8.3. Выброс струй воды и цунами, вызванные ударами

8.3. Выброс струй воды и цунами, вызванные ударами

Моря и океаны покрывают большую часть поверхности Земли, поэтому вероятность ударов астероидов и комет по водной поверхности выше, чем по суше.

Волны в воде в ближней зоне удара. Волны, вызванные падением метеороидов в океаны и моря, распространяются от места удара на большие расстояния и могут вызвать весьма серьезные последствия [Hills and Mader, 1995; Hills et al., 1994]. Удары по водной поверхности так же, как и по суше, вызывают образование кратера. Поскольку кратер в воде нестабилен, помимо волн, вызванных непосредственно ударом, после заполнения кратера водой и его схлопывания возникают волны, распространяющиеся наружу [Gault and Sonnet, 1982]. Астероиды с размерами, большими чем глубина океана, вызывают вблизи места удара волны с амплитудой, сравнимой с этой глубиной [Ahrens and O’Keefe, 1983, 1987; Roddy et al., 1987].

Численные расчеты [Ahrens and O’Keefe, 1987; Roddy et al., 1987] дали детальную картину начальной стадии гидродинамических процессов, инициированных вертикальным падением 10-километрового каменного тела со скоростью 20 км/с и энергией 6 10⁷ Мт ТНТ в океан глубиной 5 км. Через 120 с после падения высота волны в воде приблизительно равна 4 км. В работе [Nemchinov et al., 1993] численные расчеты были выполнены для кометы диаметром 2 км, имеющей такую же скорость и падающей в океан глубиной 4 км. Через 37 с после удара высота волны в воде составляет 1,3 км на расстоянии 18 км от места удара (это существенно нелинейная стадия распространения волны). Энергия 150-метрового железного тела, движущегося со скоростью 20 км/с, равна 600 Мт. Такое тело пройдет через 600-метровую толщу морской воды почти без замедления и испарит большое количество воды ударной волной, а также вызовет образование кратера в морском дне почти такого же размера, что и при ударе о поверхность суши [Croft, 1982].

^{Рис. 8.11. Образование кратера и формирование волн цунами при ударе каменного тела диаметром 600 м о поверхность океана глубиной 1 км}

На рис. 8.11 проиллюстрировано образование кратера в воде и океанском дне и формирование волн в воде в ближней зоне при ударе каменного тела диаметром 600 м о поверхность океана глубиной 1 км (расчеты были проведены по программе SOVA). Как видно, через 30 с после удара высота водяной струи составляет примерно 2,5 км. В момент времени 60 с эта струя уже разрушилась; гребень волны, вызванной ударом, находится на расстоянии ? 12 км от места падения. При ударе железного астероида диаметром 1 км с энергией 1,5 10⁶ Мт ТНТ высота струи достигает 19 км, высота волны вблизи места удара достигает 0,8 км и снижается до 0,4 км на расстоянии 64 км от места удара.

Для случая плотности ударника ? = 3 г/см³, его скорости V = 20 км/с и эффективности передачи энергии воде ? = 0,15 в работе [Ward and Asphaug, 2003] зависимость диаметра d и глубины h временного кратера в глубокой воде была аппроксимирована соотношением

d = 117D₀^3/4, h = d/3,13,

где D₀ — диаметр ударника в метрах. Для D₀ = 300 м диаметр временного кратера d составит 8,4 км, а его глубина h = 2,7 км.

Экспериментальные данные по распространению волн в воде на боль шие расстояния. При распространении волн в воде на большие расстояния в случае цилиндрической симметрии простая оценка такова: высота волны h_w ? 1/r, где r — расстояние от центра. Этот закон согласуется с эмпирическим соотношением [Коробейников, Христофоров, 1976], полученным при анализе результатов подводных взрывов ТНТ. Распространение волн в воде в эксперименте [Glasstone and Dolan, 1977] также подчиняется этому закону. Исходя из этого легко получить следующую оценку: h_w = 10 м на расстоянии 2000 км для 2-километровой кометы, падающей в океан глубиной от 4 км, и на расстоянии 3000 км для 150-метрового железного тела, падающего в море глубиной 600 м (это средняя глубина Балтийского моря). Такая высота водяной волны (10 м) соответствует высоте наиболее разрушительного цунами, зарегистрированного на Курильских островах в течение XX в. [Шокин и др., 1989].

