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Tsunami. Laboratorio di scienze per bambini

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"Tsunami" - una grande onda nel porto. Traduzione dal giapponese.

Il disastro è iniziato alle tre del mattino con una forte scossa. È durato solo pochi secondi ... Dopo 15 minuti si è sentito un forte rumore dal mare. Sembrava che il mare si precipitasse a terra. Dal lato dello spiedo, dove si trovavano gli edifici dell'area del sigillo, si udì un terribile crepitio e ruggito ... All'alba lo spiedo sembrava completamente pulito, solo in un punto era visibile una specie di mucchio informe ...

Dal diario di P. Novograblenov, il primo osservatore sovietico di eventi sismici in Kamchatka, 1923.

Molto prima dell'inizio

Lontano dalla costa del Pacifico, a Leningrado, nell'edificio dell'Istituto idrologico statale, gli scienziati hanno costruito un nuovo Ust-Kamchatsk. Certo, era solo un modello della città, ma su larga scala. Parte della baia di Kamchatka, la foce del fiume Kamchatka, su di essa sono ricreati gli edifici della città in ogni dettaglio: un'intera area di oltre 4000 km2 è ospitata in un piccolo laboratorio. La costa, il fondale del modello sono in cemento e il terreno con tutti i dettagli del terreno è in plastilina. Gli scienziati hanno cosparso densamente l'intera costa di segatura. I cavi elettrici sono stati calati nell'acqua. Per finire, una cinepresa cinguettava da qualche parte sotto il soffitto.

Cos'è questo? Non è un gioco? Allora perché altrimenti sotto l'azione dell'aria compressa, come il mantice di un'enorme fisarmonica, il fondo affonda o si alza e le onde si alzano nella baia giocattolo di Kamchatka?

Gli scienziati hanno deciso di ripetere la catastrofe avvenuta in. 1923. Quindi un terremoto, avvenuto in lontananza nel mare, diede origine a un'onda alta, che si schiantò sulla riva e distrusse la città.

Kamchatka, Isole Curili e Giapponesi, Sakhalin, Alaska - anche da una semplice enumerazione si può vedere che gli tsunami compaiono più spesso nell'Oceano Pacifico. Nelle acque dell'oceano più grande, dozzine di vulcani si risvegliano ogni anno, si verificano forti terremoti e molto spesso sotto il fondo dell'oceano, dove la crosta terrestre è molto più sottile.

Se fosse possibile esporre il fondo dell'Oceano Pacifico, si potrebbero contare nove enormi zone in cui si verificano costantemente faglie o rigonfiamenti della crosta terrestre. Vicino al Giappone, il fondale oceanico è forse il più irrequieto. Ha molti difetti lunghi centinaia di chilometri. Lungo queste "ferite" ora in via di guarigione, ora in fase di riapertura, i blocchi della crosta terrestre si spostano o si allontanano costantemente. La maggior parte delle faglie si trova lungo la costa. Ma ci sono anche faglie trasversali. E dove si intersecano le faglie longitudinali e trasversali sulla crosta terrestre, si verificano tremori particolarmente forti. Da lì, ci si dovrebbero aspettare gli tsunami più alti.

Qui e sul modello centinaia di volte gli scienziati hanno organizzato incursioni di tsunami sulle coste di plastilina. I sensori elettrici determinavano le fluttuazioni del livello del "mare". Il confine di segatura non lavata dalla riva indicava dove l'onda poteva salire e le riprese registravano la velocità delle correnti superficiali. Tutto questo insieme ha contribuito a ripristinare con certezza il quadro della catastrofe descritta da Novograblenov. E non solo per restaurare, ma anche per trarre conclusioni importanti: gli edifici industriali e residenziali di una città in espansione dovrebbero essere costruiti in quei luoghi dove l'onda più alta non può salire. Le raccomandazioni degli scienziati idrologici ora vengono seguite esattamente.

