關(guān)于海洋環(huán)境與海陸的力學(xué)問(wèn)題

關(guān)于海洋環(huán)境與海陸的力學(xué)問(wèn)題

風(fēng)從山上飄，而風(fēng)更多。這是在(明)楊慎《古今諺——吳諺楚諺蜀諺滇諺》中收錄的一句諺語(yǔ),述及了地震(山抬)和海嘯的災(zāi)害.世界最早記載海嘯的文字,是我國(guó)《漢書》中關(guān)于西漢初元仁年(公元前47年)的一段記述:“一年中,地再動(dòng),北海水溢流,殺人民”,敘述了發(fā)生在山東萊州灣地震后的海嘯,這一記述被國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為是世界最早記載海嘯的文字證據(jù),并被廣泛引用.之后過(guò)了500多年,才有日本四國(guó)以南海底地震引發(fā)的海嘯文字記錄.在我國(guó)的歷史資料中,有不少關(guān)于海嘯的記載.其中較詳記述的事例有:康熙《蘇州府志》記載,1670年8月19日,“地震有聲,海潮溢,濱海民多溺死”;1781年5月22日,臺(tái)灣島西南遭受大型潮災(zāi),被認(rèn)為是遭受了一次破壞性大的海嘯;1867年12月18日,臺(tái)灣基隆近海發(fā)生7級(jí)地震,同治《淡水廳志》中稱“海水暴漲,屋宇傾壞,溺數(shù)百人”,是一次記載確切的海嘯;1917年1月25日,福建廈門、同安一帶“地大震,海潮退而復(fù)漲,漁船多遭沒(méi)”.日本東北部近海2011年3月11日發(fā)生的9.0級(jí)地震,引發(fā)了伴生海嘯的嚴(yán)重災(zāi)難,幾乎襲擊了日本列島太平洋沿岸的大部地區(qū),仙臺(tái)新港等太平洋沿岸出現(xiàn)了10m高的大海嘯,死亡1萬(wàn)多人,失蹤1萬(wàn)多人,還引發(fā)了福島核電站的核泄漏事故,引起了人們對(duì)海嘯災(zāi)害的關(guān)注,本文從力學(xué)角度討論了海嘯的形成原因,以及與海嘯有關(guān)的一些問(wèn)題.1中日地震的比較海嘯在許多西方語(yǔ)言中稱為“tsunami”,它由日語(yǔ)中“tsu”和“nami”兩個(gè)詞組成的,“tsu”的詞意是海港,“nami”的詞意是波浪.此詞源自日文“津波”,即[港邊的波浪](津,是港口;波,指水流).國(guó)際科學(xué)大會(huì)于1963年決定采用這一詞匯來(lái)表示海嘯.除北冰洋外,地球上的其他三大水域即太平洋、大西洋和印度洋,都多次發(fā)生過(guò)海嘯,也都有重大災(zāi)難性海嘯的記錄.太平洋有著世界上最大的地震帶即環(huán)太平洋地震帶,全球80%的地震發(fā)生在這里,而太平洋島弧——海溝地帶發(fā)生海嘯次數(shù)亦最多,占全球有史可考的海嘯記錄的85%.日本近海發(fā)生的海嘯又占太平洋海域的一半以上,是世界上海嘯最多的地區(qū),近500年來(lái)太平洋7次特大海嘯中的4次都出現(xiàn)在日本.海嘯是一種具有強(qiáng)大破壞力的海浪,海嘯的波速高達(dá)700～900km/h,用不了一天時(shí)間就能橫過(guò)大洋;波長(zhǎng)達(dá)數(shù)百千米,可以傳播幾千公里而能量損失很小;在茫茫大洋里波高不足1m,但當(dāng)?shù)竭_(dá)海岸淺水地帶時(shí),波長(zhǎng)減短而波高急劇增高,可達(dá)數(shù)10m,形成有巨大能量的破壞性“水墻”.海嘯的水墻每隔數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘重復(fù)一次.呼嘯的巨浪,以催枯拉朽之勢(shì),越過(guò)海岸線,越過(guò)田野,迅猛地襲擊著岸邊的城市和村莊,瞬時(shí)使生命財(cái)產(chǎn)都消失在巨浪中.港口的設(shè)施,被摧毀的建筑物,在狂濤的洗劫下,被席卷一空.事后,海灘上一片狼藉,到處是殘木破板和人畜尸體.日本東北地區(qū)太平洋海域2011年3月11日下午發(fā)生里氏9.0級(jí)的大地震,地震震源深度約24km,地震發(fā)生后五六分鐘,海面至少上升了3.5m.震后僅30min,就有3m高的海嘯到達(dá)了陸地.引發(fā)的海嘯幾乎襲擊了日本列島太平洋沿岸的所有地區(qū),仙臺(tái)新港等太平洋沿岸各地出現(xiàn)了10m高的大海嘯,福島核電站還發(fā)生了核泄漏災(zāi)害.2海底地震與海底地震可以導(dǎo)致形成海嘯的原因有3個(gè):地震、海底火山爆發(fā)或海底崩塌、以及宇宙天體的影響.