Анализ экспериментальных данных по подводным ядерным взрывам [Glasstone and Dolan, 1977] привел к следующим эмпирическим зависимостям высоты h цунами над уровнем невозмущенного океана для случая, когда максимальная глубина водяного кратера заметно меньше глубины океана. На расстоянии r от места взрыва с энергией E

где h и h_w (h_w — полная высота волны) выражены в м, E — в Мт, а r — в км. Отметим, что астероид диаметром 500 м при скорости 20 км/с имеет энергию 10 000 Мт ТНТ. Астероиды диаметром менее 200 м обычно заметно теряют свою энергию за счет диссипации в атмосфере и снижают свою среднюю плотность, что приводит к заметному уменьшению высоты волн.

Средняя глубина океана d составляет 4–5 км. Если максимальная глубина кратера в воде становится сравнимой с этой величиной, то высота волны (в метрах) определяется по следующей эмпирической формуле:

В работе [Schmidt and Holsapple, 1982] на основании лабораторных экспериментов было установлено, что глубина кратера в воде примерно в 12 раз больше, чем диаметр ударяющего космического тела.

Помимо геометрической расходимости существует и дисперсия волн различных частот.

Цунами. Астероиды с размерами, заметно меньшими глубины океана, вызывают волны, которые можно назвать волнами в глубокой воде. Такие волны не представляют значительной опасности вплоть до больших расстояний от места удара. Если же волна попадает на мелководье, ее скорость уменьшается и ее фронт увеличивает свою крутизну — огромная волна цунами опрокидывается на побережье. Берега морей и океанов являются обычно областями с высокой плотностью населения и промышленности, что увеличивает опасность, исходящую от цунами. Такие низко лежащие площади, как территории Нидерландов и Дании, могут быть затоплены, а большие города и даже целые промышленные регионы, расположенные у берегов, могут быть погружены в воду (конечно, при падении очень больших тел).

Разрушительные последствия цунами хорошо известны по цунами, возникающим после землетрясений. Так, после Чилийского землетрясения 1910 г. волна прошла 17 000 км и вызвала в Японии цунами высотой 1–5 м. На расстоянии 10 500 км (на Гавайских островах) высота волны достигла 10 м. Еще более страшными были последствия события 26 декабря 2004 г., когда цунами было вызвано землетрясением магнитудой M ? 9 и привело к гибели более 300 000 человек, огромны были и материальные потери.

Набегание волны цунами на берег. Когда волна набегает на берег, максимальное расстояние, которое волна проходит в глубь суши (X_max), определяется высотой волны у берега h₀, наклоном берега и шероховатостью прибрежной зоны, по которой движется волна. Высота волны на берегу h и расстояние в глубь берега X связаны соотношениями [Hills and Mader, 1995; Mader, 1988; 1991]

Здесь A и B — константы, а параметр n характеризует шероховатость прибрежной поверхности, причем n = 0,015 для плоской поверхности, покрытой грязью, и n = 0,070 для берега с деревьями, кустами и скалами. В среднем n ? 0,03. Константы определяются на основании наблюдений. Для n = 0,035 и h₀ = 15 м оказывается X_max = 1,8 км. Для h₀ = 40 м имеем X_max = 9 км, а для h₀ = 200 м имеем X_max = 80 км.

Эмпирические данные по набеганию волн на берег при землетрясении [Toon et al., 1994] показывают, что в прибрежных районах с наклоном берега 1: 40 высота волны на берегу в 10–20 раз больше, чем в глубоком океане. Широкий шельф или рифы могут уменьшить высоту набегающей волны в 2–3 раза.

