Метеорологические цунами: что это такое

Метеорологические цунами: что это такое? Александр Рабинович, Ядранка Шепич «Природа» №1, 2016. Об авторах. Александр Борисович Рабинович — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории цунами Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН. Специалист в области цунами, приливов, динамических процессов в океане и прибрежной зоне. Главный редактор журнала Pure and Applied Geophysics (Birkhauser, Switzerland). Ядранка Шепич (Jadranka Sepic) — научный сотрудник Института океанографии и рыболовства в г. Сплите (Хорватия), доктор философии (PhD) по геофизике.

Основной круг интересов включает метеоцунами и связанные с ними атмосферные процессы, экстремальные колебания уровня моря. Корчула — один из самых больших и красивых островов Хорватии — знаменит тем, что именно здесь в 1254 г. родился великий путешественник Марко Поло. Ежегодно сюда приезжает масса туристов со всей Европы, которых привлекает яркое солнце, чистое море, уютные тихие бухточки с песчаными пляжами и живописными скалистыми берегами, тенистые сосновые леса и буйная средиземноморская растительность. В западной части, в глубине обширной клинообразной бухты, вдающейся в берег, расположен небольшой (4,5 тыс. жителей) городок Вела-Лука, который исторически служил торговым и рыболовецким портом; сейчас же это курорт и место стоянки многочисленных яхт (рис. 1). Рис. 1. Карта Адриатического моря с побережьем Хорватии. Пункты, подверженные метеоцунами, показаны желтыми квадратиками . На врезках сверху вниз: залив Вела-Лука, о. Корула; заливы Стари-Град и Врбоска, о. Хвар. Наводнение в Вела-Луке. Ранним утром 21 июня 1978 г. население Вела-Луки было внезапно разбужено звуками потоков воды, заливающей их дома. Люди выбежали на улицу и увидели апокалипсическую картину их города, погружающегося под воду, которая стремительно прибывала, пока не достигла уровня 1,5–2 м выше городской набережной и портовых причалов. Десятью минутами позже вода так же стремительно начала отступать. Но вместо того чтобы остановиться на своем обычном уровне, она продолжала уходить из бухты. На территории порта полностью обнажилось дно. А потом вся картина полностью повторилась: опять потоки ревущей воды в виде бора, а затем столь же быстрое ее отступление. Заливание и осушение порта Вела-Луки непрерывно продолжалось в течение нескольких часов (рис. 2). Типичный период колебаний составил около 20 мин, максимальный размах достиг 6 м. До сих пор на стенах домов в поселке видны оставленные отметины [1, 2]. К счастью, обошлось без человеческих жертв, но убыток был очень велик — свыше 7 млн долл. (по ценам 1978 г.), что составило около четверти всего годового дохода о. Корчула. Рис. 2. Наводнение в Вела-Луке 21 июня 1978 г. Слева — во время полной воды, справа — в момент максимальной осушки. Разница во времени между двумя фазами события около 10 мин. Сильные течения и значительные колебания уровня моря 21 июня 1978 г. наблюдались еще в целом ряде пунктов Адриатического побережья Хорватии, в частности, на о. Вис, в городах Ластово и Сплите. Интенсивные (до 4 м) колебания, сопровождавшиеся потоками втекающей и вытекающей воды, отмечались в Дубровнике. Однако в целом ни в одном другом месте не наблюдались столь сильные разрушения, как в Вела-Луке. Произошедшее событие вызвало панику у местного населения и недоумение у ученых. Катастрофическое наводнение в Вела-Луке было совершенно непохоже на известные случаи штормовых нагонов или потопов, вызванных проливными дождями или весенними паводками. Главное отличие заключалось во временн о м масштабе явлений. Наводнения, связанные с паводками, длятся около недели (а иногда и дольше), штормовые нагоны — от нескольких часов до нескольких дней. В данном же случае наводнение (фаза «прилива», т.е. подъема воды) наблюдалось всего лишь 10 мин, столько же длилась и фаза «отлива». В других пунктах побережья типичный период колебаний составлял примерно столько же — от 5 до 30 мин. По масштабам, характеру проявления и катастрофическим эффектам наводнение в Вела-Луке было аналогично волнам цунами, которые регулярно происходят в сейсмоактивных зонах Мирового океана и вызывают колоссальные разрушения [3]. Неудивительно, что и жители пострадавших населенных пунктов, и ученые, исследовавшие это явление, широко использовали термин «цунами» при описании данного события [2], тем более что накануне (20 июня 1978 г.) в Эгейском море произошло сравнительно сильное землетрясение. Однако тщательный анализ показал, что, во-первых, магнитуда данного землетрясения ( M w = 6,4) недостаточна для генерации столь сильного цунами. Во-вторых, нигде в районе очага (т.