F. Góra






VI. Podsumowanie


Katsushika Hokusai, Wielka fala u wybrzezaKanagawa, fragment cyklu Trzydziesci szesc widokówgóry Fuji (1823-39). Choc autor zamierzał przedstawic

fale tsunami, rysunek jest mylacy, gdyz tsunami naogół nie wygladaja jak wielkie, łamiace sie fale.

Tsunami

P. F. Góra






VI. Podsumowanie

Tsunami dosłownie oznacza “fale zatokowa”. Sa tobardzo długie fale, przybierajace monstrualne

rozmiary na płytkich wodach przybrzeznych, jednakw zdecydowanej wiekszosci przypadków pochodzace

z głebokich wód oceanicznych.

Tsunami sa falami płytkiej wody, ale co to naprawdeznaczy, zobaczymy za chwile.

Tsunami

P. F. Góra






VI. Podsumowanie


Około trzy tsunami na rok.> 90% tsunami ma przyczyny sejsmiczne.

Sposród podoceanicznych trzesien ziemi, tylko te,w których jedna płyta tektoniczna wciska sie pod

druga, moga wywołac tsunami.

Tsunami

P. F. Góra






VI. Podsumowanie

Płyta tektoniczna wsuwa sie pod druga (subdukcja). . .

Tsunami

P. F. Góra






VI. Podsumowanie

Górna płyta “zakleszcza sie”. . .

Tsunami

P. F. Góra






VI. Podsumowanie

Naprezenie zostaje gwałtownie uwolnione.

Tsunami

P. F. Góra



III. Fizyka tsunamitektonicznego1. Góra wody

2. Rozpad “góry wody”

3. Predkosci przepływu

4. Relacja dyspersyjna

5. Wyzsze poprawki

6. Tsunami jako fale niedyspersyjne

7. Wartosci liczbowe

8. Gdy tsunami zbliza sie do ladu. . .



VI. Podsumowanie

III. Fizyka tsunami tektonicznego1. Góra wody

Na skutek pionowego przesuniecia sie dna oceanicznegopowstaje “góra wody” o wysokosci h, szerokosci λ i długosci

(wgłab rysunku) L. Głebokosc oceanu wynosi d . Moznazałozyc, ze cała kolumna wody nad wypietrzonym dnem

podnosi sie jednoczesnie.Dla typowych tsunami mamy λ ' 150 km, L ' 1200 km,h ' 5 m. Srednia głebokosc oceanu wynosi d = 4 km.

Energia “góry wody” wynosi E = 12ρgλLh2 ' 2× 1016 J.

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie

2. Rozpad “góry wody”“Góra wody” rozpada sie na składowe harmoniczne,rozpływajace sie symetrycznie od uskoku, o długosciach azdo szerokosci obszaru wypietrzonego λ ' 150 km.Szacujemy, iz amplituda najdłuzszego modu wynosia = 1.5 m.

Symulacja rozpadu “góry wody” o poczatkowej wysokosci h = 1 i szerokosci λ = 200(w umownych jednostkach).

a� d � λ (1)

Tsunami jest fala płytkiej wody i to fala o bardzo małejamplitudzie!

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie

3. Predkosci przepływu(i) W ciagu połowy okresu grzbiet fali staje sie dolina,a zatem predkosc przepływu pionowego musi bycrzedu

V ∼ aτ

(2)

(ii) Poniewaz woda jest niescisliwa, w tym samymczasie woda musi przemieszczac sie horyzontalnie.Poniewaz tsunami jest fala płytkiej wody, moznaprzyjac, ze cała kolumna wody pod grzbietem faliprzemieszcza sie z ta sama charakterystyczapredkoscia U. Objetosc wody przemieszczonapoziomo musi byc porównywalna z objetoscia wodyprzemieszczona pionowo (od grzbietu do doliny fali),a wiec

UτLd ∼ aλL ⇒ U ∼ aλτd

(3)

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie


(i) W fali harmonicznej srednia energia kinetyczna jestrówna sredniej energii potencjalnej. Mamy zatem

ρ · λLd · U2 ∼ ρ · λLa · ga (4)

(ii) Wstawiajac do (4) wyrazenie (3) na U, otrzymujemynastepujaca relacje dyspersyjna dla fal płytkiej wody:

τ =λ√gd

(5)

(iii) Jako predkosc fazowa (predkosc grzbietu fali)otrzymujemy

c =λ

τ=√

gd (6)

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie

5. Wyzsze poprawki

Wszystko to mozna wyprowadzic w sposóbmatematycznie scisły, przyjmujac, ze woda jestniescisliwa i ze nie ma lepkosci: div v = 0, rot v = 0,gdzie v oznacza pole predkosci czasteczek wody, orazze d � λ. Pozwala to uwzglednic wyzsze członyrozwiniecia:

c =λ

τ'

√gd − 1

6(kd)2

√gd

=√

gd − 2π2

3

(dλ

)2√gd (7)

Pierwszy wyraz rozwiniecia (7) odtwarza otrzymaneuprzednio wyrazenie (6).

