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海啸的物理机制


http://www.sina.com.cn 2006年07月18日14:30 新浪科技

  我们所说的海啸现象(soo-NAH-mee)是由于海水被强大的作用力所搅动引起海水的扰动,由此而产生的 连续的、长周期的、波长极长的波动。海啸主要是由于海洋和海岸区域的地震引起的。另外,山崩、火山喷发、原子弹爆炸, 甚至来自外部空间的物体(例如陨石、小行星和彗星)的冲击也能引起海啸。

  浅水的海滩上,大海啸是穿过大洋的深部而到达海面的,它的浪尖与浪尖的长度可以
达到一百英里甚至更长,而它的 浪尖与浪谷的高度只有几英尺或者更小,这时无论你在空中俯瞰大海或者在海面轮船上都看不到或感觉不到它的存在。在海洋 的最深处,波的传播速度极快,甚至可达到每小时600英里(970km/hr)。当海啸通过它自己的方式进入浅滩时, 波的速度将变小而波的高度将增高。海啸的浪高能够超过100英尺(30m)并伴随有毁灭性的冲击力。

  “

海啸”这一词的普遍采用始于1963年的国际科学大会。海啸是日语中“tsu”和“nami ”两个词所代 表的词性而组成的,“tsu”的词意是海港,而“nami”的词意则是波浪。在此之前,海啸常常被一些讲英语的人们称 之为“潮汐波”,事实上这种称呼是不恰当的。潮水是由于月亮、太阳、行星的引力引起的。尽管海啸时海水冲撞的地域也是 潮水通常冲击的地方,但是海啸不是潮水引起的,同时也和潮水没有任何关系。过去,科学界称海啸为“
地震
的海浪”(Se ismicseawaves),Seismic含意是和地震发生的机制有关。海啸通常是由地震引起的,它很少由滑坡、 火山喷发引起,由大的陨石冲击而引起的海啸也十分罕见。

  地震引起的海啸是当海底突然破裂而使得压在上面的水从它的平衡位置上突然扰动,这时在重力的影响下,大量的海 水试图重新获得平衡,水的大量扰动就产生了海啸。最初决定海啸大小的主要因素是海底的垂直破坏的程度,同时也取决于地 震震级的大小、震源的深度和断层的性质,并和发生时的沉积物的滑脱及次生的断裂有关。决定海啸对海岸影响大小的其它因 素是海岸线和等深线的状态,海底变形的速度,以及震源区水的深度和从地壳到水体能量传波的效率。

  任何导致大量水体失衡的扰动都可以引发海啸。大地震时常常引起的海底滑坡也能导致海啸。海底滑坡时,沿着海底 运动的海底沉积物打破了海平面的均衡,海平面扰动时,重力就传播海啸。类似此例,海底的火山喷发也能产生巨大的冲力而 移动海水引起海啸。在海水表面,滑坡和从空中下落的巨大物体打破了水的平衡状态并因此引起海啸。和一些地震引起的广泛 海域的海啸不同,通过非地震机制引起的海啸通常消失得快并且很难从震源的地方影响到相距很远的海岸。

  海啸特征是浅水波。事实上我们在海岸边见到的那些浅水波是不同于风浪波的。风浪波通常只有5至20秒的周期( 两个连续波之间的时间间隔)和100至200米的波长(两个连续波之间的距离)。而海啸的周期范围为10分钟至2小时 ,而波长可超过300英里(500km)。当水的深度和波长的比率变小时,波的表现特征为浅水波。浅水波的速度是重力 加速度,与水的深度乘积的平方根波浪能量的损失和波长成反比。由于海啸的波长特别长,它的传播过程中,能量损失很少, 因此,在非常深的海水中,海啸将以高速度、低能耗穿越大洋。比如,当海深为20,000英尺(6100m)深时,不引 人注意的海啸将以每小时550英里(890km/hr)的速度传播,这种速度相当于喷气式飞机从太平洋这边到另一边只 用了不到一天的时间。

  海啸脱离深海的水域传播到海岸边浅水的地方时,它经历了一个转换过程。由于海啸的速度是和水深密切联系的,随 着水深的减小,海啸的传播速度随之削弱。在这个转化过程中海啸的能量保持不变。因此,当海啸进入浅滩时,它的浪高増加 。由于这种浅滩效应,在深I海啸到达海岸时,它表现为极其迅速的升降潮和具有破坏性的连续大浪。而海啸临近海岸时,礁 石、堤坝、大海的入河口、海底特殊地形和海岸的倾斜都可以对海啸起到限制作用,海啸一般很难转换为具有很大破坏性的大 浪,大多数情况下海啸的波浪在到达近海之前就损失掉了。如果它真的形成海啸,它就会形成前沿具有破坏性的阶梯形大浪。 如果海啸从深海传至浅滩,在堤坝或河流处可能形成海啸,其海平面可升高几英尺。在极端情況下,远离震源的海平面可上升 50英尺(15m)以上,而靠近震中产生的海啸海平面上升会超过100英尺(30m)。连续波中,首波不是最大的波。 沿海岸的一些地方可能看不见破坏性的海浪活动。而另外的地方可能就有巨大的破坏性的强海浪。大量的海水能伸展到内地1 000英尺(350m)或更多,水和残留物大量地覆盖在陆地上。当海啸产生时,人和大量的物体被海浪挟带到大海中。海 浪高出海面的高度,叫做到达高度,可达到30米(98ft)。值得注意的是滑坡产生的海啸,美国的阿拉斯加利图亚坝1 958年因此产生过高达525米(1722ft)的大浪。

  由于科学上还未能预报地震什么时候发生,所以也不能确定海啸的发生时间。但是通过历史记录和数字化模拟的帮助 ,科学工作者能够知道它们可能在什么地方产生。过去的大量的测量和计算机的模拟,帮助我们预报海啸的冲撞力和洪水,一 般限制在太平洋沿岸地区。在太平洋海岸区域,平均每两年就有破坏性的海啸发生。遍及太平洋的海啸很难产生,一般情况下 平均10至12年一次。(中国地震台网中心王瑀、赵勇、崔秋文根据www.wcatwc.gov/physics.h tm编译)


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