е. непосредственно в Эгейском море) цунами не отмечалось. И в-третьих, теоретическое время прихода волны не соответствовало фактическому времени начала наводнения в Вела-Луке и в других пунктах побережья Адриатики. Альтернативная гипотеза заключалась в том, что данное цунами вызвал оползень в центральной части Адриатического моря, но никаких его следов найти не удалось. Характер же пространственного распределения высот наблюдавшихся волн (в частности, в местах, удаленных от предполагаемого очага оползня, колебания были существенно сильнее, чем в пунктах, находящихся поблизости) противоречил известным представлениям об оползневых цунами. Строго периодический характер вариаций уровня моря на различных участках побережья Хорватии свидетельствовал о том, что в результате некоего неизвестного внешнего воздействия в бухтах и портах возбудились собственные колебания соответствующих акваторий (сейши), которые по своей физической природе аналогичны колебаниям гитарной струны. Их доминантный период отвечал главному «тону», т.е. фундаментальному периоду конкретного бассейна. Изучение архивных материалов и опросы местных жителей показали, что значительные сейшевые колебания (хотя и не носившие катастрофического характера) наблюдались в порту Вела-Луки и ранее. Они даже имеют местное название — щига ( sciga ). Более того, выяснилось, что подобные колебания регулярно наблюдаются и во многих других пунктах побережья центральной Адриатики, например, в порту Стари-Град и в бухте Врбоска на соседнем острове Хвар (рис. 1). В городке Врбоска щига даже стали частью местной легенды. В старые времена жители Врбоски, проживающие в двух частях города, Подва и Пьяца, сильно враждовали друг с другом. А 11 марта 1614 г., в Добрую пятницу, на большом кресте в фамильном доме Ординановичей в Подве показалась кровь. Тогда члены семьи, их многочисленные соседи и местный священник решили, что крест надо немедленно перенести в церковь, расположенную на другой стороне длинной и узкой бухты. Однако в бухте разыгралась сильная щига, которая затопила мост через бухту, и жители Подвы были вынуждены идти по берегу через территорию враждебной Пьяцы. Эта процессия с кровоточащим крестом объединила две части города. Люди восприняли все происшедшее как небесный знак, призывающий их к миру и добрососедству. До сих пор для жителей Врбоски (и всего о. Корчула) Добрая пятница — главный религиозный праздник, который они широко отмечают, проводя шествие «За крестом». Собственные колебания любой физической системы (например, собственные колебания жидкости в замкнутом или частично замкнутом водоеме) могут возбуждаться самыми различными типами внешнего воздействия. Неясным оставался вопрос: «Какой именно тип внешнего воздействия сгенерировал 21 июня 1978 г. разрушительные колебания в порту Вела-Лука и других пунктах центральной Адриатики»? М. Ходжич, видимо, первым высказал предположение о метеорологической природе произошедшего наводнения [4]. По его мнению, бедствие вызвали свободные длинные морские волны, сформировавшиеся под действием циклона в центральной Адриатике. Однако этот циклон был довольно слабым и мало отличался от других, регулярно распространяющихся над акваторией Адриатического моря. По крайней мере, его трудно рассматривать как некое экстремальное явление, вызвавшее столь сильную реакцию. Но в этом и заключалась парадоксальность и загадочность данного события. Никаких экстраординарных явлений ни в земной коре, ни в атмосфере в то время не происходило, а самое сильное в ХХ в. на территории Хорватии наводнение произошло! Важную роль в понимании возможной природы события 21 июня 1978 г. сыграла работа М. Орлича, который, также полагая, что наводнение 1978 г. было вызвано атмосферными процессами, в качестве его причины назвал цуг атмосферных гравитационных волн, который распространялся над Адриатическим морем [5]. Но, главное, Орлич указал на вероятный резонансный механизм, вызвавший экстремальное наводнение в Вела-Луке и сильные колебания в других пунктах близлежащего побережья. Позже это предположение полностью подтвердилось. В последующие годы у хорватского побережья Адриатического моря произошел еще целый ряд сильных морских наводнений, которые по своему характеру очень напоминали событие 1978 г. Так, в 1984 и 2007 гг. подобные наводнения наблюдались в заливе Широка на о. Ист, а 27 июня 2003 г. от сильного наводнения серьезно пострадали города