Цунами. Цвет моря

Давайте начнём с самого главного вопроса: что же такое цунами? Это слово пришло к нам из Японии и состоит из двух частей: «цу», что означает «гавань», и «нами» — «большая волна». Получается, «большая волна в гавани». И это название очень точно описывает суть явления, потому что свою настоящую разрушительную силу цунами обрушивает именно на берег, на портовые города и бухты. Таким образом, цунами — это длинные и высокие волны, возникающие в результате какого-либо мощного воздействия на всю толщу воды в океане.

Цунами по праву считаются одними из самых опасных природных явлений на нашей планете. И важно понимать, что они не имеют ничего общего с ветра́ми, штормами или ураганами. Их колыбель — это самые глубины океана, где происходят глобальные геологические процессы, связанные с движением земной коры.

Основная и самая частая причина рождения цунами — это подводные землетрясения.

Представьте себе: во время такого землетрясения огромный участок океанского дна, размером в десятки или даже сотни километров, вдруг резко поднимается или опускается. Он, как гигантский поршень, толкает всю массу воды над собой. Конечно, не каждое подводное землетрясение порождает смертоносную волну, но самые сильные из них, с магнитудой более 7, практически всегда становятся причиной цунами. Причём более 80 % всех цунами возникают на берегах Тихого океана, в так называемом «огненном кольце» — зоне повышенной сейсмической активности.

Как и у любой волны, у цунами есть свои характеристики, которые помогают учёным их изучать и прогнозировать. Это высота, длина и скорость.

Высота волны — это расстояние по вертикали от самой низкой точки волны, её подошвы, до самой высокой — гребня.

Длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями. Представьте себе череду холмов, идущих друг за другом.

А скорость перемещения формы волны — это скорость, с которой движется, например, гребень. Это не скорость движения самой воды, а скорость распространения энергии волны.

И вот здесь нас ждут поразительные цифры. В открытом океане, где средняя глубина составляет около 4 километров, скорость цунами достигает просто колоссальных значений — до 200 м/с (или 720 км/ч). Это скорость реактивного самолёта. При этом, так как цунами рождается из-за сдвига огромного участка дна, длина такой волны в океане тоже огромна — сотни километров. А вот высота, как это ни странно, совсем небольшая — редко больше одного метра. Представьте себя пассажиром корабля в открытом море. Вы бы даже не заметили, как медленно и плавно палуба поднимается и опускается на этот самый метр. Для судоходства в открытом океане цунами не опасны.

Всё меняется, когда волна приближается к берегу, к мелководью. Вот здесь-то цунами и показывает свой настоящий характер, становясь смертельно опасным. Почему так происходит? Дело в том, что у берега глубина резко уменьшается. Нижние слои волны начинают «цепляться» за дно и сильно тормозить, а верхние слои, которые ещё движутся быстро, накатывают на них. При этом кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию высоты, и волна вырастает до чудовищных размеров.

Оценить, насколько увеличится высота волны при выходе на мелководье, можно с помощью вот такой формулы:

Давайте разберёмся, что здесь что. Н_глуб — это высота начальной волны в глубоком месте, h_глуб — это глубина моря в глубоком месте, а h_мелк — глубина моря у берега, на мелководье.

Давайте рассмотрим пример, чтобы было понятнее. Если цунами родилось в океане на глубине 6 километров и имело скромную высоту всего в полтора метра, то при подходе к берегу, где глубина уже всего 10 метров, её высота увеличится до 7,5 метров. А если такая волна входит в узкую бухту или пролив, где воде некуда расходиться, то она может стать ещё выше. В таких местах фиксировали волны высотой с десятиэтажный дом — до 30 метров и более. Но абсолютный рекорд принадлежит цунами, обрушившемуся 9 июля 1958 года в заливе Литуйа на Аляске. Гигантский оползень породил волну высотой более 500 метров! Это выше, чем Останкинская телебашня в Москве.