地震是引發(fā)海嘯的主要原因,地震的伴生災(zāi)害中最具破壞力的就是海嘯.通常認(rèn)為:海嘯由震源在海底下50km以內(nèi)、里氏6.5以上的海底地震引起.當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),地殼運(yùn)動(dòng)造成海底板塊變形、斷裂,板塊之間出現(xiàn)滑移,使部分地層猛然出現(xiàn)上升或下沉,由此造成從海底到海面的整個(gè)水體發(fā)生劇烈“抖動(dòng)”.這種“抖動(dòng)”與平常所見到的海浪大不一樣.一般海浪只在海面附近起伏,涉及的深度不大,波動(dòng)的振幅隨水深衰減很快.地震引發(fā)的海水“抖動(dòng)”則是從海底到海面整個(gè)水體的波動(dòng),其所含的能量驚人,引發(fā)海水開始大規(guī)模的運(yùn)動(dòng),形成海嘯.海水水體抖動(dòng)與用石頭砸水時(shí)在水面出現(xiàn)的一圈圈向四周擴(kuò)散的水波有類似處,它們都是水面受到擾動(dòng)后,在重力作用下往四周傳送的波動(dòng),這類波動(dòng)在流體力學(xué)中稱為“重力波”.但小石頭砸水的能量很小,引不起大的波浪,更引不起海嘯.只有當(dāng)很大體積的水體突然抬升或者下沉,才能引發(fā)海嘯.能有這么巨大能量的,除了海底地震之外,還有海底火山爆發(fā)、海底大面積崩塌,以及隕石墮落,這些過(guò)程釋放的能量都非常驚人.不過(guò),并不是所有地震都會(huì)引起海嘯.如海底地震只是板塊水平滑移斷裂,并未造成突然的水體抬升或下沉,也不致引起海嘯.海嘯不同于風(fēng)浪波.風(fēng)浪波的周期(兩個(gè)連續(xù)波之間的時(shí)間間隔)通常只有5～20s,波長(zhǎng)(兩個(gè)連續(xù)波之間的距離)只有100～200m.而海嘯的周期范圍為10min～2h,波長(zhǎng)可超過(guò)500km.由于海嘯的波長(zhǎng)特別長(zhǎng),它在傳播過(guò)程中,能量損失很少,所以在很深的海水中,海嘯可以高速度、低能耗穿越大洋.比如,在6.1km深的海洋中,海嘯將以890km/h的速度傳播,這種速度與噴氣式飛機(jī)的飛行速度相當(dāng),從太平洋的一邊到另一邊,只需不到一天的時(shí)間.海嘯脫離深海的水域傳播到海岸邊淺水的地方時(shí),隨著水深的減小,其傳播速度隨之削弱,但海嘯的能量保持不變.當(dāng)海嘯波進(jìn)入大陸架淺海,因深度急劇變淺,能量集中,波高會(huì)驟然增大,成為極其迅速的升降潮和具有破壞性的連續(xù)大浪.當(dāng)海嘯發(fā)生時(shí),海浪高出海面的高度,稱為到達(dá)高度,可達(dá)到幾十米.大量的海水能伸展到內(nèi)地350m或更遠(yuǎn),將人和大量的物體挾帶到大海中.海嘯來(lái)襲之前,為什么有時(shí)海水會(huì)突然先退到離沙灘很遠(yuǎn)的地方,一段時(shí)間之后海水才重新上漲?這是因?yàn)楹[沖擊波的波谷是波浪中最低的部分,它如果先登陸,海面勢(shì)必下降.同時(shí),海嘯沖擊波又不同于一般的海浪,其波長(zhǎng)很長(zhǎng),當(dāng)波谷登陸后,要隔相當(dāng)一段時(shí)間,波峰才能抵達(dá).另外,這種情況如果發(fā)生在震中附近,那也可能是地震使海底地面有一個(gè)大面積的下降和抬升,地震區(qū)附近海域的海水也隨之下降和抬升,然后就形成了海嘯.海底山崩塌方則是因地震或海底火山爆發(fā)所引致,山崩塌方落下的沉積物和巖石也會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模海水的運(yùn)動(dòng),從而引發(fā)海嘯.里氏6.5級(jí)以下的地震也可能會(huì)引發(fā)海底火山爆發(fā)或海底山崩塌方,形成海嘯.因宇宙天體的影響而誘發(fā)海嘯的情況并不常見,但隕石墜落海洋中會(huì)激起波浪,當(dāng)隕石激起的波的能量足夠強(qiáng)大時(shí),也能引發(fā)海嘯.而且隕石造成的海嘯在任何水域都有機(jī)會(huì)發(fā)生,不一定在地震帶.一些科學(xué)家認(rèn)為,在6500萬(wàn)年前小行星曾撞擊地球造成毀滅恐龍的“K-T滅絕事件”,就曾經(jīng)導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)的大海嘯.