Стари-Град и Мали-Стон (рис. 1) [6, 7]. Уникальное событие случилось 23–27 июня 2014 г.: цепочка разрушительных наводнений прокатилась от берегов Испании до Черного моря [8], при этом на побережье Хорватии самые сильные (до 2,5 м) колебания наблюдались опять именно в Вела-Луке. В 1978 г., когда произошло катастрофическое наводнение в Вела-Луке, инструментальные наблюдения за колебаниями уровня моря и вариациями атмосферного давления были крайне немногочисленны, а имевшиеся представляли собой низкокачественные аналоговые записи с плохим разрешением по высоте и времени. Такое положение сильно ограничивало возможности исследователей. Для получения дополнительной информации использовались рассказы очевидцев, фотографии, отметки на берегу и данные любительских киносъемок. Полученные результаты и выводы носили большей частью не количественный, а качественный характер и подвергались вполне обоснованным сомнениям. Доказательная база того или иного предположения оставляла желать лучшего. За последние 10–15 лет ситуация кардинально изменилась. Во многих районах Средиземноморья (в том числе у побережья Хорватии) сейчас работают высокоточные цифровые измерители уровня моря и прецизионные микробарографы с дискретностью измерений 30 с — 1 мин. В результате удалось получить длинные серии синхронных наблюдений уровня моря и атмосферного давления и записать несколько экстремальных событий. Эти записи неопровержимо свидетельствуют о тесной связи в этом районе морских наводнений и высокочастотных флуктуаций атмосферного давления. Более того, численные модели, в которых в качестве входной функции используются подобные флуктуации, дают хорошее соответствие рассчитанных колебаний уровня моря и реально наблюденных. Так, Орлич 30 лет спустя вернулся к исследованию наводнения 1978 г. и смог воспроизвести и объяснить это событие, используя результаты численного моделирования [2]. Наводнение 1978 г. в Вела-Луке рассматривается как одно из наиболее ярких примеров явления, получившего название «метеорологическое цунами» (или просто «метеоцунами»). Событие в Вела-Луке экстраординарное, но оно не уникально. Существует еще целый ряд районов Мирового океана, где метеоцунами наблюдаются регулярно и порой принимают катастрофический характер. Метеоцунами. Общие положения. Метеорологические цунами — это длинные океанские волны, которые имеют те же пространственные и временн ы е масштабы, что и обычные волны цунами, и могут оказывать на побережье аналогичное разрушительное воздействие. Но вызываются они не землетрясениями, извержениями вулканов или подводными оползнями, а атмосферными процессами: тайфунами, ураганами, линиями шквалов, прохождением фронтальных зон, атмосферными внутренними волнами или просто скачками атмосферного давления [9]. Упоминания о волнах цунами, вызываемых атмосферным давлением и ветром, можно найти в японских работах 30-х годов прошлого века, но первым, кто предложил термин «метеоцунами», был, видимо, выдающийся австрийский океанограф А. Дефант [10]. В широкий научный обиход этот термин вошел после наших работ [11–13] . Для генерации сильного метеоцунами требуются особые условия, сочетание некоторых внешних и внутренних факторов. С одной стороны, должны присутствовать интенсивные мелкомасштабные атмосферные возмущения, распространяющиеся в определенном направлении и с определенной скоростью. В районе Средиземноморья такие условия существуют только летом, поэтому все известные метеоцунами здесь происходили в период между концом мая и серединой сентября. С другой стороны, требуется наличие специфической топографии, которая способствует усилению приходящих волн и формированию сильных собственных колебаний внутри определенной акватории. Именно по этой причине метеоцунами регулярно наблюдаются в одних и тех же портах и бухтах: это Вела-Лука и Стари-Град в Хорватии, Сьютаделья на о. Менорка (Балеарские о-ва), Мазаро-дель-Вальо на западном побережье о. Сицилия (рис. 3). Из других районов Мирового океана следует прежде всего упомянуть бухту Нагасаки на о. Кюсю в Японии и порт Лонгкоу в Желтом море в Китае. При метеоцунами значительные колебания одновременно могут происходить и в соседних портах и бухтах, но обычно с меньшими высотами. В тех районах, где метеоцунами наблюдаются достаточно часто, для них существуют местные названия. На Балеарских о-вах — риссага, на побережье Сицилии — марруббио (марроббио ) , в Японии — абики [14]. Рис. 3. Метеоцунами (риссага) в порту Сьютаделья (о. Менорка, Испания) 20 июня 2010 г. ( слева ) и метеоцунами (марроббио) в порту Мазарро-дель-Вальо (о. Сицилия, Италия) 25 июня 2014 г. Метеорологические цунами на восточном побережье Северной Америки. Один из районов, где регулярно отмечаются сильные длинноволновые колебания атмосферного происхождения, — Восточное (Атлантическое) побережье Северной Америки. Экстремальное, во многом уникальное событие наблюдалось здесь в конце 2004 г. [15]. 