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie


Jezeli przyjac d/λ ' 0, predkosc fazowa fal płytkiejwody spełnia

c =√

gd

Predkosc fazowa fali płytkiej wody zalezy tylko odgłebokosci.

Składowe harmoniczne o róznych długosciachprzemieszczaja sie z ta sama predkoscia — profil falinie ulega zmianie.

Jezeli uwzglednic dalsze wyrazy w rozwinieciu (7),profil tsunami sie zmienia — tsunami dzieli sie naszereg fal o malejacych długosciach, z najdłuzszymifalami poruszajacymi sie najszybciej.

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie


Przyjmujac nasze oszacowania d = 4 km, λ = 150 km,otrzymujemy c = 200 m/s = 720 km/h,τ = 720 s ' 12 min. U ∼ 8 cm/s, V ∼ mm/s.

Zdjecia satelitarne sugeruja wieksze długosci(λ ' 400–500 km) i mniejsze amplitudy (a ' 60 cm).Nie zmienia to predkosci fazowej, c, ale okres rosniedo τ ' 40 min.

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie

Tsunami zaczyna swe zycie jako fala płaska, aleponiewaz czuje krzywizne Ziemi, podrózujac przezotwarty ocean staje sie fala kulista — rozciaga sie,a zatem zmniejsza sie jego amplituda. Oddziaływanieze strukturami dna oceanu moze prowadzic dorozpraszania i dalszego spadku amplitudy. Tsunamimoze odbic sie od brzegu lub struktur dna morskiego izaatakowac z “odwrotnej” strony.

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie


. . . jego okres nie zmienia sie. Zgodnie z relacjadyspersyjna (5), predkosc fazowa c ∼

√d oraz

długosc fali λ ∼√

d , a wiec tak predkosc fazowa, jaki długosc fali maleja na płytkich wodachprzybrzeznych. Poniewaz energia zawarta w fali jestz bardzo duza dokładnoscia zachowana,E ∼ λa2 ' const, amplituda musi rosnac jaka ∼ 1/

√λ ∼ d−1/4.

Tsunami

P. F. Góra







5. Wyzsze poprawki






VI. Podsumowanie

Tsunami, które ma okres τ = 12 min, rozpoczyna siena głebokosci d = 4 km i ma tam długosc faliλ = 150 km oraz amplitude a = 1.5 m, porusza siez predkoscia c = 720 km/h. Przybywszy na wodyo głebokosci d = 40 m, zwalnia do c = 72 km/h, jegodługosc fali maleje do λ = 15 km, amplituda zas rosniedo a = 5 m. Na jeszcze mniejszych głebokosciachamplituda rosnie jeszcze bardziej, fala zas jeszczebardziej zwalnia. Gdy a ∼ d , pojawiaja sie efektynieliniowe.

Tsunami

P. F. Góra




IV. Niszczycielskiedziałanie tsunamiPrzed tsunami

Atak tsunami

Cofajace sie tsunami


VI. Podsumowanie

IV. Niszczycielskie działanie tsunamiWbrew obiegowej opinii, to nie sama wysokosc fali jestnajbardziej niszczycielskim czynnikiem tsunami —“zwykłe” fale przyboju w czasie poteznego sztormu tezmoga osiagac amplitudy kilkumetrowe, jednak ichdestrukcyjna potega, choc wielka, jest znaczniemniejsza od tsunami. Co zatem decyduje o silerazenia tsunami?

(i) Energia. Na otwartym oceanie tsunami ma energie

E =12ρgλLa2 , (8)

co przy przyjetych tu parametrach daje E ' 2× 1015 J.Bardzo niewiele energii jest rozpraszane, zatem przyuderzeniu o wybrzeze, na kazdy metr przypadaE/L ' 2× 109 J/m. Odpowiada temu gestosc mocyE/(Lτ) ' 2× 106 W/m — tsunami wydziela kilkamegawatów mocy na kazdy metr wybrzeza!