Ma non tutti i terremoti provocano uno tsunami. Solo quando una sezione del fondale marino - una specie di pistone gigante - solleva o abbassa la colonna d'acqua di molti chilometri sopra di essa, le onde appaiono sulla superficie dell'oceano. Questo fenomeno può essere paragonato a ciò che accade se un tappo può essere bruscamente sollevato o abbassato dal fondo di una vasca piena d'acqua. Per un attimo, la sezione inferiore sembra scomparire. La colonna d'acqua appoggiata su di essa "cede" e sulla superficie si forma un foro. Nell'oceano, l'altezza di un tale buco può raggiungere diverse centinaia di metri e l'altezza della colonna d'acqua può essere di diversi chilometri. Questo gigantesco scarico di una colonna liquida è il futuro dello tsunami. Durante un terremoto, un blocco di crosta terrestre può colpire anche verso l'alto. Quindi il fondo dell'oceano si gonfia. La colonna d'acqua sale sopra la superficie circostante, che genera anche un'onda alta. L'altezza di tali onde direttamente sopra le fonti del terremoto raggiunge diverse centinaia di metri. Ma già a poche centinaia di chilometri dall'epicentro, la sua dolce cresta raramente supera i 2 m di altezza, ecco perché le navi in ​​\uXNUMXb\uXNUMXbalto mare non sono minacciate dall'incontro con un'onda alta.

È un'altra cosa quando la nave entra in una tempesta. Le onde del vento di dieci metri lo lanciano come un chip. Ed ecco cosa c'è di straordinario. Le fluttuazioni delle onde del vento nello strato superficiale dell'oceano. Più profondo di 30 m c'è una zona stagnante. Là, nelle parole del famoso oceanologo Zh. I. Cousteau, c'è un vero mondo di silenzio. Ma lo tsunami è davvero all'altezza del suo nome di onda alta. Una gobba di due metri è solo la sua sommità, mentre la base dell'onda poggia sul fondo dell'oceano. A proposito, notiamo: il peso di un'onda del genere è superiore a cento milioni di tonnellate. E se consideri che non sta fermo, ma vola letteralmente attraverso l'oceano alla velocità di un aereo passeggeri, allora la sua energia è enorme. I calcoli hanno dimostrato che per ottenere uno tsunami artificiale di media potenza, è necessario far esplodere una grossa bomba del peso di un miliardo di tonnellate sul fondo dell'oceano!

Se in mare aperto una grande onda è assolutamente innocua, quando si avvicina alla riva, il suo temperamento cambia. A causa dell'attrito delle particelle d'acqua sulla rugosità del fondo, la velocità di movimento del fondo dell'onda è notevolmente ridotta. In prossimità della riva cresce in altezza, assume una forma irregolare e ribalta in avanti la sua cresta a forma di mezzaluna. P. Novograblenov ha misurato l'altezza dello tsunami che ha distrutto Ust-Kamchatsk. Il muro d'acqua è poi salito dal mare più alto di un edificio di otto piani! L'altezza di uno tsunami dipende anche in gran parte dalla configurazione della costa. Se ci troviamo sulla riva di una baia con un'entrata stretta, non abbiamo nulla da temere. L'onda spenderà una parte significativa della sua energia per superare lo stretto passaggio. Una questione completamente diversa è una baia aperta a forma di cuneo. Qui, mentre l'onda si sposta verso la sommità del cuneo, si accorcia in lunghezza, ma aumenta in altezza. Per questo motivo le foci dei fiumi, gli stretti allungati sono i luoghi più pericolosi.

L'umanità non può combattere attivamente contro il formidabile fenomeno naturale della natura. Finora, dobbiamo pensare più alla difesa che al combattimento. Dopotutto, è impossibile opporsi alla forza di uno tsunami con le proprie forze o contare sulla forza delle strutture di protezione costiera. È improbabile che anche la diga più perfetta e resistente resista all'assalto di centinaia di milioni di metri cubi d'acqua. Ecco perché, quando si tratta di costruire qualsiasi struttura sulla riva, in laboratorio viene creata una copia completa su larga scala. Con tale modellazione, un'onda distruttiva viene facilmente imitata e i suoi approdi vengono studiati.

Ma gli scienziati sono interessati al modello non solo di una sezione separata, anche se estesa, della zona costiera. Ora, se fosse possibile creare un modello accurato dell'Oceano Pacifico con tutte le isole, le coste dell'Asia e dell'America? E un tale modello non è una fantasia. Certo, non può essere fatto di cemento e plastilina. Tutte le dimensioni geometriche dei continenti, il fronte dell'onda, la sua velocità ed energia, le profondità dell'oceano in diversi punti e molto altro possono essere inserite nella memoria di un computer ad alta velocità. E il computer deciderà dove aspettare l'onda più alta, a che ora. Tale lavoro è già stato svolto per lo tsunami che coprì il porto giapponese di Niigata nel 964 presso l'Istituto Idrometeorologico di Leningrado e presso la Stanford University (USA). I risultati dei calcoli sui modelli matematici sono stati confrontati al recente simposio sullo tsunami a Honolulu. I modelli matematici sovietici e americani quasi coincidevano.

