Землетрясение и цунами 11 марта 2011 г. в Японии

В 2001-м году на международной конференции по проблеме цунами, проходившей в Стамбуле, мне удалось познакомиться с обаятельным коллегой из Японии профессором Токийского технологического института Татсуо Омачи. Общность научных интересов – хорошая основа для общения, тем более, что в те годы проявлениями сжимаемости воды при генерации цунами землетрясением занимались всего несколько человек в мире. Наше знакомство в итоге вылилось в совместные исследования по проекту, поддержанному грантом РФФИ-JSPS (Japan Society for the Promotion of Science). Но далее речь пойдет не об этом. Тогда, 10 лет назад, мне, конечно, еще не были известны анкетные данные моего нового знакомого, и трудно было себе даже представить, насколько везучим человеком является Татсуо Омачи. Дело в том, что он родился в Хиросиме в августе 1945 г. И только по счастливому стечению обстоятельств был увезен из города, не попал под бомбардировку и остался жив.

Находясь рядом с везучим человеком, сам отчасти перенимаешь это полезное качество. Справедливость этого мистического утверждения мне довелось испытать на себе. В марте 2011 г. Токийский технологический институт проводил очередную международную конференцию по Городской инженерной сейсмологии (8th CUEE Conference). Традиционно на этой конференции работает секция по волнам цунами, в которой представители нашей научной группы принимают участие уже третий год подряд. Элементы везения стали наблюдаться, когда российские участники привезли с собой в Токио сильнейший снегопад – довольно редкое явление для столицы Японии. Но главные события, о чем, несомненно, уже догадался внимательный читатель, развивались 11 марта. В этот день конференция уже закончила свою работу, и автор этих строк находился в 50 км к югу от Токио в одной из древних столиц Японии городе Камакура.

Рис. 1. Вид на город Камакура и океан с территории святилища Хасэ-дэра.

При осмотре пещеры, расположенной на территории святилища Хасэ-дэра, вдруг неожиданно выключилось освещение. По-видимому, именно с этим моментом следует ассоциировать начало землетрясения. Пещера имеет небольшую протяженность, так что наружу удалось выбраться быстро – примерно через минуту. И сразу после этого почувствовалось само землетрясенние – сейсмичесие волны достигли Камакуры. Колебания продолжались несколько минут и были такой силы, что некоторые из посетителей святилища предпочти сесть на землю. Впрочем, на ногах легко можно было устоять. До этого события мне уже доводилось ощущать сравнительно слабые сейсмические толчки на Камчатке, Курильских островах и на Сахалине. Но колебания такой силы ранее переживать не приходилось.

Святилище Хасэ-дэра расположено на холме, с которого открывается чудесный вид на океан и на город Камакура (см. Рис. 1). Как специалисту по цунами мне было хорошо понятно, что волна может последовать за землетрясением. Впрочем, находясь на высоте 20-30 м над уровнем моря и имея возможность подняться еще выше по многочисленным лестницам, я чувствовал себя в полной безопасности. К сожалению, наблюдать цунами из безопасного места не удалось, т.к. всех посетителей святилища после землетрясения поспешили удалить в город.

Неизменный порядок на улицах города и отсутствие даже признаков паники действовали успокаивающе. Пересекая город в 500 м от линии берега, я вспоминал впечатляющие видеокадры катастрофического Индонезийского цунами 2004 г., и, признаться, ощущал себя несколько неуютно.

Мое относительное спокойствие закончилось через 1-2 часа после землетрясения с получением СМС от коллеги из Южно-Сахалинска. Сообщалось, что произошло землетрясение с магнитудой 8.9 с эпицентром в океане в 375 км от Токио. После этого сообщения мне стали понятны масштабы катастрофы, и я поспешил удалиться от побережья как можно дальше.

Рис. 2. Остаточные деформации дна в очаге цунами Тохоку 2011. Вертикальные деформации показаны изолиниями: красные линии – поднятие, синие – опускание дна. Горизонтальные деформации показаны зелеными стрелками.

В дальнейшем выяснилось, что землетрясение 11 марта 2011 г. («землетрясение Тохоку») в данном регионе является беспрецедентным по мощности. Недооценка этой мощности и стала причиной большого числа жертв и разрушений. Важно отметить, что система предупреждения о цунами сработала четко – тревога в Японии была выпущена спустя всего три минуты после момента начала землетрясения. А первая значительная волна цунами достигла побережья через 30-40 минут.