Tsunami

P. F. Góra





Atak tsunami



VI. Podsumowanie

IV. Niszczycielskie działanie tsunami (c.d.)

(ii) Długosc fali. Powiada sie, ze na brzeg spada“sciana wody”. Jest to instuicja fałszywa, nie jest tobowiem “sciana” (sciana jest cienka w stosunku doswojej wysokosci), ale wysoka na kilka-kilkanasciemetrów, pedzaca z predkoscia samochodu, gruba nakilka kilometrów płyta wody. Tsunami moze wygladacjak bardzo gwałtowny, olbrzymi przypływ, nie zas jakatak szczególnie wysokich fal przyboju.

(iii) Długosc penetracji. Tsunami szybko wytracaenergie na bardzo płytkich wodach przybrzeznych i naladzie, ale i tak moze sie wedrzec daleko wgłab ladu,niekiedy nawet na ponad kilometr. Moze wedrzec siena tereny połozone znacznie wyzej nad poziomemmorza niz wynosi aplituda samej fali tsunami.

Tsunami

P. F. Góra





Atak tsunami



VI. Podsumowanie

Tsunami

P. F. Góra





Atak tsunami



VI. Podsumowanie

IV. Niszczycielskie działanie tsunami (c.d.)

(iv) Powtarzajace sie ataki. Wybrzeze moze bycatakowane przez kolejne grzbiety fali tsunami,w odstepach równych okresowi fali, a wiec rzedukilkunastu–kilkudziesieciu minut. Cofajace sie tsunamimoze sprawiac wrazenie gigantycznego odpływu.Czasami taki “odpływ” moze poprzedzic pierwszy ataktsunami.

Niekoniecznie pierwsza fala (pierwszy grzbiet fali) jestnajbardziej niszczycielska. Fala, która w nocy z 22 na23 maja 1960 (po “chilijskim” trzesieniu ziemi)zniszczyła miasto Hilo na Hawajach, była trzeciaz kolei i nadeszła w godzine po pierwszej.

Tsunami

P. F. Góra





Atak tsunami



VI. Podsumowanie

Kalutara, Sri Lanka, przed tsunami

Tsunami

P. F. Góra





Atak tsunami



VI. Podsumowanie

Kalutara, Sri Lanka, atak tsunami26 grudnia 2004

Tsunami

P. F. Góra





Atak tsunami



VI. Podsumowanie

Tsunami atakuje Tajlandie, 26 grudnia 2004

Tsunami

P. F. Góra





Atak tsunami



VI. Podsumowanie

Kalutara, Sri Lanka, cofajace sie tsunami

Tsunami

P. F. Góra





V. Dane historyczne iprzewidywaniaSantorini — zagłada Atlantydy?

Krakatau, 27 sierpnia 1883

Najwieksze zarejestrowane fale

La Palma, Wyspy Kanaryjskie —megatsunami?

VI. Podsumowanie

V. Dane historyczne i przewidywania

Chociaz przedstawione wyzej rozwazaniadotyczyły głównie tsunami tektonicznych,

najciekawsze (?) przykłady dotycza innego typutsunami: Tsunami wywołanych przez wielkie

osuniecia ziemi, które moga — choc nie musza— byc powiazane z wybuchami wulkanów.

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Santorini — zagłada Atlantydy?

Archipelag Santorini dzisiaj

Wybuch wulkanu Santorini około roku 1600 p.n.e dosłownierozerwał cała wyspe i spowodował masywne osuniecieziemi do Morza Egejskiego, co wywołało tsunami.Przypuszcza sie, ze własnie to tsunami spowodowałozagłade cywilizacji minojskiej na Krecie i w konsekwencjiopózniło rozwój cywilizacji europejskiej o 1000 lat. Bycmoze echa tego własnie wydarzenia przetrwały do naszychczasów w postaci mitu o zagładzie Atlantydy.

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie


Wybuch wulkanu Krakatau był jedna z najwiekszychkatastrof wulkanicznych współczesnego swiata. Wybuch

znaczaco zmienił geografie Ciesniny Sundajskiej i wywołałtsunami o wysokosci fal ∼30 m i długosci ∼7 km.

Wiekszosc sposród ∼36 000 ofiar wybuchu padła ofiaratsunami.