Questo è solo un caso speciale di cooperazione attiva tra i due paesi. Da più di vent'anni, una vasta rete di stazioni costiere interconnesse opera sulle coste del Pacifico dell'URSS, del Giappone e degli Stati Uniti. Gli scienziati si scambiano costantemente informazioni, alla ricerca di modi più efficaci per rilevare una grande onda al fine di avvisare il più rapidamente possibile la popolazione delle zone costiere di un pericolo imminente. Per il terzo anno consecutivo, la nave sovietica "Valeryan Uryvaev" ha effettuato viaggi attraverso i mari dell'Estremo Oriente, da cui vengono installati nell'oceano nuovi strumenti scientifici sovietici. Lo studio del formidabile fenomeno naturale della natura continua e, come puoi vedere, in più direzioni.

Di fronte a te c'è una sezione dell'oceano. I dispositivi sensibili sono installati sulla riva, sulle isole, nelle stazioni boe di superficie e subacquee. Alcuni conducono osservazioni sull'attività sismica della crosta terrestre e determinano l'epicentro di un terremoto in base alla velocità di propagazione delle vibrazioni elastiche. I sensori delle fluttuazioni del livello dell'oceano separano le onde dello tsunami dal vento e dalle maree e stabiliscono la comparsa delle prime grandi onde. I telemetri laser sui satelliti non solo fissano l'epicentro, il rigonfiamento o l'abbassamento del livello dell'oceano al momento del terremoto, ma determinano anche la direzione e la velocità dello tsunami. Una rete così ampia di strumenti di registrazione dovrebbe essere installata nei punti più soggetti a tsunami dell'Oceano Pacifico.

Nella figura (cliccare per ingrandire): 1. Registratori di onde di maremoto costiere. 2. Registratori inferiori delle onde dello tsunami. 3. Sismografi. 4. Stazione radio trasmittente boa con strumenti meteorologici. 5. Satellite con telemetro laser. 6. Una stazione boa sommersa sott'acqua. 7. Stazione radio trasmittente boa. 8. Rilevatore automatico di onde di maremoto con trasduttore a stringa.

Attenzione - pericolo!

L'Istituto Idrometeorologico dell'Estremo Oriente ha un dipartimento per lo tsunami. Il suo compito è creare un nuovo servizio automatizzato per allertare la popolazione delle zone costiere in caso di pericolo imminente. Al largo della costa della Kamchatka, del Kuril Ridge e di Sakhalin, così come nell'oceano, direttamente nella zona di possibili terremoti, gli scienziati stanno installando molti strumenti e sensori.

Prima di tutto, strumenti sensibili - i sismografi - monitorano l'attività sismica della Terra. Catturano le onde elastiche, che determinano le coordinate dell'epicentro nell'energia di un terremoto sottomarino. Se l'energia è elevata e l'epicentro si trova in un'area in cui le onde alte appaiono più spesso, viene trasmesso un segnale di avviso tramite filo e linee radio alle stazioni idrometeorologiche che monitorano il livello del mare. Dopo aver ricevuto un segnale, gli osservatori monitorano le letture degli indicatori di livello autoregistranti e cercano di registrare le prime onde di tsunami, solitamente piccole. Ma trovarli non è così facile.

Le onde del vento rotolano sulla riva ogni mezzo minuto. Due volte al giorno, il livello dell'oceano sale durante l'alta marea. Ma le onde dello tsunami colpiscono la costa con un intervallo di 10-150 minuti. Come distinguere, allora, un'onda del vento, un maremoto da uno tsunami? Un galleggiante galleggia in un tubo installato verticalmente che comunica con il mare. Si alza o si abbassa e mette in movimento la penna, registrando le fluttuazioni di livello sul nastro.

Una colonna di liquido a una profondità, diciamo, di 10 m crea una pressione pari a un'atmosfera. Ma il mare è raramente calmo. Pertanto, se un manometro è installato a una certa profondità, si può giudicare l'altezza dell'onda dalle sue letture. Il vento e le onde di marea, sovrapponendosi l'una all'altra, sembrano oscurare le prime, ancora basse, onde di tsunami. È molto difficile distinguerli con l'ausilio di strumenti galleggianti e idrostatici. Oltre a loro, è stato installato un altro dispositivo. Si chiamava rilevatore di onde di tsunami.