相對(duì)受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)講,海嘯可分為遙海嘯和本地海嘯.遙海嘯也稱為越洋海嘯,是指橫越大洋或從很遠(yuǎn)處傳播來(lái)的海嘯.海嘯波屬于海洋長(zhǎng)波,一旦在源地生成后,在無(wú)島嶼群或大片淺灘、淺水陸架阻擋情況下,一般可傳播數(shù)千公里而能量衰減很少,因此可能造成數(shù)千公里之遙的地方也遭受海嘯災(zāi)害.如2004年12月發(fā)生在印尼的大海嘯就波及到幾千公里外的斯里蘭卡,1960年5月智利海嘯也曾使數(shù)千公里之外的夏威夷、日本都遭受到嚴(yán)重災(zāi)害.海嘯的大多數(shù)均屬于本地海嘯或稱為局地海嘯.因?yàn)楸镜睾[從地震及海嘯發(fā)生源地到受災(zāi)的濱海地區(qū)相距較近,所以海嘯波抵達(dá)海岸的時(shí)間也較短,只有幾分鐘,多者幾十分鐘.日本東北部2011年3月11日大地震引起的海嘯就是這種情況,海嘯預(yù)警時(shí)間很短,往往造成極為嚴(yán)重的災(zāi)害.3國(guó)際地震事件對(duì)我國(guó)的影響據(jù)統(tǒng)計(jì),20世紀(jì)以來(lái),全世界共發(fā)生8次死亡人數(shù)過(guò)千的海嘯災(zāi)害.(1)1908年12月28日,意大利墨西拿地震引發(fā)海嘯,震級(jí)7.5級(jí).在近海掀浪高達(dá)12m的大海嘯,死難8.2萬(wàn)人.(2)1933年3月2日,日本三陸近海地震引發(fā)海嘯,震級(jí)8.9級(jí),引發(fā)海嘯浪高29m,死亡3000人.(3)1959年10月30日,墨西哥海嘯引發(fā)山體滑坡,死亡5000人.(4)1960年5月21月到27日,智利沿海地區(qū)發(fā)生20世紀(jì)震級(jí)最大的震群型地震,其中最大震級(jí)8.4級(jí),引起的海嘯最大波高為25m.海嘯使智利一座城市中的一半建筑物成為瓦礫,沿岸100多座防波堤壩被沖毀,2000余艘船只被毀,造成1萬(wàn)多人喪生.(5)1976年8月16日,菲律賓莫羅灣海嘯,死亡8000人.(6)1998年7月17日,非洲巴布亞新幾內(nèi)亞海底地震引發(fā)的海嘯,造成2200人死亡.這次海嘯是因地震引發(fā)海底滑坡塌方引起的.(7)2004年12月26日印度尼西亞蘇門答臘島附近海域發(fā)生地震引發(fā)大海嘯.蘇門答臘地震造成的當(dāng)?shù)刂苯訐p失并不大,但其引發(fā)的海嘯卻造成印度洋沿岸十多個(gè)國(guó)家20多萬(wàn)人死亡或失蹤,這可能是全世界近200多年來(lái)死傷最慘重的海嘯災(zāi)難.(8)2011年3月11日日本東北部9.0級(jí)地震引發(fā)海嘯,死亡1萬(wàn)多人,失蹤1萬(wàn)多人,并引發(fā)日本福島核電站的核泄漏災(zāi)害.4地震數(shù)據(jù)處理和預(yù)防人類雖然仍無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震的發(fā)生,因而也無(wú)法預(yù)測(cè)海嘯的發(fā)生,但是在地震發(fā)生之后,已有能力向大洋沿岸地區(qū)發(fā)出海嘯的預(yù)警,從而起到減輕災(zāi)害的作用.首先要建立海嘯的全球預(yù)警系統(tǒng).地震波在地球內(nèi)部的傳播速度大約是6～7km/s,而海嘯的傳播速度僅是700～900km/h.可以利用地震波傳播速度與海嘯傳播速度的差別形成的時(shí)間差分析地震波資料,快速準(zhǔn)確地測(cè)定出地震參數(shù),并與預(yù)先布設(shè)在有可能產(chǎn)生海嘯的海域中的壓強(qiáng)計(jì)(有布設(shè)在海面上的壓強(qiáng)計(jì),也有安置在海底的壓強(qiáng)計(jì))的記錄相配合,就有可能判斷該地震是否激發(fā)了海嘯、海嘯的規(guī)模有多大.然后,根據(jù)實(shí)測(cè)水深圖、海底地形圖及可能遭受海嘯襲擊的海岸地區(qū)的地形地貌特征等相關(guān)資料,模擬計(jì)算海嘯到達(dá)海岸的時(shí)間及強(qiáng)度,再用衛(wèi)星、遙感、雷達(dá)等技術(shù)監(jiān)測(cè)海嘯在海域中傳播的進(jìn)程、采用現(xiàn)代信息技術(shù)將海嘯預(yù)警信息,及時(shí)傳送給可能遭受海嘯襲擊的沿海地區(qū)的居民,讓可能受到影響的國(guó)家和地區(qū)做好迎