Оценки параметров волн цунами при ударе каменного тела диаметром 300 м при скорости входа 20 км/с в океан на расстоянии 1900 км от берега США показали [Chesley and Ward, 2006], что выход волны цунами на берег подвергает риску жизни примерно 1 млн человек и вызывает разрушения инфраструктуры стоимостью более 100 млрд долларов. Недавно вопрос о набегании на берег волн цунами, вызванных ударами, рассматривался в работе [Melosh, 2003]. При этом использовались опубликованные данные наблюдений за волнами, вызванными ядерными взрывами.

По мнению Мелоша [Melosh, 2003] для волн, вызванных ударами сравнительно небольших тел, коэффициент усиления волны при выходе на берег намного меньше, чем значение 10–20, принятое в работе [Hills et al., 1994] и основанное на исторических данных по цунами, вызванных землетрясениями. Мелош также обращает внимание на то, что, согласно данным ядерных испытаний, опрокидывание сравнительно коротких волн до выхода на берег ограничивает набег волны (эффект Ван Дорна). Поэтому относительно короткие волны, вызванные ударом астероидов небольших размеров, а именно 100–1000 м, по мнению Мелоша [Melosh, 2003] не представляют столь большой опасности, как считалось ранее. Этот вопрос требует дополнительного анализа.

В работе [Korycansky and Lynett, 2005] проведены расчеты опрокидывания волн, вызванных ударами тел размером менее 1 км в глубокий океан, при их выходе на берег. При расчетах использовались типичные профили дна Тихоокеанского побережья Северной Америки и Мексиканского залива. Предварительные результаты расчетов состоят в том, что типичное расстояние от берега, где происходит опрокидывание волн начальной высотой 10 м, составляет 3–7 км, для волн высотой 100 м — 15–18 км от Тихоокеанского побережья. Для более плавного профиля дна у берега Мексиканского залива расстояние опрокидывания увеличивается до? 200 км. В расчетах учитывалось трение о дно, которое для плавного профиля дна вызывает достаточную диссипацию энергии, препятствующую опрокидыванию волн. Отмечено, что максимальный набег волны при реальных ударах должен сильно зависеть от формы волнового пакета. Такие детальные исследования еще предстоит провести.

Изучение проблемы эволюции волны цунами еще далеко от завершения. Влияние реального рельефа береговой линии и дна являются, вероятно, наиболее важными факторами, которые должны приниматься во внимание в будущих предсказаниях опасностей, исходящих от цунами. Недавно проблема цунами широко обсуждалась в связи с катастрофическими событиями 26 декабря 2004 г. в Индийском океане. Была обнаружена сильная направленность распространения волн вдоль побережья острова Суматра и далее на север к Шри-Ланке и Индии [Lomnitz and Nilsen-Hofseth, 2005]. Таким образом, существует возможность большого локального или даже регионального усиления разрушительных последствий падения на больших расстояниях.

Наконец, удары в воду могут вызвать цунами не за счет образования кратера, а за счет мощных оползней, вызванных сейсмическим эффектом. Таким образом, проблема цунами, вызванных ударами, далека от своего разрешения. Так, остаются неопределенными последствия цунами, возникающих при ударах метеороидов в мелководные моря (например, Балтийское) и входе волн в заливы с учетом реального рельефа дна и формы береговых линий; нет каких-либо детальных оценок возможных разрушений объектов в прибрежных районах России. Во многих районах земного шара цунами возникают постоянно, и существует служба их предупреждения, использующая данные сейсмических сетей о землетрясениях и наблюдения за океаном. Это позволяет уменьшить число жертв за счет вывода населения из районов возможных цунами. Волны цунами, вызванные ударами метеороидов, не только менее изучены, но могут возникать в тех районах, которые сейчас не считаются цунамиопасными и где отсутствует служба предупреждения.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.