 (clicca per ingrandire)

Facciamo conoscenza con il suo dispositivo (vedi Fig.). La coppa ondulata metallica 1 viene compressa sotto l'azione della pressione idrostatica. Due capillari di diverso diametro 2 collegano la cavità della coppa con due camere identiche 3, all'interno delle quali sono installate anche coppe ondulate, ma di dimensioni inferiori. Le loro cavità interne comunicano con la camera di misura 4, divisa da una membrana in due parti. Le cavità interne delle tre coppe sono riempite con un fluido incomprimibile. Il sensore è installato sulla membrana. Come reagisce il rilevatore alle fluttuazioni del livello del mare? Le onde di marea arrivano a riva solo due volte al giorno. Il livello del mare sta lentamente cambiando, quindi la pressione idrostatica aumenta gradualmente nel luogo in cui è installato il dispositivo. La coppa metallica viene gradualmente compressa, spostando parte del liquido quasi senza resistenza attraverso i capillari nella cavità interna della camera di misura. La pressione su entrambi i lati della membrana è la stessa, il dispositivo è silenzioso. Il dispositivo è silenzioso anche in presenza di normali onde del vento sul mare. Incontrando una resistenza significativa nei capillari, il liquido non ha il tempo di fluire a una velocità sufficiente. In questo caso, una pressione costante agisce sulla membrana.

Solo quando le onde dello tsunami si avvicinano cominciano a manifestarsi gli effetti della diversa resistenza capillare. Un capillare di diametro maggiore crea meno resistenza al flusso del fluido e la pressione su un lato della membrana diventa maggiore che sull'altro. La membrana si piega, il sensore accende automaticamente gli allarmi luminosi e sonori alla stazione.

Così funziona il servizio di allerta costiera.

Tuttavia, gli scienziati dell'istituto si stanno adoperando per migliorare l'efficienza del sistema di allerta e guadagnare tempo dallo tsunami. I dispositivi sensibili vengono portati il ​​più lontano possibile dalla costa e collegati via cavo o via radio alle stazioni costiere. Un'intera rete di stazioni è già attrezzata sulle isole, su galleggianti ormeggiati - boe.

Nelle zone sismicamente attive a una profondità di 5-6 km sono installati sismografi automatici e sensibili rilevatori di onde di tsunami con trasduttori di stringa. I rilevatori agiscono come diapason, come corde di pianoforte tese su un telaio rigido. Basta girare il pirolo con la chiave in qualsiasi direzione, poiché il tono della corda cambia. Il convertitore si basa sullo stesso principio. Tra il centro della membrana, che è influenzato dalla pressione idrostatica misurata, e il corpo del dispositivo, viene teso un sottile filo di acciaio: una corda. Se l'oceano è calmo, la corda suona alla stessa frequenza. Ma non appena compaiono le onde, la membrana si abbassa, la tensione della corda diminuisce. Il dispositivo elettronico rileva il cambio di tono e invia un segnale attraverso il filo fino alla boa.

Le stazioni costiere, insulari e di boa non sono tutto ciò che avrà il servizio automatizzato. Per rilevare le onde dello tsunami, sono ora in corso esperimenti utilizzando un laser. È noto che grazie al laser è stato possibile misurare la distanza dalla Terra alla Luna con una precisione di diverse decine di centimetri. E perché non installare un telemetro laser sul satellite per misurare le fluttuazioni del livello degli oceani? Forse presto ci saranno satelliti che monitoreranno le onde dello tsunami.

Oltre all'oceano stesso, la ionosfera può raccontare la comparsa di onde alte. Quando una sezione della crosta terrestre cade o sale bruscamente sott'acqua, una colonna d'aria atmosferica sale o scende insieme alla colonna d'acqua. Negli strati superiori si formano onde acustiche che distorcono le onde radio riflesse dalla ionosfera. Poiché le onde acustiche superano lo tsunami di diverse ore, gli scienziati ritengono che il metodo ionosferico verrà utilizzato anche nel servizio di allerta.

Le informazioni provenienti da tutti gli strumenti e i sensori installati sul fondo dell'oceano, le stazioni di boa e la riva saranno inviate a un unico centro dell'istituto e inviate a un computer. La macchina calcolerà e formulerà una raccomandazione: in quale area dovrebbe essere prevista l'onda più alta e quanto presto. In quest'area suonerà un allarme: le persone avranno il tempo di trasferirsi in un luogo sicuro.