26 декабря в 00:59 UTC в Индийском океане, у берегов о. Суматра, произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой M w = 9,3. Оно породило катастрофическое цунами, которое стало одним из самых страшных природных бедствий в истории человечества — тогда погибло около 230 тыс. человек [3]. Волны цунами пересекли Индийский океан, обогнули Южную Африку и распространились в Атлантическом океане. Примерно через 32 ч после землетрясения они достигли побережья Северной Америки. Одновременно вдоль того же побережья двигался ураган, возбуждая на своем пути сильные сейшевые колебания типа метеоцунами (рис. 4). Таким образом, совпали два природных разрушительных явления. Различить и разделить их достаточно сложно, но помогло то, что волны цунами достигли всего побережья практически одновременно, а метеоцунами возбуждалось последовательно с юга на север (рис. 4). На границе США и Канады (станции Галифакс — точка 1 и Катлер — точка 3) два типа колебаний наложились друг на друга, и произошло значительное усиление результирующего сигнала. Рис. 4. Суперпозиции волн метеоцунами, вызванных прохождением урагана 26–28 декабря 2004 г. вдоль берегов Северной Америки, и Суматранского цунами 26 декабря 2004 г., пришедшего в этот район из Индийского океана ( слева ). Черная сплошная линия — трасса движения урагана с указанными датой, временем и давлением в центре циклона (гПа). Цветом показаны высоты волн цунами согласно данным численного моделирования [3], кружками — фактические наблюденные высоты волн. Здесь и далее для обозначения отдельных штатов США использована стандартная система кодировки. Приведены мареографные записи колебаний уровня моря в отдельных пунктах Атлантического побережья США, вызванные прохождением урагана и волнами цунами ( справа ) Рис. 5. Частотно-временные ( f – t ) диаграммы колебаний уровня моря у побережья Северной Америки 25–29 декабря 2004 г., построенные на основе вейвлет-анализа данных. Эффективным средством для исследования нестационарных волновых процессов служит вейвлет-анализ. Частотно-временные ( f – t ) диаграммы позволяют проследить эволюцию во времени метеоцунами и цунами и оценить изменения их частотных и энергетических свойств (рис. 5). На рисунке хорошо видно, что волны цунами с ярко выраженными доминантными периодами 40–60 мин дошли до всех станций 27 декабря около 9:00 UTC. Волны метеоцунами в этом отношении существенно отличались. Они включали гораздо более широкий спектр периодов (от 15 мин до 2 ч) и заметно различались по времени начала. Рассмотрим еще одно характерное метеоцунами на этом побережье, которое было вызвано прохождением деречо — катастрофического метеорологического явления, которое регулярно в летнее время наблюдается в центральной и восточной частях США. Деречо — система исключительно интенсивных долгоживущих конвективных грозовых фронтов, распространяющихся с большой скоростью и сопровождающихся ураганными ветрами. Деречо 29 июня 2012 г. зародилось в долине р. Огайо в центральной части США и распространялось на запад со скоростью около 100 км/ч, сея разрушения на своем пути: 22 человека были убиты, свыше 5 млн остались без электричества. Задев левым крылом район Великих озер и пройдя около 1000 км, 30 июня деречо достигло Атлантического побережья США (рис. 6). На Великих озерах и океанском побережье оно вызвало сильные сейшевые колебания [16]. Рис. 6. Карты распространения деречо 29–30 июня 2012 г. Слева — трасса и районы, пострадавшие от деречо: основная область показана темно-зеленым , районы со скоростями ветра свыше 30 м/с — салатовым . Желтыми квадратами и коричневыми прямоугольниками отмечены станции, использованные для анализа атмосферных возмущений [8]. Красными кружками отмечены станции: Чикаго ( Ch ), Балтимор ( Ba ) и Атлантик-Сити ( AC ), данные вейвлет-анализа которых показаны на рис. 7. Справа приведены результаты радарного зондирования атмосферы, показывающие развитие и эволюцию деречо при его распространении в сторону Атлантического побережья. Посмотрим на результаты вейвлет-анализа синхронных рядов наблюдений за колебаниями уровня моря и флуктуациями атмосферного давления для трех пунктов (рис. 