CC BY
46
--------------------------------------- © Л.В. Надкриничный, 2009
УДК 622.277.3;622.278 Л.В. Надкриничный
ОБРАЗОВАНИЕ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ВОЛН ЦУНАМИ ПРИ ПРОВАЛЕ ДНА И ПАДЕНИИ КРУПНОГО ТЕЛА В ОКЕАН
Для моделирования и прогнозирования крупномасштабных явлений в океане предлагаются расчётыг возможным сценариев образования катастрофических волн цунами.
Ключевые слова: мелкая вода, волнообразование, провал дна, падение тела.
'ИТ4 атастрофические океанские волны, называемые «цуна-_Ж\ ми», являются причиной больших бедствий для побережья. Прогнозирование и моделирование волн цунами становиться важной задачей для учёных. Решение задачи по проблеме цунами принято разделять на несколько частей, одна из которых включает в себя изучение процессов, являющихся вероятными источниками генерации подобных волн. Источниками образования катастрофических океанских волн могут служить, в частности, вертикальные смещения дна и падение крупного «внеземного» тела в океан. Нередко причиной цунами бывает землетрясение относительно малой магнитуды. Как известно, землетрясения на суше сопровождаются трещинами, разломами с вертикальными и горизонтальными смещениями границ. Не исключено, что подобное может происходить на морском дне. Понижение уровня моря при определённых условиях может приводить к образованию цунами. Этот механизм, называемый стоковым, может сопровождать сейсмические подвижки морского дна, но в отдельных случаях может быть преобладающим. Особый интерес в последнее время вызывает возможность возникновения катастрофических волн цунами при падении в океан тел из межпланетного пространства. Такие волны в современной научной литературе принято называть космогенными цунами. Падение метеорита в океан может привести к возникновению цунами колоссальной высоты, а при учёте того, что поверхность океана занимает значительную площадь земной поверхности, то падение метеорита в океан более вероятно, чем на сушу.
Рис. 1. Модель провала дна и прохождения образованной волны над подводным препятствием
Возникнув в каком-либо месте океана, волны цунами способны распространяться на громадные расстояния, сохраняя разрушительную силу. Существенное влияние на распространение цунами оказывает подводный рельеф дна океана, причём не только на скорость волн, но и на распределение амплитуд вдоль фронта. В частности, подводные хребты служат волноводами, над которыми происходит концентрация энергии. Как известно, скорость распространения гравитационных волн зависит от глубины водного слоя, таким образом, при прохождении волн над подводными препятствиями, скорость волн и их амплитуда будут меняться.
В работе рассматривается задача моделирования поверхностных волн, возникающих при опускании части дна под слоем жидкости, которое может быть вызвано сейсмотектоническими процессами в земной коре. Проведённые численные расчёты показали, что при локальном провале дна образуется возвышение уровня свободной поверхности, которое распадается на волны повышения. Амплитуда образованных волн находится в прямой зависимости от размеров провала, чем больше размеры опускающейся части дна, тем волны с большей амплитудой образуются. Также замечено, что чем быстрее происходит опускание части дна, тем больше ампли-
туда образованных волн. Полученные закономерности подтверждают тот факт, что крупные смещения поверхности дна, протекающие за короткий промежуток времени, являются очагами катастрофических волн большой амплитуды. Что подтверждается историей наблюдений за возникновением цунами в открытом океане.
Выявлена следующая Рис. 2. Модель образование волны при по- не маловажная особенность гружении цилиндра в жидкость
поведения волн в открытом бассейне. А именно, на численных расчётах показан проход волны над подводным хребтом. Хребет влияет на движущуюся волну подобно волнорезу - амплитуда прошедшей над препятствием волны сильно снижается. Проведённые расчёты выявили, что разница значений амплитуды волны до подхода к хребту и волны, прошедшей над препятствием, зависит от вертикального размера препятствия: чем больше высота хребта, тем больше эта разница. Горизонтальный же размер подводного препятствия сказывается на прошедшую над ним волну слабо. Увеличение ширины препятствия лишь незначительно понижает амплитуду волны. Таким образом, подводный хребет является действенным механизмом ослабления катастрофического характера крупных волн.
Для исследования «космогенных» цунами рассматривается задача моделирования поверхностных волн, возникающих при быстром погружении твёрдого тела в жидкость. Твёрдое тело представляет собой цилиндр, в одном случает с затуплением в форме плоского торца, а другом случае - с полусферическим затуплением. При погружении цилиндрического твёрдого тела, около стенки цилиндра образуется повышение уровня жидкости, которое распадается на волны повышения. Амплитуда образованных волн находится в прямой зависимости от радиуса и скорости погружения цилиндра, чем больше параметры тела, тем волны с большей амплитудой
образуются. Увеличение расстояния, пройденного волной при достижении заданного значения амплитуды, также напрямую зависит от увеличения параметров тела. Полученные закономерности подтверждают тот факт, что падение крупного тела с большой скоростью в открытый океан является очагом катастрофических волн большой амплитуды.
Расчёты показали, что форма затупления погружающегося цилиндра не влияет на форму образованной волны. Ключевым для образования волн катастрофической амплитуды при данном процессе является именно радиус тела. Но для образования действительно больших волн необходима колоссальная скорость движения тела, которой как раз таки обладают метеориты. Таким образом, падение тела в открытый океан является действенным механизмом образования крупных волн.
Все расчёты проводились с использованием уравнений мелкой воды в декартовой (моделирование провала дна) и цилиндрической (погружение цилиндра) системах координат без учёта сил трения и вязкости жидкости. Для численных расчётов была использована явная численная схема с уменьшающейся полной вариацией (TVD схема) на численной сетке типа «С» по классификации Аракавы. Критериями подобия в приведённых моделях являются: отношение линейных размеров к полной глубине невозмущённой жидкости, а также число Фруда.
Nadkrinichny L. V.
GENERATION OF DISASTROUS TSUNAMI WAVES
BY COLLAPSING BOTTOM AND FALLING HUGE
BODY INTO OCEAN
For simulation and forecasting of large-scale processes in ocean the possible scenarios of tsunami wave generations are presented.
Key words: shallow water, wave generation, collapsing bottom, falling body.
— Коротко об авторе ------------------------------------------
Надкриничный Леонид Владимирович - аспирант, ст. лаборант, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, г. Владивосток, Е-таіі: 1ти:еп@іаср. dvo. ги