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Krakatau, 27 sierpnia 1883 (c.d.)Pyły, które po wybuchu Krakataudostały sie do atmosfery, miałyznaczacy wpływ na globalny klimati wywoływały przedziwne zjawiskaatmosferyczne.68 lat wczesniej, 10 kwietnia 1815, miałmiejsce znacznie potezniejszy wybuchwulkanu Tambora, który spowodował “rokbez lata” w 1816. Była to najwiekszaerupcja wulkaniczna od roku 181 n.e.Wybuch Tambora był jednak znaczniesłabiej opisany przez Europejczyków nizwybuch Krakatau, no i nie wywołałtsunami. . .

Edward Munch, Krzyk

Na miejscu zapadnietego Krakataupowstaje nowy wulkan, AnakKrakatau (Dziecko Krakatau).

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie


Najwiekszymi znanymi falami sa “rozpryski”. Rekord padł 9 lipca 1958w Lituya Bay na Alasce, gdzie niewielkie trzesienie ziemi spowodowało

osuniecie sie ziemi do płytkiej, zamknietej zatoki.

Mierzac wedle widocznej linii zniszczen, fala rozpryskowa miała 516 mwysokosci. Powstała fala tsunami u ujscia zatoki miała, wedle naocznych

swiadków, około 30 m wysokosci.

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Widok Lituya Bay od strony oceanu

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie


Na wyspach wulkanicznych stoki wulkanów sageologicznie niestabilne i groza masywnymi

osunieciami ziemi.

Dane geologiczne swiadcza o tym, ze stoki wulkanówna Wyspach Kanaryjskich w ciagu ostatnich kilku

milionów lat kilkanascie razy zapadały sie, powodujacolbrzymie osuniecia ziemi.

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Obecnie najbardziej zagrozony osunieciem jestwulkan Cumbre Vieja na wyspie La Palma.

W wyniku osuniecia ziemi, do Oceanu Atlantyckiegow ciagu 10 minut trafi około 5× 109 ton skał, pchajac

przed soba poduszke sprezonego powietrza.Spowoduje to “rozprysk” wysoki na 900 m.

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (A)

Symulacje pochodza z pracyS. N. Ward, S. J. Day, Geophys. Res. Lett. 28, 3397 (2001)Dziekuje Panu Witoldowi Barylukowi za materiały krytykujace te pracePrzedstawiony w niej scenariusz jest chyba zbyt katastroficznyhttp://www.lapalma-tsunami.com/

http://www.lapalma-tsunami.com/

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (B)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (C)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (D)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (E)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (F)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (G)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (H)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Scenariusz mozliwego tsunami (I)

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Powyzsze symulacje pokazuja, jak “góra wody”, powstaław wyniku osuniecia, stopniowo rozpada sie na składowe

harmoniczne o zmniejszajacych sie długosciach,z najdłuzszymi falami poruszajacymi sie najszybciej.

Scenariusz “megatsunami” , z falami wysokimi na 50 matakujacymi Floryde, jest najprawdopodobniej przesadzony,

ale zwykłe tsunami, z falami ∼15–25 m atakujacymiwybrzeza Atlantyku od Brazylii po Islandie, wywoła

dostatecznie katastrofalne skutki.

Geolodzy twierdza, ze pytanie nie brzmi czy, ale kiedy, conajwyzej — czy az w takiej skali. Byc moze zaledwie1.5× 109 ton skał wpadnie do Oceanu Atlantyckiego.

Tsunami

P. F. Góra









VI. Podsumowanie

Podobne scenariusze przewidywane sa dla wulkanówMauna Kea i, zwłaszcza, Kilauea na Hawajach

Tsunami

P. F. Góra






VI. Podsumowanie

VI. Podsumowanie

Tsunami sa falami płytkiej wody, a wiec sa zjawiskamiobjetosciowymi, nie powierzchniowymi.

Róznice pomiedzy tsunami a “zwykłymi” falami

Tsunami na oceaniewysokosc długosc predkosc

kilkadziesiat cm > 100 km > 700 km/h

Tsunami przy brzeguwysokosc długosc predkoscdo 30 m ∼ 3 km kilkadziesiat km/h

Zwykła falawysokosc długosc predkosc

3 m 100 m 4–8 km/h

Czekaja nas takze geologicznie ciekawe czasy. . .

i. co to jest tsunami tsunami - jagiellonian universityth- · 2010-02-07 · tsunami p. f. góra i....

Documents