7), положение которых указано на рис. 6: Чикаго (южное побережье оз. Мичиган), Балтимора (вершина очень длинного — больше 320 км — залива Чесапик, вдающегося далеко вглубь материка) и Атлантик-Сити (Атлантическое побережье). На диаграммах очень хорошо видна высокая корреляция колебаний уровня моря и атмосферного давления. В то же время просматривается явное влияние топографии, поддерживающей на некоторых станциях длительный «звон» сгенерированных колебаний уровня моря. Это особенно очевидно для замкнутой акватории, подобной оз. Мичиган, где возбужденные волны не убегают, а только затухают под действием трения. Отдельные энергетические полосы, хорошо выделяющиеся на f – t диаграммах, соответствуют прохождению отдельных фронтальных зон, которые сопровождаются возмущениями атмосферного давления и активным возбуждением колебаний уровня моря. Рис. 7. Результаты вейвлет-анализа ( f – t диаграммы) синхронных записей возмущений атмосферного давления и уровня моря при прохождении деречо 29–30 июня 2012 г. для станций Чикаго, Балтимор и Атлантик-Сити. Характер пространственного распределения интенсивности атмосферных возмущений и вызванных ими сейшевых колебаний для Атлантического побережья США показан на рис. 8. Для оценки степени опасности метеоцунами в отдельных районах побережья и выделения «горячих точек» (т.е. районов максимального риска) был введен коэффициент эффективности генерации ( R j ), который представляет собой отношение максимальных амплитуд возбужденных колебаний уровня моря и вызвавших их атмосферных возмущений [16]. Карты построены для события 2012 г., но они позволяют предварительно сделать некоторые более общие выводы. Так, максимальные значения коэффициента R j = 25–35 наблюдаются на северо-восточном побережье штата Нью-Джерси, где действительно неоднократно отмечались сильные сейшевые колебания, вызванные атмосферными процессами. Рис. 8. Интенсивность атмосферных возмущений, вызванных ими колебаний уровня моря, а также коэффициенты эффективности генерации на Атлантическом побережье США во время деречо 29–30 июня 2012 г. Спустя примерно год, 13 июня 2013 г., на Восточное побережье США обрушилось новое катастрофическое деречо, которое также сопровождалось метеоцунами. Возбужденные длинные волны были настолько сильны, что по американским новостным каналам прошло сообщение об атаке волн цунами, которой подверглось северо-восточное побережье штата Нью-Джерси и о. Лонг-Айленд (штат Нью-Йорк). Позже П. Витмор, директор Аляскинского центра предупреждения цунами, уточнил, что это были «цунамиподобные волны метеорологического происхождения», т.е. метеоцунами. Резонансный механизм формирования метеорологических цунами. Метеоцунами, описанные в предыдущем разделе, были вызваны экстремальными метеорологическими событиями: ураганом и деречо. Однако абсолютное большинство сильнейших метеоцунами (включая наводнение в Вела-Луке) наблюдались в хорошую ясную погоду при отсутствии каких-либо видимых атмосферных катаклизмов. Последующие исследования показали, что во всех подобных случаях метеоцунами связаны с прохождением скачков атмосферного давления или пакетов атмосферных волн. Перепад давления в таких возмущениях обычно составляет 1–3 гПа (мбар), очень редко больше 5 гПа. Для сравнения: перепад давления в глубоком циклоне обычно 30–40 гПа, а в сильных тайфунах и ураганах может быть свыше 80 гПа. Возмущения в 1–3 гПа люди практически не ощущают, а на лентах барографа (который в течение многих десятилетий использовался для наблюдения за изменчивостью атмосферного давления) подобные мелкомасштабные вариации почти незаметны. Именно по этой причине каждый раз, когда происходит сильное метеоцунами (особенно в районах, где ранее подобные события не отмечались), объяснения пытаются найти в подводном землетрясении, оползне, взрыве. И никто, кроме специалистов, не думает, что данное событие могли вызвать малозаметные скачки атмосферного давления. Только установка высокоточных цифровых измерителей уровня моря и прецизионных микробарографов и получение качественных синхронных записей атмосферного давления и уровня моря позволили показать тесную взаимосвязь этих процессов. Более того, современные численные модели, в которых в качестве входа используются наблюденные возмущения атмосферного давления, с хорошей точностью воспроизводят реально произошедшие метеоцунами [2, 7]. Рис. 9. Район Балеарских о-вов ( внизу ) и схема расположения приборов, установленных во время гидрофизического эксперимента LAST-97 на шельфе и в бухтах о. Менорка. Стрелкой показано направление распространения атмосферных волн. 1 — микробарографы, 2 — донные мареографы. И, тем не менее, до сих пор даже для многих специалистов явление метеоцунами выглядит загадочным. Известно, что в океане действует так называемый закон обратного барометра , согласно которому изменение атмосферного давления на 1 гПа вызывает изменение уровня моря с обратным знаком на 1 см [9]. Так, скачок атмосферного давления на 3–5 гПа должен вызывать отклик уровня высотой 3–5 см, а фактически во время сильнейших наводнений высота волн метеоцунами достигает нескольких метров, т.