В чем же заключалось мое персональное везение? Почувствовать явление, которое изучаешь, «на своей шкуре» удалось лишь отчасти. Полагаю, что моя удача состояла в том, что на всем своем долгом пути от Камакуры до гостиницы в Токио и, затем, на пути от Токио до аэропорта Нарита мне посчастливилось не увидеть своими глазами ни разрушений, ни смертей. Транспортный коллапс и опоздание на самолет – вот единственные испытания, выпавшие на мою долю.

Надо заметить, что конференция, в работе которой мы принимали участие, имеет прямое отношение к сейсмостойкому строительству. Поэтому о некоторых инженерных секретах мы были осведомлены. Честь и хвала японским инженерам! Средства, выделенные на исследования, не пропали даром! Уверенность в надежности конструкций позволила мне спокойно спать на 10-м этаже 20-этажной гостиницы в ночь с 11 на 12 марта, покачиваясь на волнах многочисленных афтершоков.

При возбуждении волн цунами подводным землетрясением важную роль играют остаточные (косейсмические) деформации дна. Вытеснение огромного объема воды за время в несколько минут и является основным механизмом генерации цунами. Кстати, при землетрясении Тохоку 2011 было вытеснено порядка 100 км³ воды.

Для расчета деформации дна необходима информация о механизме очага и распределении подвижки вдоль поверхности разрыва. В оперативном режиме такой расчет невозможен. Одна из первых оценок распределения подвижки в очаге землетрясения (Finite Fault Model) стала доступна на сайте Геологической службы США (USGS) примерно через сутки после землетрясения. Свободный доступ в Интернет в аэропорту Нарита позволил скачать эти данные, и первый расчет деформаций дна был готов еще на борту самолета по пути в Москву. Расчет показал, что максимальное поднятие дна океана составляло 5.5 м, опускание – 1.5 м, а горизонтальная компонента деформации достигала 8.5 м.

В дальнейшем Геологическая служба США выложила уточненный расчет распределения подвижки. Если предварительная оценка давала максимальную величину подвижки в очаге землетрясения около 17 м, то новая оценка увеличила это значение почти двукратно – до 33 м. Соответственно изменились и параметры деформации дна (см. Рис. 2).

Рис. 3. Форма начального возвышения водной поверхности в очаге цунами Тохоку 2011.

В численных моделях процесс генерации цунами землетрясением обычно рассматривается как мгновенный. Обоснованием здесь служит малость времени деформации дна по сравнению с временем распространения длинной гравитационной волны на расстояние, равное горизонтальному протяженности очага цунами. Полагается, что вертикальная косейсмическая деформация дна создает на поверхности воды эквивалентное по форме начальное возвышение. В гидродинамическом численном моделировании динамики цунами такое начальное возвышение используется в качестве начального условия. Начальное поле скорости течения при этом полагается нулевым. Описанная традиционная методика имеет два существенных недостатка. Во-первых, она не учитывает горизонтальные движения подводных склонов. Во-вторых, традиционная методика пренебрегает сглаживающим воздействием водного слоя. В итоге спектр цунами искусственно насыщается коротковолновыми компонентами, которые в принципе не могут быть сформированы движениями дна.

Около 2-х лет назад в нашей группе была разработан практический метод расчета «оптимального» начального возвышения водной поверхности в очаге цунами по векторному полю деформации дна и распределению глубин вблизи источника. Этот метод позволяет учитывать как вклад горизонтальных деформаций подводных склонов, так и сглаживающее влияние водного слоя. Результат наших расчетов показан на Рис. 3.

В начале апреля автору этих строк довелось принять участие в Генеральной Ассамблее Европейского Союза Наук о Земле (EGU General Assembly 2011). Это было первое крупное научное мероприятие после катастрофы в Японии. Несмотря на то, что прием тезисов докладов был завершен еще в начале января, организаторы мероприятия сочли необходимым провести специальную секцию, посвященную землетрясению и цунами в Тохоку. Наряду с известными японскими, американскими и германскими специалистами мне предложили выступить с докладом о воздействии цунами на Российское побережье. Отказываться от такой возможности было бы неразумно. Поэтому пришлось отказаться от приятных прогулок по весенней Вене и заняться подготовкой презентации к докладу.