Теперь вы понимаете, почему цунами так сильно отличаются от обычных ветровых волн, которые мы все видели. У ветровых волн колеблется только самый верхний слой воды, может, несколько метров вглубь. А при цунами в движение приходит вся толща воды, от поверхности до самого дна. Кроме того, длина волны у цунами в десятки тысяч раз больше, чем у ветровой.

Скорость же перемещения цунами, как мы уже говорили, зависит от глубины. Она определяется по формуле, связывающей ускорение свободного падения и глубину океана в данном месте:

Длина волны в эту формулу не входит, по крайней мере до тех пор, пока она много больше глубины. Если подставить числа, то для глубины 4 км действительно получится 200 м/с!

Но посмотрите, что происходит на мелководье: при глубине всего 10 метров скорость волны падает до 10 м/с.

И тут важно не путать скорость самой волны и скорость движения воды. Волна — это энергия, бегущая по океану, а вода при этом остаётся почти на месте, она лишь колеблется на небольшом расстоянии. Скорость течения воды в открытом океане примерно на четыре порядка меньше скорости волны.

Из формулы для скорости цунами мы можем сделать два важных вывода. Первый: высота волны растёт на мелководье, потому что задняя часть волны, ещё быстрая, догоняет переднюю, которая уже упёрлась в дно и замедлилась. Второй: характерный эффект при приближении к берегу — опрокидывание волны. Так как гребень волны находится в более глубокой воде, чем её подошва, то он движется чуть быстрее и в итоге «заваливается» вперёд, обрушиваясь на берег с огромной силой. И этот эффект проявляется тем сильнее, чем мельче водоём. В итоге у берега цунами превращается в водяную стену высотой в десятки метров.

Поскольку цунами обычно проявляется как серия волн, то из-за очень большой длины волны между приходами волн проходит много времени, иногда, более часа. Это создаёт страшную ловушку для людей, которые, пережив первую волну, думают, что всё кончилось, и возвращаются в свои дома.

Печальный пример — трагедия города Северо-Курильска 5 ноября 1952 года. Мощное землетрясение в 130 километрах от Камчатки породило цунами. Через час после толчков на город обрушилась первая волна. Она была разрушительной, люди в ужасе бежали, кто в чём был.

Когда вода отступила, многие, решив, что худшее позади, вернулись домой, чтобы собрать вещи и найти родных. Но спустя всего 20 минут пришла вторая, самая страшная волна, высотой с пятиэтажный дом. Она застала людей врасплох и уничтожила практически всё, что уцелело. За ней последовала третья, слабее, но она довершила разгром. Эта история учит нас, что при угрозе цунами нельзя возвращаться на берег, пока не поступит официальное разрешение от спасательных служб.

Теперь давайте попробуем оценить, какой же чудовищной энергией обладают эти волны. Представьте, что во время землетрясения над очагом поднялся целый холм из воды. Вся энергия цунами в этот момент — это потенциальная энергия этого поднятого столба воды. Обозначим среднюю высоту подъёма воды как d. Тогда потенциальная энергия будет выражаться формулой

где S — это площадь очага землетрясения. Возьмём для примера источник размером 100 х 1000 км — это типично для сильных землетрясений. Если средняя высота смещения воды будет всего полметра, то энергия получится колоссальной — примерно Е = 10¹⁴ Дж. Это равно энергии атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. Но, согласно расчётам, энергия цунами в Индийском океане 26 декабря 2004 года оказалась в 390 раз больше!

Такой энергии хватило бы, чтобы вскипятить по 150 литров воды каждому жителю Земли, а это около одного триллиона литров. Или, если посмотреть иначе, человечество использует столько энергии за целых два года.

А теперь, ребята, давайте сменим тему и поговорим о чём-то более прекрасном, но не менее загадочном. Вы, конечно, видели картины великого мариниста Ивана Константиновича Айвазовского. Волна на его полотнах — это главный герой, живой и дышащий. Никто не мог изобразить море так реалистично, как он. И хотя писал он все свои картины по памяти, в них с невероятной точностью переданы все оттенки и игра света на воде.