е. на два порядка больше. Характерный пример — разрушительное метеоцунами (риссага) 15 июня 2006 г. на о. Менорка. Резкий скачок давления около 5 гПа, распространившийся над Балеарскими о-вами (рис. 9), вызвал разрушительные колебания уровня моря в порту Сьютаделья высотой до 5 м. Более 40 судов были потоплены, общий убыток превысил 30 млн евро. Отношение перепада давления и высоты волн риссага составило примерно 1:100. Столь сильная реакция океана с физической точки зрения выглядит труднообъяснимой. Но то, что именно этот скачок давления вызвал наводнение, надежно подтверждается результатами численного моделирования [7]. Нам пришлось достаточно много заниматься исследованием волн риссага на Балеарских о-вах. Метеоцунами высотой около 1 м наблюдаются в бухте Сьютаделья каждое лето, а каждые пять-шесть лет происходят катастрофические события с высотами колебаний свыше 3 м. Волны риссага, хотя и менее сильные, фиксируются и в соседней бухте Платха-Гран на о. Менорка (рис. 9), а также в бухтах о. Майорка (Санта-Понса, Са-Рапита, Порто-Колом, Польенса) и других Балеарских островов (Ивиса, Кабрера), а также на континентальном побережье Испании. С точки зрения гидродинамики, волны цунами и метеоцунами очень похожи, однако физический механизм их формирования существенно различается. Метеоцунами — резонансное явление. Значительные колебания поверхности океана могут возникнуть только тогда и там, где совпадают скорости распространения атмосферного возмущения ( U ) и скорости длинных океанских волн ( с ). Последние рассчитываются по очень простой формуле Лагранжа: c = gb , где g — ускорение силы тяжести, а h — глубина океана. К примеру, если h = 60 м (характерная глубина на шельфе Балеарских о-вов), то с ? 25 м/с. Атмосферные волны, распространяющиеся с такой скоростью, могут привести к резонансной генерации длинных океанских волн, что и наблюдалось в этом районе 15 июня 2006 г. Такой тип резонанса ( c ? U ) у океанологов принято называть резонансом Праудмена [17]. Но для формирования сильного метеоцунами резонансного совпадения скоростей недостаточно. Должен сработать еще ряд факторов: резкий скачок давления в атмосферном возмущении — 2–3 гПа за 10 мин (во время наводнения 15 июня 2006 г. давление за 10 мин возросло на 5 гПа), определенное направление его распространения (для Сьютадельи — юго-западный сектор) и специфические особенности локальной топографии данного района. В частности, постепенное уменьшение глубины и узкая воронкообразная форма залива — важные условия усиления длинных волн, приходящих из открытого моря (бухты Вела-Лука, Стари-Град и Вброска на рис. 1). Однако имеется еще один очень немаловажный фактор, определяющий характер и интенсивность проявления вблизи берега как обычных волн цунами, так и метеоцунами. Это резонансные особенности конкретной акватории, расположенной в вершине залива (как в Стари-Граде или Вела-Луке) или непосредственно примыкающей к берегу (как бухта Сьютаделья или бухты Малокурильская и Крабовая на о. Шикотан). Как говорилось выше, в каждой такой бухте или порту существуют стоячие колебания — сейши. Периоды собственных колебаний данной акватории определяются ее морфометрическими характеристиками. Отдельные моды таких колебаний по своей физической природе аналогичны тонам музыкальных инструментов. Особую роль играет низшая фундаментальная мода, которую еще называют «модой Гельмгольца», «нулевой модой» или «модой накачки». Эта мода имеет наибольший период и единственную «узловую линию» (линию, на которой нет колебаний), находящуюся на входе в акваторию. Сама же мода представляет собой периодическое наполнение и слив внутренней полости (в данном случае бухты или гавани). В бухте Сьютаделья период фундаментальной моды 10,5 мин, а в бухте Вела-Лука — около 20. Именно эта мода обычно доминирует в прибрежных акваториях, и именно с ней связаны периодические приливно-отливные колебания (наполнение и осушение акваторий). Если период приходящих из