При работе над презентацией испытал столь редкую ныне гордость за нашу страну. На Российском дальневосточном побережье за последние годы наконец организована современная сеть наблюдений за уровнем моря. Установлены береговые станции, информация по которым доступна в режиме реального времени на сайте www.rtws.ru. Значительная часть станций (16 из 23) успешно записали волну цунами 11 марта. По данным береговых станций максимальная амплитуда (размах) зафиксирвана Южно –Курильске (2 м). По данным иных станций, расположенных на Сахалине, Камчатке и в Приморье, амплитуда волн, как правило, не превышала нескольких десятков сантиметров. На этот раз природная катастрофа обошла Россию. Жертв и каких-либо существенных разрушений на российском побережье не было. Кроме того, российская служба предупреждения о цунами сработала четко и выпустила сообщение о тревоге цунами по Курильским островам через 12 минут после землетрясения. Заметим, что первая волна пришла в Южно-Курильск через 2 часа после землетрясения.

Помимо береговых станций, цунами было успешно записано российским глубоководным датчиком системы DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis). Этот прибор был установлен совсем недавно - в августе 2010 г. В настоящее время в Мировом океане насчитывается несколько десятков постановок DART. Прибор представляет собой донный регистратор, установленный в открытом океане на значительной глубине (обычно 4-5 км), который измеряет давление с точностью порядка 1 мм. водяного столба. При прохождении волны цунами меняется донное давление и, таким образом, регистрируется волна. Регистратор передает информацию по акустическому каналу на заякоренный буй, а тот в свою очередь – по спутниковому каналу – в приемный центр. В итоге информация доступна в режиме реального времени на сайте http://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/.

Рис. 4. Запись цунами Тохоку 2011 глубоководной российской станцией DART21401 (черная кривая) и результат численного моделирования (красная кривая) с источником, показанным на Рис. 3.

Цунами относятся к классу длинных волн в океане. Скорость длинных волн определяется простой формулой , где - ускорение силы тяжести, - глубина океана. Постановка станций DART на значительных глубинах, из-за большой скорости волны, обеспечивает более раннюю регистрацию цунами по сравнению с береговыми станциями. Так, например, в Южно-Курильск волна пришла на 60 минут позже, чем была зарегистрирована российской глубоководной станцией DART21401. Выбор места постановки датчика, несомненно, оказался удачным.

В заключение покажем результаты численного моделирования цунами Тохоку 2011, выполненного в нашей группе. На Рис. 4 черной кривой показана запись волны цунами, полученная глубоководной станцией DART21401. Красной линией показан результат численного расчета. Хорошее совпадение амплитуд синтетической и реальной волн просто удивительное. Это говорит о неплохой точности оценки деформаций дна в очаге цунами. Что касается несколько более раннего вступления синтетического сигнала, то оно легко объяснимо: Формирование начального возвышения в реальности происходит не в момент начала землетрясения, а по прошествии некоторого времени (в данном случае 2-3 мин). На Рис. 5 показано распределение максимальных смещений водной поверхности, полученное в результате численного моделирования. Диаграммы такого рода в последнее время широко используются специалистами по цунами, т.к. они наглядно демонстрируют направленность распространения энергии волн цунами.

Сразу спешу развеять впечатление, что проблема цунами решена. Это далеко не так. Численная модель неплохо воспроизводит только первую волну. Особенности хвостовой части сигнала, сформированные в результате многочисленных отражений волны от побережья, практически не воспроизводятся. В прибрежной и мелководной зоне на динамику волн цунами влияют нелинейность, донное трение, особенности топографии и свойств подстилающей поверхности. При распространении волны по суше она переносит с собой обломков строений и судов, деревья и булыжники. Эрозия берега и, наоборот, вынос отложений на берег, возможность обрушения волны – все эти факторы чрезвычайно осложняют описание взаимодействия цунами с побережьем. Эта часть проблемы цунами еще не скоро найдет свое окончательное решение.

Рис. 5. Распределение максимальных смещений водной поверхности, вызванных прохождением цунами Тохоку 2011. Численный расчет с источником, показанным на Рис. 3.

В среднем на Земле происходит примерно одно сильное цунами в год. Изменение повторяемости цунами (и землетрясений) возможно только на геологических временах. Но опасность, которую представляют эти волны, стремительно возрастает, что связано с ростом уязвимости побережий. Рост населения в прибрежной зоне, развитие береговой инфраструктуры – все это увеличивает риски цунами.

Учитывая неточность данных сообщаемых средствами массовой информации, в завершение приведу официальные (IOC/UNESCO Bulletin No. 19, as of 12 April 2011) цифры, свидетельствующие о масштабе катастрофы в Японии.

Погибло	13 232 человека
Пропало без вести	14 554 человека
Эвакуировано	141 343 человека

Профессор кафедры физики моря и вод суши

М.А. Носов