А задумывались ли вы, почему море имеет столько разнообразных цветов и оттенков? Ведь если налить морскую воду в стакан, она окажется практически прозрачной и бесцветной.

Секрет кроется в толщине водного слоя. Вода, как это ни удивительно, имеет собственный цвет. Она поглощает лучи красной части спектра немного сильнее, чем синей. Кроме того, на цвет влияют различные примеси, взвеси и крошечные организмы, плавающие в ней.

Строение молекулы воды определяет её голубой цвет в толще. У каждой молекулы есть свои характерные частоты колебаний. У воды их три (2663, 2740 и 6270 нм), и они соответствуют излучению в инфракрасном диапазоне, которое наши глаза не видят. Но вот что важно: лучи, близкие к этим частотам, а именно красные лучи видимого спектра, тоже поглощаются водой. Их энергия превращается в тепло. Получается, что из всего видимого спектра вода активнее всего «забирает» именно красные и жёлтые лучи.

А что же остаётся? Остаются синие и зелёные лучи. Они-то и отражаются обратно, попадая в наши глаза. В результате мы видим тот самый цвет, который называют «цвет морской волны». Но он не всегда одинаков. Чем больше в море фитопланктона — микроскопических водорослей, — тем больше в его цвете зелёных оттенков. Ведь эти частицы по-другому рассеивают свет. Так что, как ни парадоксально, зелёный цвет моря — это признак жизни, признак его богатства и плодородия. А если фитопланктона мало, как, например, в Средиземном море, то вода становится ярко-голубой, ультрамариновой. Это слово придумали итальянские художники, и означает оно «сверхморской». В ясную солнечную погоду спокойное море может сиять нежным бирюзовым цветом.

Мы уже знаем, что морская вода цвета ультрамарина и бирюзы говорит нам о том, что это море бедно жизнью. Но всё же как здорово любоваться таким морем на отмели с белым песком или на берегу острова, сложенного из белого известняка. Здесь светлое дно отражает солнечные лучи, и тонкий слой воды дополнительно подсвечивается снизу.

Конечно, цвет моря зависит и от неба. В безоблачный день голубое небо делает море синим. А когда небо затянуто свинцовыми тучами, море становится серым и суровым.

А теперь представьте, что мы не смотрим на море сверху, а погружаемся в его глубины с аквалангом. С глубиной цвета начинают быстро исчезать. Это хорошо знают дайверы. Уже на глубине 25 метров вода становится тёмно-сине-зелёной. Красные и жёлтые лучи Солнца почти полностью поглощаются на пути сюда. Именно поэтому глубоководные рыбы окрашены в тёмно-синие и фиолетовые цвета. Здесь, в полумраке, такая окраска делает их невидимыми. А вот снаряжение аквалангистов, наоборот, делают ярко-жёлтым или оранжевым, чтобы пловца было хорошо видно его напарнику в сине-зелёной мгле.

Если погрузиться ещё глубже, на 40—50 метров, там уже царит настоящий сумрак, почти ночь. Всё вокруг выглядит тёмно-фиолетовым или даже чёрным. Потому что из всего видимого спектра лучше всего пробиваются на такую глубину именно фиолетовые лучи, у которых коэффициент поглощения в воде минимален.

Выходит, что цвет моря зависит от множества факторов: от жизни в нём, от взвесей, от ветра, от солнца и туч, от того, под каким углом мы смотрим. Это вечно меняющаяся картина, которая никогда не повторяется. И нужно быть настоящим гением, как Айвазовский, чтобы уловить это мгновение и перенести его на холст. Учёные даже говорят, что по его картинам можно изучать физику оптических явлений на море.

Океан полон загадок, и сегодня мы с вами разгадали лишь некоторые из них. Но мы надеемся, что этот урок помог вам понять, насколько тесно переплетены в нашем мире физика, география, искусство и сама жизнь.