внешнего бассейна (открытого моря) волн близок к периоду собственного колебания внутренней акватории, то в ней происходит резонансное возбуждение собственных колебаний, которое называют резонансом гавани [9, 14] . Летом 1997 г. в районе о. Менорка проводился гидрофизический эксперимент LAST-97, цель которого — выявление механизма формирования волн риссага. На западном шельфе острова установили четыре глубоководных датчика уровня моря, еще два поставили в бухте Сьютаделья и один — в соседней бухте Платха-Гран (рис. 9). Кроме того, поблизости треугольником разместили три прецизионных микробарографа. В период проведения эксперимента произошли три значительных метеоцунами высотой 1,1–1,25 м [18]. На основе анализа двух первых событий и данных по атмосферному давлению с высокой точностью было предсказано третье. Эти же данные в дальнейшем использовались для верификации и отладки численной модели волн риссага и расчета события 15 июня 2006 г. [7]. Спектры колебаний уровня моря на трех станциях в бухтах и одной — на шельфе показаны на рис. 10. Общее во всех спектрах — это то, что относится к спектральным особенностям шельфа и прилегающей части Средиземного моря. В частности, практически идентичная величина пика с периодом 24,4 мин на всех спектрах — явная особенность шельфа. Различия связаны с индивидуальными особенностями конкретных бухт. Главный спектральный пик с периодом 10,5 мин в бухте Сьютаделья соответствует фундаментальной моде данной бухты, 4,3 мин — первая мода (на станции М0 этот пик не виден, как раз здесь проходит узловая линия для данной моды), а 2,4 мин — вторая мода. В бухте Платха-Гран фундаментальная мода имеет период 5,5 мин, а первая — 2,2 мин. Численные расчеты модальной структуры подтверждают такую структуру собственных колебаний в этих акваториях [19]. Результаты спектрального анализа показывают, что во время метеоцунами происходит значительное увеличение спектра в широком диапазоне частот (рис. 10). Но главную угрозу представляет резкое усиление фундаментальной моды. Рис. 10. Спектры волн риссага и фоновых колебаний уровня моря по данным измерений эксперимента LAST-97. Положение станций приведено на рис. 9. Цифрами указаны периоды колебаний (мин), стрелками отмечены отдельные моды собственных колебаний уровня моря в бухтах Сьютаделья (М0, М2) и Платха-Гран (М1). Для станции MW3, расположенной на шельфе, показан закон ? ?2 спадания спектров с частотой (?), типичный для длинных волн в открытом океане. Имеется один очень важный параметр, который определяет «остроту резонанса» и степень усиления приходящих волн — добротность соответствующей акватории ( Q ). Она обратно пропорциональна скорости затухания колебаний: чем выше добротность, тем медленнее колебания затухают и тем сильнее усиливаются приходящие волны. И наоборот, при малой добротности входящие волны слабо усиливаются и быстро затухают. В 1961 г. американские ученые Дж. Майлс и У. Манк опубликовали статью «Парадокс гавани» [20]. Смысл ее в том, что чем сильнее мы стараемся защитить гавань от входящих ветровых волн и зыби, тем выше ее добротность и тем сильнее в ней будут проявляться и усиливаться длинноволновые колебания. В этом и заключается парадокс! Чем уже «ворота» в порт или бухту, тем выше добротность (конечно, это справедливо только до какого-то предела: если «ворота» будут слишком маленькие, то трение просто не позволит волне проникнуть в соответствующую акваторию). В узких вытянутых заливах типа фьордов добротность определяется отношением ширины залива ( b ) на входе к его длине ( l ): Q ? l / b . Бухта Сьютаделья имеет длину около 1 км и ширину около 100 м. Соответственно, Q ? 10. Такая величина добротности означает, что после возбуждения требуется примерно 6,5 колебания для затухания амплитуды в e раз ( N = 2 Q /?). Одновременно это значение характеризует и степень усиления приходящей волны: R ? Q = 10, т.е. волна, приходящая из открытого моря, в бухте Сьютаделья усиливается примерно в 10 раз. Это хорошо видно по результатам спектрального анализа (рис. 10). Если считать сигнал и соответствующий спектр на станции MW3 (шельф) входом, а на станции M2 (вершина бухты) — выходом, то энергия на частоте фундаментальной моды (т.е. на периоде 10,5 мин) возрастает на два порядка (т.