Sai che ...

... Gli tsunami possono essere causati non solo dallo spostamento di enormi blocchi di terra sul fondo dell'oceano. Durante l'eruzione del Krakatau nell'estate del 1883, un'esplosione di forza senza precedenti scosse la terra. L'isola-vulcano (le sue dimensioni erano circa 5 per 10) è esplosa nell'aria e frammenti di roccia con un volume di 20 km3 sono caduti nelle acque dello Stretto della Sonda. Furono loro a provocare un'onda gigante che, sebbene già indebolita, fu registrata sulle coste della Francia e dell'Inghilterra, cioè attraversò l'Oceano Indiano, fece il giro dell'Africa ed entrò nell'Atlantico.

... L'atmosfera può anche generare tsunami. Non appena la pressione atmosferica da qualche parte sopra l'oceano scende di solo 1 mm, il livello dell'acqua in quest'area aumenterà di 13 mm. E la pressione atmosferica a volte scende di molte decine di millimetri, come accade durante i tifoni. Sulla superficie dell'acqua si crea qualcosa che assomiglia a una collina che, con un brusco spostamento del ciclone, si deposita istantaneamente e genera onde.

... Nel luglio 1958, sulla costa dell'Alaska, una grande valanga discese dalle pendici del Monte Fairweather, contenente una massa di ghiaccio, neve e terra. L'onda che si alzava dopo aver raggiunto più di 500 m di altezza. Non sorprende che lei "con la testa" coprisse l'isola vicina.

...Recentemente, sono state rilevate onde di tsunami... sulla Luna. Secondo gli astronomi, le numerose strutture montuose a forma di anello che circondano la maggior parte dei crateri lunari con un diametro di 200 km potrebbero essere conservate dai lupi dello tsunami. I meteoriti caduti sulla superficie non ancora raffreddata della Luna hanno perforato il suo sottile guscio indurito. La roccia fusa salì dalle viscere nel buco formatosi. Come un normale liquido, formava onde che si congelavano per sempre.

...Tredici anni fa, sull'isola di Urup, che fa parte della catena delle Curili, viveva un grande branco di lontre marine. Dopo due devastanti incursioni dello tsunami, le acque costiere poco profonde sono state ricoperte di pietre. L'equilibrio alimentare degli animali è stato disturbato e il loro numero è stato drasticamente ridotto. Ma ecco uno schema interessante. Poco dopo lo tsunami, sulla stessa isola è stata notata un'esplosione ambientale. La mandria di urupsia non solo si è ripresa rapidamente, ma è anche aumentata. Secondo lo zoologo Sakhalin Viktor Voronov, gli tsunami distruggono e creano. Un aratro gigante solleva un'enorme quantità di sostanze nutritive dalle profondità. Le onde solcano e fertilizzano la piattaforma costiera. In un "brodo" così nutriente si sviluppano rapidamente fito e zooplancton, crescono banchi di pesci. Pertanto, la lontra marina ha scelto l'isola come luogo di residenza, che è soggetta ogni anno ad attacchi di tsunami.

... Calcolato e sperimentalmente, gli scienziati sono giunti alla conclusione che le onde dello tsunami decadono con la distanza dall'epicentro in proporzione alla distanza, presa approssimativamente alla potenza di 5/6. Le fluttuazioni della crosta terrestre sotto il fondo dell'oceano possono causare non una ma diverse onde. Quale di loro è il più pericoloso: il primo, il secondo, il terzo? Si scopre che lo tsunami alterna nella sua crescita relativa mentre si allontana dal luogo in cui ha avuto origine. Ad esempio, vicino all'epicentro, la seconda ondata è più alta della prima. Ma più lontano dalla fonte, maggiore è il numero di serie è l'onda massima.

...L'energia caratteristica di un terremoto è la magnitudo misurata da un sismografo. La scala di magnitudo è stata proposta da Charles Richter. Il terremoto più potente ha una magnitudo leggermente inferiore a 9. I sismologi ritengono che se la magnitudo sulla scala Richter è 7 o più, il verificarsi di uno tsunami è quasi del tutto inevitabile. Se inferiore, la probabilità di uno tsunami è prossima allo zero.

Autore: V.Rotov

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