е. само колебание усиливается примерно в 10 раз). Результаты спектрального анализа объясняют, почему колебания в бухте Платха-Гран существенно слабее, чем в Сьютаделье. Основная причина — убывание с частотой входного спектра длинных волн. На графиках хорошо видно, что на станции MW3 на периоде 5,5 мин энергия значительно меньше, чем на периоде 10,5 мин. Таким образом, формирование значительного метеоцунами проходит через несколько стадий и зависит от многих факторов. Проиллюстрируем последовательность отдельных этапов на примере катастрофического события 31 марта 1979 г. в бухте Нагасаки [21]. Начальный источник метеоцунами (абики) располагался в западной части Восточно-Китайского моря (рис. 11), где скачок атмосферного давления в 3 гПа сформировал возмущение поверхности моря высотой 3 см. Шельф, который почти на 600 км тянется от материкового побережья Китая на восток, имеет характерные глубины от 50 до 150 м. Им соответствуют скорости длинных волн 22–39 м/с. Скачок атмосферного давления распространялся в сторону побережья Японии со скоростью 31 м/с, т.е. со скоростью, близкой к резонансной, и «тащил» вместе с собой длинную морскую волну, постоянно подпитывая ее энергией. В процессе распространения эта волна набирала силу и при подходе к ближнему шельфу имела высоту 16 см (рис. 11). На шельфе произошло дальнейшее усиление волны, и она достигла уже высоты 45 см. Во внешнем воронкообразном заливе продолжалась интенсификация волны: мареограф Незуми, расположенный на входе в бухту Нагасаки (точка 1 на врезке рис. 11), зарегистрировал максимальную высоту 1,3 м, а мареограф Нагасаки внутри бухты — 2,8 м (точка 2). В вершине бухты, согласно показаниям очевидцев, фотографиям и отметкам на берегу, максимальная высота волны была 4,8 м. Три пожилые женщины погибли. Так, начальное возмущение в 3 см, пройдя несколько этапов, привело к катастрофическому колебанию в бухте Нагасаки высотой почти 5 м (рис. 11). Скорости течений в бухте (а это главный поражающий фактор) превысили 15–20 узлов. В некоторых акваториях очень высокие скорости течений наблюдаются и при сравнительно небольших колебаниях уровня моря. В этом отношении просматривается очевидная аналогия между метеоцунами и явлением тягуна [9], которое представляет серьезную угрозу для ряда портов Черноморского побережья Кавказа (Туапсе, Сочи, Геленджика, Батуми, Поти и др.). Рис. 11. Схема формирования катастрофического метеоцунами (абики) в бухте Нагасаки 31 марта 1979 г. Вверху слева — северная часть Восточно-Китайского моря и район бухты Нагасаки на о. Кюсю. Заштрихованным прямоугольником показана зона, в которой сформировалось начальное отклонение уровня моря под действием атмосферного возмущения. Цифрами на врезке показано положение мареографов. Вверху справа — записи метеоцунами на мареографах Незуми ( 1 ) и Нагасаки ( 2 ). Внизу — схема последовательного усиления возбужденной волны: от 3 см в зоне источника до 4,8 м в вершине бухты Нагасаки ( точка 3 на врезке ) Таким образом, основную угрозу представляет не сама величина атмосферного возмущения, а острота резонанса (скорость, направление атмосферного возмущения, его частотный состав и некоторые другие параметры), а также специфические условия конкретной акватории [19]. Там, где есть протяженный шельф, способствующий резонансу Праудмена (т.е. где длинные волны имеют скорости c = gb , близкие к типичным скоростям атмосферных возмущений), а также внешняя воронка, которая обеспечивает фокусировку волн, и бухта или порт с высокой добротностью, метеоцунами происходят с большой регулярностью. Такими районами и являются бухты Вела-Лука и Стари-Град, Сьютаделья, Мазаро-дель-Вальо, Нагасаки и др. Это как мина с часовым механизмом: десятки атмосферных возмущений могут проходить над соответствующим районом, не вызывая заметного эффекта, но потом возникает возмущение с параметрами, близкими к резонансным, и «мина» взрывается. Метеорологические цунами 2014 года. Одному из авторов (А. Б. Рабиновичу) этой статьи пришлось заняться рассматриваемой проблемой около 20 лет назад. В то время даже сам термин «метеоцунами» практически не использовался. Было известно, что в некоторых районах Мирового океана периодически наблюдаются экстремально сильные сейши (рис. 12), которые носили местные имена и изучались местными специалистами изолировано, без связи с другими сходными явлениями. Конкретный физический механизм формирования экстремальных сейш оставался неясен. В частности, некоторые ученые предполагали, что основная причина их возникновения — внутренние приливные волны. Именно эта интересная, хотя и (как оказалось в дальнейшем) ложная теория стимулировала постановку донных мареографов в бухте Сьютаделья и на внешнем шельфе о. Менорка и позволила получить первые качественные записи метеоцунами (риссага). Последовавшие работы, посвя